Операционные усилители с однополярным питанием: примеры применения

11 февраля

Бонни Бейкер (Microchip Technology)

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:

$$V_{OUT}=\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{IN}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

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 (R

1). Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 2:

$$V_{OUT}=-\left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{IN}+\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\times V_{BIAS}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

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:

$$V_{OUT}=V_{DD}\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

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:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

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:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}+V_{2}-V_{3}-V_{4} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

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:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(1+\frac{2R_{2}}{R_{G}} \right)\times \left(\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

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:

$$V_{OUT}=\left(V_{1}-V_{2} \right)\times \left(1+\frac{R_{1}}{R_{2}}+\frac{2R_{1}}{R_{G}} \right)+V_{REF}\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

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:

2(V_REF – V_R1) – (V_REF – 2V_R1), что равно V_REF.

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

$$I_{OUT}=\frac{V_{REF}}{R_{L}}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

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:

$$\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}=\left(1+\frac{R_{4}}{R_{3}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

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:

$$V_{OUT}=V_{IN}\times \left(\frac{R_{3}}{R_{4}} \right)\times \left(\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}} \right)\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

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:

• общие советы;
• входные каскады;
• ширина полосы пропускания ОУ;
• ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании.

Общие советы

• Соблюдайте осторожность при выборе напряжений, подаваемых на выводы питания ОУ. Не превышайте значений, указанных в спецификации на операционный усилитель, и, в то же время, не делайте их слишком маленькими. Высокие значения напряжений приведут к повреждению компонента, а низкие не смогут обеспечить требуемое смещение транзисторов на кристалле ОУ, необходимое для нормальной работы усилителя.
• Убедитесь, что отрицательный вывод питания (обычно – земля) действительно подключен к шине с низким потенциалом. Кроме того, убедитесь, что источник положительного напряжения действительно обеспечивает требуемое напряжение относительно отрицательного вывода питания ОУ. Для проверки подключите вольтметр между отрицательным и положительным выводами питания ОУ.
• Тщательно проверьте земляную шину, особенно при наличии на плате цифровых узлов. Хорошо продумайте трассировку земляной шины. Если схема содержит много цифровых цепей, подумайте над использованием отдельных слоев земли и питания. Очень сложно, а зачастую просто невозможно убрать из аналогового сигнала помехи, вызванные работой цифровых компонентов.
• Развязывайте цепи питания операционных усилителей с помощью блокировочных конденсаторов, располагая их как можно ближе к ОУ. Для КМОП-усилителей обычно рекомендуется использовать конденсаторы емкостью 0,1 мкФ. Также выполните развязку самого источника питания с помощью конденсатора емкостью 10 мкФ.
• Используйте короткие проводники на входах ОУ. Если вы применяете для макетирования беспаечные макетные платы, то имейте в виду, что они могут стать причиной появления в схеме паразитных шумов и колебаний. Можно надеяться, что эти проблемы не возникнут при реализации схемы на печатной плате.
• Операционные усилители чувствительны к статическому электричеству. Если микросхема будет повреждена, то ОУ либо просто перестанет работать, либо возникнут непонятные погрешности (например, изменится напряжение смещения или входной ток смещения), которые со временем будут только увеличиваться.

Входные каскады

• Учитывайте диапазон входных напряжений вашего ОУ. Если напряжение на любом из входов усилителя выйдет за допустимые пределы, то на выходе, скорее всего, установится напряжение одной из шин питания.
• Если ваша схема имеет большой коэффициент усиления, не забывайте о напряжении смещения ОУ. Это напряжение усиливается вместе с полезным сигналом и может «забить» полезный сигнал на выходе усилителя.
• Не используйте ОУ со входами типа «rail-to-rail», если в этом нет прямой необходимости. Заметим, что такие ОУ обычно требуются только для буферных усилителей и, в некоторых случаях, для реализации инструментальных усилителей. Если схема имеет усиление, то ограничение выходного сигнала в любом случае наступит до возникновения проблем со входом.

Ширина полосы пропускания ОУ

• Учитывайте ширину полосы пропускания ОУ. Если у вас реализован усилитель с коэффициентом усиления 10, а величина выходного сигнала переменного тока намного меньше ожидаемой, то вам, возможно, следует подыскать усилитель с более широкой полосой пропускания.
• Для обеспечения устойчивости ОУ обычно достаточно установить конденсатор параллельно резистору в цепи обратной связи усилителя. Но это помогает не всегда. Если усилитель теряет устойчивость, быстрый ее расчет укажет проблему и, возможно, подскажет пути ее решения.

ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании

• Операционный усилитель способен отдавать в нагрузку ограниченный ток.
• Емкостная нагрузка опасна для ОУ. Убедитесь, что используемый усилитель рассчитан на нагрузки, имеющиеся в вашей схеме.
• Большая редкость, когда операционный усилитель с однополярным питанием действительно обеспечивает полный размах выходного напряжения. На практике предельные значения выходного напряжения большинства таких усилителей отличаются от напряжения каждой из шин питания на 50…200 мВ. Проверьте это по технической документации на ваш усилитель.

Литература

1. Sergio Franco, “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”, McGrawHill, 2001
2. Thomas Frederiksen, “Intuitive Operational Amplifiers: From Electron to Op Amp”, McGraw Hill, 1988
3. Jim Williams, “Analog Circuit Design”, Butterworth-Heinemann, 1991
4. Bonnie Baker, “AN699 – Anti-aliasing Analog Filters for Data Acquisition Systems”, Microchip Technology Inc., DS00699, 1999
5. Bonnie Baker, “AN722 – Operational Amplifier Topologies and DC Specifications”, Microchip Technology Inc., DS00722, 1999
6. Bonnie Baker, “AN723 – Operational Amplifier AC Specifications and Applications”, Microchip Technology Inc., DS00723, 2000

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

 

 

•••

Наши информационные каналы

2. УСИЛИТЕЛИ С ОДНОПОЛЯРНЫМ ПИТАНИЕМ

3.Объяснить схему инвертора напряжений и оценить погрешности.

4.Прокомментировать схему усилителя тока и ее погрешно-

сти.

5.Объяснить принцип действия электронного фазовращателя

ипрокомментировать его особенности.

6.Пояснить принципы построения электронных модуляторов.

7.Объяснить принцип построения конверторов сопротивлений

иих применение.

8.Объяснить сущность конверторов сопротивления с использованием процедуры умножения на 1/р в них.

9.Прокомментировать особенности построения схем выпрямителей сигналов малого уровня с использованием операционных

усилителей.

10. Прокомментировать особенности интеграторов напряжений на основе операционных усилителей.

11.Прокомментировать особенности дифференциаторов на основе операционных усилителей.

2.1.Возможность использования обычных операционных усилителей в режиме однополярного питания

Развитие интегральных технологий породило производство различного рода носимых электронных устройств: радиоприемников, телевизоров, магнитофонов и т.д. Создание таких устройств, в свою очередь, обусловило необходимость решения целого ряда технических задач: уменьшения энергии, потребляемой электронными устройствами, повышения их коэффициента полезного действия – снижения тепловыделения в них, а также уменьшения количества источников питания в носимых устройствах.

При этом такое требование, как портативность, часто превалировало над стоимостью. Решение задачи уменьшения количества источников питания, таких как аккумуляторы или батарейки, привело к созданию электронных схем с питанием от одного источника.

Как известно, обычные операционные усилители (ОУ) рассчитаны на двухполярное питание, т.е. на питание от двух источников. Это обусловлено, в основном, необходимостью усиливать сигналы постоянного тока разных знаков.

На рис. 2.1, а представлена упрощенная схема ОУ с питанием от двух источников с одинаковым напряжением U’п =U»п. Поскольку выходная цепь таких ОУ обычно выполняется по дифференциальной схеме, т.е. токи в нагрузке Rн направлены встречно, то балансировкой схемы представляется возможным при Uвх= 0 обеспечить Uн = (I1–I2)Rн = 0 с требуемой точностью.

				U	∆Uп	+Uп
		I1
			U’п			+Uн
		А Rн
+ (–)			ОТ	0	В	t
		Uн			С
	Uвх		U»п			–Uн
		I2
						–Uп
– (+)				–U	∆Uп
		а			б

Uвых

0

ωt

в

Рис. 2.1

Обычно выходные каскады ОУ организуются по схеме класса

В, т.е. при Uвх=0 токи I1 = 0 и I2 = 0. Положим теперь, что положительному входному сигналу Uвх(+) соответствует выходной ток I1 ,

т.е. I1= KUвх(+) и наоборот I2= KUвх(–). Тогда становится очевидной возможность усиления сигналов постоянного тока любого знака.

Так, при Uвх(+) на выходе схемы наблюдается напряжение

Uн(+) = (I1 – I2)Rн = (I1 – 0)Rн = KUвх(+) Rн, а при Uвх(–) имеет место

Uн(–) = (I1 – I2)Rн = (0 – I2)Rн = –KUвх(–) Rн.

Очевидно, что увеличению Uвх(+) соответствует увеличение Uн(+) (стрелка В на рис. 2.1, б), а увеличению напряжения другого

знака Uвх(–) соответствует Uн(–) (стрелка С на рис. 2.1, б). При этом отсчет выходных напряжений производится от общей точки (ОТ),

т.е. от нуля, выставленного с желаемой точностью.

Сигнал переменного тока можно рассматривать как частный случай знакопеременного сигнала постоянного тока. Это значит, что обычные ОУ с двухполярным питанием усиливают сигналы и постоянного, и переменного тока (рис. 2.1, в). При этом они требуют дополнительного внешнего обрамления.

В качестве общей точки ОТ – точки отсчета напряжений – в ОУ используется средняя точка обобщенного источника питания

– источника, составленного из двух последовательно включенных одинаковых по величине источников напряжения. Тем самым гарантируется одинаковый диапазон изменения выходных напряже-

ний, т.е. D(+) = D(–) = Uп – ∆Uп , где ∆Uп – минимально возможные потери напряжения в ОУ.

Существующие ОУ можно питать и от источника, в котором

Uп1 ≠ Uп2, т.е. общую точку – точку отсчета напряжений – можно выбирать произвольно. Положим, что источник питания выполнен так, что U’п1 > U»п2 (рис. 2.2, а).

		U	∆Uп	+Uп
	I1
		Uп1		2
	Rн
			1
		ОТ
	А
	Uн	0		ωt
Uвх		Uп2
	I2
				–Uп
			∆Uп
	а			б
		Рис. 2.2
				41

Вэтом случае диапазоны изменения выходных положительных

иотрицательных напряжений не равны, т.е. D(+) = (U’п – ∆Uп) > > D(–) = (U»п – ∆Uп). Следовательно, при малых входных сигналах переменного тока на выходе ОУ будет наблюдаться неискажен-

ный синусоидальный сигнал (кривая 1, рис. 2.2, б). С увеличением входного сигнала начинается «подрезание» амплитуды отрицательной полуволны выходного напряжения (кривая 2, рис. 2.2, б). Чем глубже неравенство D(+) > D(–) , тем меньше становится амплитуда неискаженной отрицательной полуволны выходного напряжения. При D(+) < D(–) наблюдается обратная картина – «подрезается» положительная полуволна выходного напряжения.

Граничной ситуацией выбора общей точки в ОУ является использование в качестве таковой любого из зажимов обобщенного источника питания (рис. 2.3, а), состоящего из последовательно включенных Uп1 и Uп2 (рис. 2.2, а).

Вэтом случае обобщенный источник питания, состоящий из двух последовательно включенных, превращается в единый источник.

Вслучае выбора в качестве точки отсчета отрицательного за-

жима источника питания Uп (рис. 2.3, а) при условии ∆Uп = 0, диапазон изменения отрицательных выходных напряжений стано-

вится равным нулю, т.е. D(–) = 0, а D(+) ≈ Uп. Это значит, что на выходе усилителя в этом режиме его использования наблюдаются

либо только положительные выходные напряжения (рис. 2.3, б), либо положительные полуволны, обусловленные сигналом переменного тока (рис. 2.3, в). При выборе в качестве точки отсчета напряжений положительного зажима источника питания (рис. 2.4, а) на выходе схемы имеют место либо отрицательные напряжения (рис. 2.4, б), либо отрицательные полуволны синусоидального напряжения, обусловленного сигналом переменного тока (рис. 2.4, в).

Таким образом, любой ОУ можно использовать в режиме однополярного питания. К сожалению, при этом в зависимости от организации усилительной схемы будут усиливаться сигналы лишь одного какого-либо знака: отрицательные или положительные.

2.2.Усиление сигналов переменного тока усилителями

соднополярным питанием

Хотя усиление знакопеременных сигналов постоянного тока ОУ с однополярным питанием принципиально невозможно, тем не менее, усилить сигналы переменного тока можно, если дополнить ОУ небольшим количеством внешних элементов.

При этом процедура усиления сводится к следующему. Сперва сигнал переменного тока преобразуется в переменный однонаправленный сигнал. Затем производится отделение усиленного собственно переменного сигнала от переменного однонаправленного. Преобразование сигнала переменного тока в переменный однонаправленный сигнал иллюстрирует рис. 2.5.

Для этого сигнал переменного тока Uс (рис. 2.5, а, г) складывается с постоянным напряжением +Uсм (–Uсм), (рис. 2.5, б, д) и образуется однонаправленное переменное напряжение (рис. 2.5, в, е). В результате такого суммирования происходит смещение переменного сигнала относительно нулевой оси либо в сторону положительных, либо в сторону отрицательных напряжений в зависимости от знака смещающего напряжения.

Uс	U	+Uсм	U	+Uсм
0	ωt
	0	t	0	t
а	б			в
	0	t	0	t
Uс
0	ωt	–Uсм		–Uсм
	U		U
г	д			е
		Рис. 2.5

Обычно процедура смещения производится в усилительном устройстве. В этом случае говорят о смещении рабочей точки усилителя.

Однонаправленный переменный сигнал усиливается ОУ с однополярным питанием (рис. 2.6, а). Затем переменная составляющая усиленного смещенного сигнала отделяется от постоянной составляющей Uсм вых разделительным конденсатором С

(рис. 2.6, б).+Uп

Uвых

KuUс

+Uсм вых

Uсм +U

с

U

вых

0

ωt

Uс

а

ωt

+Uп

Uвых

С

0

ωt

Uсм +U

с

U

вых

б

Рис. 2.6

Рабочая точка в ОУ с однополярным питанием смещается так, как показано на рис. 2.7, а.

Поскольку сопротивление ОУ между входными зажимами очень велико, то с высокой степенью точности можно считать, что напряжение на неинвертирующем входе ОУ равно

UA = [Uп /(R1+R2)] R1.

Экономичный усилитель мощности звуковых частот на LM358

Схема простого УНЧ с низким потреблением тока для приёмников, плееров и прочих
устройств с питанием от батареек или аккумулятора. Режим класса С в действии.

Современная элементная база позволяет создавать электронные устройства с очень низким потреблением тока, будь то: миниатюрный приёмник, плеер или какое-либо иное устройство, подразумевающее питание от гальванических или химических источников тока.
За счёт мобильности и отсутствия наводок, подобные источники зачастую имеют ряд преимуществ перед сетевыми, однако постоянная необходимость замены батареек и зарядки аккумуляторов создаёт ряд неприятных проблем для человека, не обременённого хорошей памятью, рассеянного и раздражительного.
Зачастую главным поедателем электрической энергии в устройстве выступает усилитель мощности звуковых частот (УМЗЧ), он же — усилитель низких частот (УНЧ).
И если выходная мощность усилителя — это параметр небесполезный, т. е. параметр, описывающий качественные параметры УНЧ, то ток покоя в режиме молчания — абсолютно паразитная величина, снижающая КПД как усилителя, так и всего устройства в целом.
Избавиться от этой паразитной величины довольно просто — достаточно ввести выходной каскад в режим класса C. Данный режим имеет очень высокий КПД (около 90%), но зачастую сопровождается большими искажениями усиливаемого сигнала, т. к. рабочая точка транзисторов находится за точкой отсечки полупроводника, а конкретно — на 0,6…0,7В ниже начала области относительной линейности.
Однако если перед таким выходным каскадом поставить современный операционный усилитель с Ku ~ 100000 и охватить всё это хозяйство 100% обратной связью, то эта зона нелинейности снизится всё в те же 100000 раз и составит жалкие единицы микровольт.

Итак, поскольку мне (да думаю и многим другим) в радиолюбительской практике часто нужен достаточно качественный, но очень небольшой и экономичный звуковой усилитель, работающий от батарейки системы «Крона», было решено остановиться на следующем схемотехническом решении:

Рис.1 Схема экономичного усилителя мощности звуковых частот

Усилитель выполнен на распространённом операционном усилителе LM358, который в одном корпусе содержит два независимых маломощных операционных усилителя с высоким коэффициентом усиления и частотной компенсацией. Отличается низким потреблением тока (~0,7мА) и возможностью работать в схемах с однополярным питанием от 3 до 32 вольт.

Собственно говоря, именно эти 0,7 мА УНЧ и потребляет от батарейки в режиме молчания. А если сравнивать его с популярной микросхемой усилителя мощности LM386 с током покоя 4…5 мА, то разница в 4мА для маломощной батарейки это, поверьте, приличная величина, которая позволяет значительно продлить срок её службы.

На первой половинке LM358 (ОР.1.1) выполнен обычный неинвертирующий каскад усиления, входное сопротивление которого составляет ~ 100 кОм, а коэффициент усиления регулируется переменным резистором R3 в диапазоне от 2 до 200.

Выходные транзисторы, работающие в режиме класса C, охвачены со второй половиной LM358 100% ООС и образуют обычный повторитель напряжения. Для получения максимальной выходной мощности важно, чтобы их коэффициент передачи тока был не менее 2000/Rн.

Следует отметить, что LM358 относится к редкому типу микросхем с несимметричным ограничением выходного сигнала при напряжении на выходе, равном половине Еп. Поэтому для получения максимальной неискажённой выходной мощности в схему введён подстроечный резистор R4. Регулировкой этого подстроечника необходимо добиться одновременного начала ограничения обеих полуволн. Лучше всего это сделать при помощи генератора и осциллографа, а при их отсутствии — посредством собственного слухового аппарата при максимально громком воспроизведении какого либо музыкального, либо иного материала.

Так как усилитель используется мной в основном для экспериментальных целей и подразумевает работу совместно с наушниками, то я без зазрения совести впаял в выходном каскаде маломощные транзисторы из имеющихся в наличии — КТ3102 и КТ3107. Усилитель, подключённый к звуковому разъёму телефона, продемонстрировал отличное качество воспроизведения музыки при любых уровнях громкости, по крайней мере — лучшее, чем сам телефон с подключёнными к нему напрямую наушниками.

При использовании транзисторов, указанных на схеме, выходная мощность усилителя при работе на 4…8 — омную нагрузку составит 500…600 мВт.

 

Операционный усилитель, принцип работы для чайников!

Приветствую вас дорогие друзья! Вот наконец добрался я  до своего компьютера,  приготовил себе чайку с печеньками  и понеслась…

Для тех кто впервые на моем блоге и не совсем понимает что здесь происходит спешу напомнить, меня зовут Владимир Васильев и на этих страницах я делюсь со своими читателями сакральными знаниями из области электроники и не только электроники. Так что может быть и вы здесь найдете  для себя что-то полезное, по крайней мере я на это надеюсь.  Обязательно подпишитесь, тогда вы ничего не пропустите.

А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель.  Эти усилители   применяются повсеместно, везде где требуется усилить сигнал по мощности найдется работенка для операционника.

Особенно распространено применение  операционных усилителей в аудиотехнике. Каждый аудиофилл стремится усилить звучание своих музыкальных колонок и поэтому старается прикрутить усилитель по мощнее. Вот здесь мы и сталкиваемся с операционными усилителями,  ведь многие аудиосистемы просто нашпигованы ими.  Благодаря  свойству операционного усилителя усиливать сигнал по мощности мы ощущаем более мощное давление на свои барабанные перепонки когда слушаем композиции на своих аудио колонках. Вот так вот в быту мы оцениваем  качество работы операционного усилителя  на слух.

В  этой статье на слух мы оценивать ничего не будем но постараемся рассмотреть все детально и  разложим все по полочкам чтобы стало понятно даже самому самоварному чайнику .

---

[contents]

---

Что такое операционный усилитель ?

Операционные усилители представляют собой микросхемы которые могут выглядеть по-разному.

Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Слева операционный усилитель К544УД2АР в  пластмассовом DIP корпусе а справа изображен операционник в металлическом  корпусе.

По началу, до знакомства с операционниками,     микросхемы в таких металлических корпусах я постоянно путал с транзисторами.  Думал что это такие хитромудрые  многоэмиттерные транзисторы 🙂

Условное графическое обозначение (УГО)

Условное обозначение операционного усилителя выглядит следующим образом.

Итак  операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают.

Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:

 

1. Выход операционника стремится к тому, чтобы разность напряжений на его входах была равна нулю
2. Входы операционного усилителя ток не потребляют

Вход 1  обозначается знаком «+»  и называется неинвертирующим а вход 2 обозначается как «-» и является инвертирующим.

Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом.

Это говорит о том, что  входы операционного усилителя ток почти не потребляют (буквально какие-то наноамперы). Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его.

Коэффициент усиления операционного усилителя имеет просто огромное значение,  может достигать миллиона, а это очень большое значение!  Значит это то, что если мы ко входу приложим небольшое напряжение, хотябы 1 мВ, то на выходе  получим сразу максимум,  напряжение почти равное напряжению источника питания ОУ. Из-за этого свойства операционники практически никогда не используют без обратной связи (ОС). Действительно какой смысл во входном сигнале если на выходе мы всегда получим максимальное напряжение, но об этом поговорим чуть позже.

Входы ОУ работают так, что если величина на неинвертирующем входе окажется больше чем на инвертирующем, то на выходе будет  максимальное положительное значение +15В. Если на инвертирующем входе величина напряжения  окажется более положительной то  на выходе будем наблюдать максимум отрицательной величины, где-то -15В.

Действительно операционный усилитель может выдавать значения напряжений как положительной так и отрицательной полярности. У новичка может возникнуть вопрос о том как же такое возможно? Но такое действительно возможно и это связано с применением источника питания с расщепленным  напряжением, так называемым двуполярным питанием. Давайте рассмотрим питание операционника чуток подробнее.

Правильное питание ОУ

Наверное не будет секретом, что для того, чтобы операционник работал, его нужно запитать, т.е. подключить его к источнику питания. Но есть интересный момент, как мы убедились чуток ранее операционный усилитель может выдавать на выход напряжения как положительной так и отрицательной полярности. Как такое может быть?

А такое быть может! Это связано с применением двуполярного источника питания, конечно возможно использование и однополярного источника но в этом случае возможности операционного усилителя будут ограничены.

Вообще в работе с источниками питания многое зависит от того что мы взяли за точку отсчета т.е. за 0 (ноль). Давайте с этим разберемся.

Пример на батарейках

 Обычно примеры проще всего приводить на пальцах но  в электронике думаю подойдут и пальчиковые батарейки 🙂

Допустим у нас есть обычная пальчиковая батарейка (батарейка типа АА). У нее есть два полюса плюсовой и минусовой. Когда минусовой полюс мы принимаем за ноль, считаем нулевой точкой отсчета то соответственно плюсовой полюс батарейки будет у нас показывать + 5В (значение с плюсом).

Это мы можем увидеть с помощью мультиметра (кстати статья про мультиметры в помощь), достаточно подключить   минусовой черный щуп к минусу батарейки а красный щуп к плюсу и вуаля. Здесь все просто и логично.

Теперь немножко усложним задачу и возьмем точно такую же вторую батарейку. Подключим батарейки последовательно и  рассмотрим как меняются показания измерительных приборов (мультиметров или вольтметров) в зависимости от различных точек приложения щупов.

Если мы за ноль приняли минусовой полюс крайней батарейки  а измеряющий щуп подключим к плюсу батарейки то  мультиметр нам покажет значение в +10 В.

Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет -10 В.

Но если за точку отсчета будет принята точка между двумя батарейками то в результате мы сможем плучить простой источник двуполярного питания. И вы можете в этом убедиться, мультиметр нам подтвердит что так оно и есть. У нас в наличии   будет напряжение как положительной полярности +5В так и  напряжение отрицательной полярности -5В.

Схемы источников двуполярного питания

Примеры на батарейках я привел для примера, чтобы было более понятно. Теперь давайте рассмотрим несколько примеров  простых схем источников расщепленного питания которые можно применять в своих радиолюбительских конструкциях.

Схема с трансформатором,  с отводом от «средней» точки

И первая схема источника питания для ОУ перед вами. Она достаточно простая но я немножко поясню принцип ее работы.

Схема питается от привычной нам домашней  сети  поэтому нет ничего удивительного что на первичную обмотку трансформатора приходит переменный ток в 220В. Затем трансформатор преобразует переменный ток 220В в такой же переменный но уже в 30В. Вот такую  вот нам захотелось произвести трансформацию.

Да на вторичной обмотке будет переменное напряжение в 30В но обратите внимание на отвод от средней точки вторичной обмотки. На вторичной обмотке сделано ответвление, причем количество витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления.

Благодаря этому ответвлению мы можем получить на выходе вторичной обмотки переменное напряжение как в 30 В так и переменку в 15В. Это знание мы берем на вооружение.

Далее нам нужно переменку выпрямить и превратить в постоянку поэтому диодный мост нам в помощь. Диодный мост с этой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянку в 30В. Это напряжение будет нам показывать мультиметр если  мы подключим шупы к выходу диодного моста, но нам нужно помнить про ответвление на вторичной обмотке.

Это ответвление мы ведем далее и подключаем между электролитическими конденсаторами и затем между следующией парой высокочастотных кондерчиков. Чего мы этим добились?

Мы добились нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. В результате на выходе мы имеем достаточно стабильное  напряжение как +15В так и -15В. Эту схему конечно можно еще более улучшить если добавить стабилитроны или интегральные стабилизаторы но тем не менее приведенная схема уже вполне может справиться с задачей питания операционных усилителей.

Схема с двумя диодными мостами

Эта схема на мой взгляд проще, проще в том ключе, что нет необходимости искать трансформатор с ответвлением от середины или формировать вторичную обмотку самостоятельно. Но здесь придется раскошелиться на второй диодный мост.

Диодные мосты включены так, что положительный потенциал формируется с катодов диодиков первого моста, а отрицательный потенциал выходит с анодов диодов второго моста.  Здесь нулевая точка отсчета выводится между  двумя мостами. Упомяну также, что здесь используются разделительные конденсаторы, они оберегают один диодный мост от воздействий со стороны второго.

Эта схема также легко подвергается различным улучшениям, но самое главное она решает основную задачу — с помощью нее можно запитать операционный усилитель.

Обратная связь ОУ

Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью (ОС). Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна? Попробуем с этим разобраться.

С обратной связью мы сталкиваемся постоянно: когда хотим налить в кружку чая или даже сходить в туалет по малой нужде 🙂 Когда человек управляет автомобилем или велосипедом то здесь также работает обратная связь. Ведь для того, чтобы ехать легко и непринужденно  мы вынуждены постоянно контролировать управление в зависимости от различных факторов: ситуации на дороге, технического состояния средства передвижения и так далее.

Если на дороге стало скользко ? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно.

В операционном усилителе все происходит подобным образом.

Без обратной связи при подаче на вход определенного сигнала на выходе мы всегда получим одно и тоже значение напряжения. Оно будет близко напряжению питания (так как коэффициент усиления очень большой). Мы не контролируем выходной сигнал. Но если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст?

Мы сможем контролировать выходное напряжение. Это управление будет на столько эффективным, что можно просто забыть про коэффициент усиления, операционник  станет послушным и предсказуемым потому что его поведение будет зависеть лишь от обратной связи. Далее я расскажу как можно эффективно управлять выходным сигналом  и как его контролировать, но для этого нам нужно знать некоторые детали.

Положительная обратная связь,  отрицательная обратная связь

Да, в  операционных усилителях применяют обратную связь и очень широко. Но обратная связь   может быть как положительной так и отрицательной. Надо бы разобраться в чем суть.

Положительная обратная связь это когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход причем она (часть выходного) суммируется с входным.

Положительная обратная связь в операционниках применяется не так широко как отрицательная. Более того положительная обратная связь чаще бывает нежелательным побочным явлением некоторых схем и положительной связи стараются избегать.  Она является нежелательной потому, что эта связь может усиливать искажения в схеме и в итоге привести к нестабильности.

С другой стороны положительная обратная связь не уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя что бывает полезно. А нестабильность также находит свое применение в компараторах, которые  используют в АЦП (Аналого-цифровых преобразователях).

Отрицательная обратная связь это такая связь когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход но при этом она вычитается из входного

А вот отрицательная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Несмотря на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость.  В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью.

При использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень полезное свойство. Операционник контролирует состояния своих входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает свое выходное напряжение так, чтобы результирующий входной потенциал (разность Вх.1 и Вх.2) был нулевым.

Подавляющая часть схем на операционниках строится с применением отрицательной обратной связи! Так что для того чтобы разобраться как работает отрицательная связь нам нужно рассмотреть схемы включения ОУ.

Схемы включения операционных усилителей

Схемы включения операционных усилителей могут быть весьма разнообразны поэтому мне врятля удастся  рассказать о каждой но  я постараюсь рассмотреть основные.

Компаратор на ОУ

Формулы для  компараторной схемы будут следующие:

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логической единице.

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логическому нулю.

Схема компаратора обладает высоким входным сопротивлением (импедансом) и низким выходным.

Рассмотрим для начала вот такую схему включения  операционника  в режиме компаратора.  Эта схема включения лишена обратной связи.  Такие схемы применяются в цифровой схемотехнике когда нужно оценить сигналы на входе, выяснить какой больше  и выдать результат в цифровой форме. В итоге на выходе будет логическая 1 или логический ноль (к примеру 5В это 1 а 0В это ноль).

Допустим  напряжение стабилизации стабилитрона  5В,  на вход один мы приложили 3В а к входу 2 мы приложили 1В. Далее в компараторе происходит следующее, напряжение на прямом входе 1  используется как есть (просто потому что это неинвертирующий вход) а напряжение на инверсном входе 2 инвертируется. В результате где было 3В так и остается 3В а где был 1В будет -1В.

В результате 3В-1В =2В, но благодаря коэффициенту усиления операционника на выход пойдет напряжение равное напряжению источника питания, т.е. порядка 15В. Но стабилитрон отработает и на выход пойдет 5В что соответствует логической единице.

Теперь представили, что на вход 2 мы кинули 3В а на вход 1 приложили 1В. Операционник все это прожует, прямой вход оставит без изменений, а инверсный (инвертирующий)  изменит на противоположный  из 3В сделает -3В.

В результате 1В-3В=-2В, но согласно логике работы на выход пойдет минус источника питания т.е. -15В. Но у нас стоит стабилитрон и он это не пропустит и на выходе у нас будет величина близкая нулю. Это и будет логический ноль для цифровой схемы.

Триггер Шмитта на ОУ

Чуть ранее мы рассматривали такую схему включения ОУ как компаратор. В компараторе сравниваются два напряжения на входе и выдается результат на выходе. Но чтобы сравнивать входное напряжение с нулем нужно воспользоваться схемой представленной чуть выше.

Здесь сигнал подается на инвертирующий вход а прямой вход посажен на землю, на ноль.

Если на входе у нас напряжение больше нуля то на выходе будем иметь  -15В. Если напряжение меньше нуля то на выходе будет+15В.

Но что случится если мы захотим подать напряжение равное нулю? Такое напряжение никогда не получится сделать, ведь идеального нуля не бывает и сигнал на входе хоть на доли микровольт но обязательно будет меняться в ту или другую сторону.  В результате на выходе будут полный хаос, выходное напряжение будет многократно скакать  максимума до минимума что на практике совершенно не удобно.

Для избавления от подобного хаоса вводит гистерезист — это некий зазор в пределах которого сигнал на выходе не будет меняться.

Этот зазор позволяет реализовать данная схема посредством положительной обратной связи.

Представим, что на вход мы подали 5В , на выходе в первое мгновение получится сигнал напряжением в -15В. Далее начинает отрабатывать положительная обратная связь.  Обратная связь образует делитель напряжения в результате чего на прямом входе операционника появится напряжение -1,36В.

На инверсном входе у нас сигнал более положительный поэтому  операционный усилитель отработает следующим образом.  Внутри него сигнал в 5В инвертируется и становится -5В, далее два сигнала складываются и получается отрицательное значение. Отрицательное значение благодаря коэффициенту усиления станет -15В. Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В.

Пусть сигнал на входе изменился и стал -2В. В нутрях это -2В инвертируется и станет +2В, а -1,36В как был так и останется. Далее все это складывается и получается положительное значение которое на выходе превратится в +15В.  На прямом входе значение -1,36В благодаря обратной связи превратится в +1,36В. Теперь чтобы изменить значение на выходе на противоположное нужно подать сигнал более 1,36В.

Таким образом у нас появилась зона с нулевой чувствительностью с диапазоном от -1,36В до +1,36В. Такая зона нечувствительности носит название гистерезис.

Повторитель

Наиболее простой обладатель отрицательной обратной связи это повторитель.

Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход. Казалось бы для чего  это нужно ведь от этого ничего не меняется. Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. В схемах повторители выступают в роли буфера, который оберегает от перегрузок хилые выходы.

Чтобы понять как он работает отмотаете чуток назад, там где мы обсуждали отрицательную обратную связь. Там я упоминал, что в случае с отрицательной обратной связью операционник всеми возможными способами стремится к равному потенциалу по своим входам.  Для этого он подстраивает напряжение на своем выходе так, чтобы разность потенциалов на его входах равнялась нулю.

Так допустим на входе у нас 1В. Чтобы потенциалы на входах были раны на инвертирующем входе должен быть также 1В. На то  он и повторитель.

Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя очень похожа на схему повторителя, только здесь обратная связь представлена делителем напряжения и посажена на землю.

Посмотрим как все это работает. Допустим на вход подано 5В, резистор R1 = 10Ом, резистор R2 = 10Ом. Чтобы напряжение на входах были равны, операционник вынужден поднять напряжение на выходе так, чтобы потенциал на инверсном входе сравнялся с прямым. В данном случае делитель напряжения делит пополам, получается, что напряжение на выходе должно быть  в два раза больше напряжения на входе.

Вообще чтобы применять эту схему включения даже не нужно  ничего ворошить в голове, достаточно воспользоваться формулой, где достаточно узнать коэффициент К.

Инвертирующий усилитель

И сейчас мы рассмотрим работу такой схемы включения как инвертирующий усилитель.  Для инвертирующего усилителя  есть такие формулы:

Инвертирующий усилитель позволяет усиливать сигнал одновременно инвертируя (меняя знак ) его . Причем коэффициент усиления мы можем задать любой. Этот коэффициент усиления мы формируем посредством отрицательной обратной связи, которая представляет собой делитель напряжения.

Теперь попробуем его в работе, допустим на входе у нас сигнал в 1В, резистор R2 = 100Ом, резистор R1 = 10Ом. Сигнал со входа идет через R1, затем R2  и на выход.  Допустим сигнал на выходе невероятным образом стал 0В. Рассчитаем делитель напряжения.

1В/110=Х/100, отсюда Х = 0,91В

Получается что в точке А потенциал равен 0,91В,  но это противоречит правилу операционного усилителя. Ведь операционник стремится уравнять потенциалы на своих входах. Поэтому потенциал в точке А будет равен нулю и равен потенциалу в точке B.

Как сделать так чтобы на входе был 1В а в точке А  был 0В?

Для этого нужно уменьшать напряжение на выходе.  И в результате мы получаем

 

К сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным недостатком — низким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.

Сумматор инвертирующий

 

А эта схема включения позволяет складывать множество входных напряжений. Причем напряжения могут быть как положительными так и отрицательными. По истине на операционниках можно строить аналоговые компьютеры. Так чтож давайте разбираться.

Основой сумматора служит все тот же инвертирующий усилитель только с одним отличием, вместо одного входа он может иметь этих входов сколько угодно. Вспомним формулку и инвертирующего усилка.Потенциал точки Х будет равен нулю поэтому сумма токов входящих с каждого входа будет выглядеть вот так:Если нашей целью является чистое сложение входных напряжений то все резисторы в этой схеме выбираются одного номинала.  Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1. Тогда формула для инвертирующего усилителя принимает вид: 

Ну чтож, я думаю что с работой сумматора и других схем включения на операционниках разобраться не трудно. Достаточно немножко попрактиковаться и попробовать собрать эти схемы и посмотреть что происходит с входными и выходными сигналами.

А я на этом пожалуй остановлюсь ведь в работе с операционными усилителями применяются очень много различных схем включения, это различные преобразователи ток-напряжение,  сумматоры, интеграторы и логарифмирующие усилители и все их рассматривать можно очень долго.

Если вас заинтересовали другие схемы включения и хотите с ними разобраться то советую полистать книжку П.Хоровица и У.Хилла,  все обязательно встанет на свои места.

А на этом я буду завершать, тем более статья получилась достаточно объемной и  после написания ее нужно чутка подшлифовать и навести марафет.

Друзья, не забывайте подписываться на обновления блога, ведь чем больше читателей подписано на обновления тем больше я понимаю что  делаю что-то важное и полезное и это чертовски мотивирует на новые статьи и материалы.

Кстати друзья, у меня возникла одна классная идея и мне очень важно слышать ваше мнение. Я подумываю выпустить обучающий материал   по операционным усилителям, этот материал будет в виде обычной pdf книжки или видеокурса, еще не решил. Мне кажется что несмотря на большое обилие информации в интернете и в литературе все=таки не хватает наглядной практической информации, такой, которую сможет понять каждый.

Так вот, напишите пожалуйста в комментариях какую информацию вы хотели бы видеть в этом обучающем материале чтобы я мог выдавать не просто полезную информацию а информацию которая действительно востребована.

А на этом у меня все, поэтому я желаю вам удачи, успехов и прекрасного настроения, даже не смотря на то что за окном зима!

С н/п Владимир Васильев.

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

Введение в усилители мощности

Усилители мощности

Схемы усилителя составляют основу большинства электронных систем, многие из которых должны вырабатывать большую мощность для управления каким-либо выходным устройством. Выходная мощность аудиоусилителя может быть от менее 1 Вт до нескольких сотен Вт. Усилители радиочастоты, используемые в передатчиках, могут потребовать выходной мощности в тысячи киловатт, а усилителям постоянного тока, используемым в электронных системах управления, также может потребоваться выходная мощность высокой мощности для привода двигателей или исполнительных механизмов многих различных типов.В этом модуле описаны некоторые часто встречающиеся классы выходных цепей мощности и методы, используемые для повышения производительности.

Усилители напряжения, описанные в модулях усилителей 1, 2, 3 и 4, могут многократно увеличивать амплитуду сигнала, но сами по себе не могут управлять выходным устройством, таким как громкоговоритель или двигатель.

Например, усилитель напряжения может иметь коэффициент усиления 100 и быть в состоянии усилить сигнал 150 мВ до амплитуды 15 В, и вполне возможно, что усилитель может подавать этот сигнал 15 В на нагрузку, скажем, 10 кОм, но если нагрузка При изменении значения на 10 Ом усилитель напряжения не сможет обеспечить дополнительный ток, необходимый для поддержания выходного напряжения 15 В на 10 Ом.

Аналогично, усилитель тока может иметь коэффициент усиления 100 и быть в состоянии усилить сигнал 10 мкА до 1 мА при очень низком выходном напряжении, но не сможет подавать сигнал 1 мА, скажем, при 10 В.

В любом случае усилитель напряжения или тока не имеет достаточной МОЩНОСТИ (вольт V x ток I). В усилителях напряжения и тока могут использоваться небольшие транзисторы, и они не потребляют большое количество энергии от источника питания, чтобы часто усиливать сигналы в очень больших количествах. Однако маленькие транзисторы, которые они используют, имеют очень крошечные области перехода и поэтому не могут обрабатывать мощность, необходимую для управления некоторыми устройствами вывода, без перегрева.

ВЧ усилители

— Electronics & Innovation, Ltd.

• Класс A, AB, D Линейность
• Мгновенная полоса пропускания
• Надежные радиочастотные решения
• Надежность твердого тела
• Безусловная ВЧ-стабильность
• Полное обслуживание и поддержка
• Соответствует маркировке CE и RoHS

Электроника и инновации Таблица продуктов усилителей ВЧ

Пожалуйста, обратитесь к нашей интерактивной таблице продуктов ниже, чтобы получить список всей нашей линейки ВЧ-усилителей мощности.Чтобы просмотреть подробные характеристики любого усилителя, просто нажмите на номер модели

.

Electronics & Innovation, Ltd. — мировой лидер в производстве прочных и надежных ВЧ-источников питания. Наши усилители работают на частотах от 10 кГц до 500 МГц с уровнями мощности от 1 до 2000 Вт.

Если наша стандартная линия не соответствует вашим спецификациям, свяжитесь с нами, чтобы отправить специальный запрос. В отрасли мы хорошо известны тем, что приспосабливаемся к конкретным потребностям наших клиентов.

Класс A

Мы включили правила проектирования и тепловые требования из проверенной линейки усилителей ENI и с тех пор обновили конструкции; включая современные технологии и современные устройства LDMoS. Эти конструкции позволяют нашим усилителям работать на высоких уровнях мощности при любых нагрузках без риска отказа; при этом обеспечивая точное и достоверное воспроизведение входного сигнала.

Прочность

Линия широкополосных ВЧ усилителей мощности

E&I рассчитана на работу в любых условиях КСВН.Внутренний импульсный источник питания имеет очень консервативные характеристики для облегчения работы в широком диапазоне условий и температур линии. Принудительное воздушное охлаждение обеспечивает низкие внутренние температуры; обеспечение долгосрочной надежности. ВЧ-мощность обеспечивается прочными полевыми транзисторами Dmos, номинальные характеристики которых снижены, чтобы обеспечить отличные показатели наработки на отказ.

Надежность

Большинство отказов электронного оборудования происходит из-за термомеханических нагрузок. Конструкции E&I смягчают этот механизм отказа, гарантируя, что установка и размещение компонентов допускают термоциклирование без нагрузки на провода или соединения.Наши правила теплового расчета требуют, чтобы все компоненты работали с максимальной нагрузкой на 60% от их номинальной стоимости. Мос-полевые транзисторы, используемые в РЧ-цепи, работают при пробое напряжения ниже 40% от номинального.

Гибкость

Усилители E&I точно воспроизводят все формы сигналов в пределах своих диапазонов мощности и частот: AM. FM, SSB, импульсные и другие сложные схемы модуляции. Они совместимы с большинством генераторов сигналов, синтезаторов частот, генераторов развертки и других лабораторных источников сигналов.Работа в диапазоне достигается без необходимости переключения диапазонов или каких-либо регулировок.

Усилители

: полупроводниковые усилители

Твердотельные усилители

имеют превосходные технические характеристики по сравнению с ламповыми усилителями. Но когда были впервые представлены твердотельные усилители, было замечено, что они звучат плоско и безжизненно по сравнению с хорошо сделанными ламповыми усилителями. Кроме того, твердотельный усилитель должен быть в два раза мощнее лампового, чтобы звучать громче. Почему? К сожалению, исследований практически не проводилось.

Усилители и динамики традиционно продаются независимо друг от друга. Было мало интереса к тому, как взаимодействуют усилители и динамики. Клапанная технология была собрана утомительно с ручным трудом, тогда как твердотельная технология производится массово за небольшую часть стоимости. Экономический рационализм и современный маркетинг легко вытеснили старую клапанную технологию. На странице 8 есть подробное объяснение управления напряжением и током, которое позволяет нам понять, почему клапанные и твердотельные усилители звучат так по-разному.

Основные технические принципы

Многие профессиональные поставщики аудио и аудиофилы неправильно понимают, как работает твердотельный (транзисторный) усилитель. Заблуждения возникают из-за непонимания основных принципов. Пожалуйста, будьте внимательны при чтении этих страниц, так как каждый шаг дополняет следующий и очень быстро становится сложным. Если какой-либо шаг становится трудным для понимания, найдите время, чтобы просмотреть предыдущие шаги.

Твердотельный усилитель состоит из 3-х секций.
1 Схема драйвера входа усиливает малый входной сигнал до большего размера, примерно от x20 до x50.
2 Большие выходные транзисторы добавляют ток к усиленному сигналу, который направляется в динамик.
3 Блок питания преобразует сеть 110 В / 22 В переменного тока в 2 напряжения постоянного тока, которые питают усилитель.

Принципы работы каждого раздела будут описаны, начиная с выходного каскада. Выходной каскад состоит из 2 или более крупных выходных транзисторов, прикрепленных болтами к радиатору (NPN и PNP).

Твердотельный усилитель имеет 2 источника питания (постоянного тока) (+ V и -V). 2 блока питания подключены последовательно. Середина подключена к шасси. Один терминал динамика подключен к среднему шасси, а другой терминал динамика переключается между двумя источниками питания. Начнем с батарей в качестве источника питания.

Когда динамик подключается к шасси через источник + V, конус выдвигается.
Когда динамик подключается к шасси через источник питания -V, внутрь входит диффузор.

Динамик подключается к одному источнику питания одновременно. Следовательно, максимальное напряжение на динамике не может превышать 1 В 5 в любой момент времени.

Примечание — В электронных схемах мы стараемся не использовать десятичные точки (1,5 В), потому что грамматические точки и тараканьий помет …. имеют одинаковый размер …. 1,5 В записывается как 1V5

Полярность динамика На одном из выводов динамика есть маркировка полярности +. Символ + указывает, какая клемма должна быть подключена к + напряжению, чтобы конус выдвинулся.В стереосистемах или параллельных динамиках важно, чтобы все динамики двигались вместе (внутрь и наружу) в одном направлении. Когда только 1 динамик используется в качестве моно, не имеет значения, в каком направлении подключены терминалы динамиков.

Мы должны перерисовать ту же схему и запомнить правильные символы и названия для каждой части схемы. В чертежах цепей цвет не используется. Цвет на фотографиях предназначен только для временного персонала.

• Двойной блок питания
• Батарея длинная линия + короткая линия —
• Шины питания + V и -V от двойного источника питания.
• Шасси и обозначение заземления. 0 В
• График, ось Y — напряжение двойного источника питания, ось X — время.
• График показывает + — напряжение, переключенное на динамик с течением времени.

Динамик не включается и выключается напрямую между двумя источниками питания, а постепенно подключается к каждому источнику питания по очереди через твердотельные устройства, которые действуют как переменные резисторы, в соответствии с аудиосигналом. Эти твердотельные устройства работают как передаточные резисторы, поэтому называются транзисторами.

Выходные транзисторы переключают динамик между питанием + V, затем питанием -V, в соответствии с музыкой. Выходные транзисторы обеспечивают ток от шин питания + — V для управления динамиком. Выходные транзисторы не увеличивают размер музыкального сигнала. Выходные транзисторы действуют как переменные резисторы, проводящие ток от каждого источника питания по очереди, и становятся горячими, очень горячими. Они прикручены к большому куску алюминия с ребрами (радиатором). Тепло — враг транзисторов.Максимальная выходная мощность усилителя зависит от силы тока и напряжения источников питания.

Транзисторы

NPN и PNP дополняют друг друга по полярности. PNP бывает положительно-отрицательно-положительным и наоборот. Входной сигнал должен достичь 0,65 В (650 мВ), прежде чем каждый транзистор начнет проводить. Это означает, что общий зазор составляет 1V3. Этот зазор называется «кроссоверным искажением» и был главной проблемой твердотельных усилителей, когда они были впервые представлены.Прошло много лет, прежде чем эта проблема была решена правильно.

Транзисторы и диоды

Электромагнитная энергия — это загадка. В этом тексте описания и рисунки электрического тока, текущего в одном направлении, не используются. Электричество действует со скоростью света, а время и направление не существуют. Красная стрелка используется в цепи, чтобы показать, что электрический ток работает независимо от полярности.

Катод K диода и эмиттер транзистора обозначены стрелкой.Острие стрелки указывает (вперед) на -V батареи или источника напряжения в цепи для работы диода или транзистора.

Цепь представляет собой круг, поэтому не имеет значения, в каком месте круга находится каждый элемент. Легче читать схему, если все рисуют ее одинаково и размещают источник питания вертикально справа, с + V вверху и -V внизу. Переключатель, диод, транзистор или схема управления слева.

В левой части рисунка выше показаны аккумулятор, лампочка и выключатель.Когда переключатель разомкнут, сопротивление на переключателе бесконечно ∞ R. Когда переключатель замкнут, сопротивление на переключателе равно нулю 0R.
∞ Сопротивление можно описать как обрыв цепи. (Бесконечное сопротивление)
0 Сопротивление можно охарактеризовать как короткое замыкание.
Диод действует как разомкнутый контур, если стрелка указывает на + V в круге (обратный).
Диод действует как короткое замыкание, если стрелка указывает на -V в круге (вперед).

В прямом направлении диод требует 0,65 В (650 мВ) arccos для активации. Менее 0,65 В (650 мВ) диод будет обрывом. Активированный диод останется заблокированным при 0,65 В на нем, независимо от величины тока, проводимого диодом. Поэтому при увеличении тока диод будет немного нагреваться.

Диод заменен транзистором NPN слева и транзистором PNP справа. Транзисторы NPN и PNP дополняют друг друга по полярности, что позволяет использовать их от источника питания + V или -V.Транзистор можно заставить вести себя как резистор, который изменяет свое значение между разомкнутой цепью (сопротивление ∞ ) почти до короткого замыкания (0 R), тем самым управляя яркостью лампочки.

Прикосновение пальца к базе вызывает очень небольшое количество тока между базой и эмиттером, что затем позволяет большему количеству тока течь между коллектором и эмиттером, позволяя регулировать яркость лампочки. Обратите внимание, что красные стрелки символизируют активное функционирование транзисторов.В то время как стрелка эмиттера транзистора указывает на -V в цепи, чтобы обозначить правильную полярность для ее работы. Небольшое количество тока между базой и эмиттером обеспечивает большее количество тока между коллектором и эмиттером.

HFE (Hybrid Forward Emitter) — это технический термин для описания коэффициента усиления транзистора по току. HFE (усиление) транзистора увеличивается с ростом температуры, но уменьшается с увеличением тока, что затрудняет управление. Транзисторы с малым сигналом могут иметь HFE (усиление) от 100 до 200, тогда как транзисторы с большой мощностью будут иметь низкий HFE примерно от 20 до 100.

Смещение 0,65 В (650 мВ) Транзисторный переход между базой и эмиттером действует как диод. Ничего не произойдет, пока между базой и эмиттером не будет достигнуто 0,65 В (650 мВ), только тогда активируется транзистор. Когда достигается смещение 0,65 В, транзистор активируется, и Base_Emitter всегда будет заблокирован вместе на 0,65 В (650 мВ). Следовательно, эмиттер транзистора в усилителе всегда будет следовать за входным сигналом на базе (за вычетом смещения 0,65 В) с добавленным током от коллектора.Просмотрите предыдущие шаги.

В этом тексте обобщены напряжения смещения диодов, транзисторов и усилителей. Подробный технический справочник по электронным компонентам и конструкции усилителя включен sound.whsites.net
wikipedia.org / Транзистор
wikipedia.org / Биполярный транзистор

Выходной каскад, класс B, класс AB

Кроссовер Каждый транзистор управляет каждой половиной синусоидальной волны. Это называется классом B.Зазор кроссовера составляет 650 мВ и 650 мВ на каждом Base_Emitter. Устранение зазора кроссовера между каждой половиной аудиосигнала является наиболее важной частью конструкции твердотельного усилителя. Искажение, создаваемое зазором кроссовера, порождает раздражающий звук 1/3 гармоники, накладываемый на музыку, похожий на звук рвущейся бумаги. Уменьшенный зазор 1/000 В (1 мВ) все еще слышен. Промежуток должен быть закрыт, плюс ток через каждый транзистор должен немного перекрывать другой, чтобы гарантировать отсутствие перекрестного зазора.

Цепочка смещения с использованием 2 диодов помещается перед выходными транзисторами, поэтому 650 мВ + 650 мВ уже вызывают активацию каждого из выходных транзисторов с током покоя, протекающим между коллектором и эмиттером. Этот ток покоя смещения закрывает зазор 650 мВ каждого транзистора. В некоторых усилителях используются 2 диода в цепочке, но у большинства есть более сложная схема, позволяющая регулировать ток покоя (перекрытие).

Если зазор закрыт небольшим током покоя через выходные транзисторы для обеспечения небольшого перекрытия, перекрестные искажения устраняются.При токе покоя в выходных транзисторах выделяется тепло, примерно от 3 до 5 Вт на транзистор. Это отходящее тепло также называют температурой покоя. Усилитель высокой мощности с множеством выходных транзисторов будет выделять много тепла в состоянии покоя и должен охлаждаться вентилятором. К каждому эмиттеру последовательно подключен резистор R47 (0,47R). Эмиттерные резисторы помогают стабилизировать ток покоя.