Главная » Электроника » Операционный усилитель » Разбор схем использования ОУ с однополярным питанием

Разбор схем использования ОУ с однополярным питанием

Сложности, возникающие при конструировании схем на ОУ с одним напряжением питания, иллюстрируются следующими примерами. Начнём с рассмотрения работы идеальных ОУ. На рис. 1 изображена схема инвертирующего усилителя с однополярным питанием.

Схема дифференциального усилителя с одним напряжением

Рис. 1. Схема дифференциального усилителя с одним напряжением

Воспользовавшись принципом суперпозиции, запишем:

fo-b-01

После упрощения получим

fo-b-02

Резистор нагрузки RL если он имеет большое сопротивление, не оказывает влияния на результаты расчётов, но может внести некоторые эффекты второго порядка, например, ограничить размах выходного напряжения.

fo-b-03

Выражение (3) получено при условии равенства напряжений VREF и VIN между собой. Хотя в соответствии с выражением (3) выходное напряжение должно равняться нулю, на практике оно остаётся слегка положительным из-за падения напряжения на нижнем выходном транзисторе ОУ, равном, например, 150мВ для TLC07x.

Когда VREF = 0, VOUT = -VIN(RF/RG) и уравнение (2) имеет два решения. Первое, когда VIN является положительным, а VOUT — отрицательным. Но схема не может иметь отрицательное напряжение на выходе при положительной полярности напряжения питания. Второе решение реализуется, когда VIN является отрицательным, а VOUT — положительным. В этом случае выходное напряжение изменяется согласно выражению (5).

fo-b-04

fo-b-05

Когда VREF равно напряжению питания VCC, выходное напряжение описывается уравнением

fo-b-06

Из этого уравнения следует, что, когда VIN отрицательно, VOUT должно превышать VCC, что невозможно. Когда VIN положительно, схема работает как инвертирующий усилитель.

Схема дифференциального усилителя с одним напряжением питания и смещением, подаваемым на неинвертирующий вход ОУ.

Рис. 2. Схема дифференциального усилителя с одним напряжением питания и смещением, подаваемым на неинвертирующий вход ОУ.

Передаточные характеристики усилителя, выполненного по схеме, приведённой на рис. 2, при использовании ОУ разных типов.

Рис. 3. Передаточные характеристики усилителя, выполненного по схеме, приведённой на рис. 2, при использовании ОУ разных типов.

На рис. 2 приведена схема дифференциального усилителя с одним напряжением питания и смещением, подаваемым на неинвертирующий вход, а на рис. 3 — передаточные характеристики этого усилителя при Vcc = 5В, RF = RG = 100кОм, RL = 10кОм.

Специально для читателей посетителей сайта pro-diod.ru я сделал схемку в Multisim 12.0, где сравниваются передаточные характеристики старенького LM358 и современного ОУ компании Linear Technology LT1800 (просто в базе Multisim не было TLV2472). Результат показана на рис. 3-а, 3-b, 3-c. Схема для Multisim тайной не является и ее можно скачать по ссылке ниже.

lt1800-and-lm358
lt1800-and-lm358
lt1800-and-lm358.ms12
454.8 KiB
269 Downloads
Детали

На графиках рис. 3-а, 3-b, 3-c канал 1 (красный луч) – входной сигнал треугольной нарастающей формы, канал 2 (оранжевый луч) – выходной сигнал LM358, канал 3 (зеленый луч) – выходной сигнал LT1800, канал 4 (желтый луч) – просто нулевой уровень для наглядности.

Входной сигнал и выходные сигналы LM358 и LT1800, без смещения относительно друг друга

Рис. 3-a. Входной сигнал и выходные сигналы LM358 и LT1800, без смещения относительно друг друга

Входной и выходной сигналы LM358, со смещением выходного сигнала относительно нулевого на -3 деления

Рис. 3-b. Входной и выходной сигналы LM358, со смещением выходного сигнала относительно нулевого на -3 деления

Входной и выходной сигналы LT1800, со смещением выходного сигнала относительно нулевого на -3 деления

Рис. 3-c. Входной и выходной сигналы LT1800, со смещением выходного сигнала относительно нулевого на -3 деления

В схеме, приведённой на рис. 2, были испытаны ОУ четырёх разных типов. Три из них (LM358, TL07x и TLC272) являются устаревшими и имеют динамический диапазон выходного напряжения от 2.3 до 3.75 В. Ограничение диапазона выходных напряжений ОУ может вызывать искажения при работе с большими сигналами и ухудшает КПД системы, особенно при низковольтном батарейном питании. Четвёртый тип ОУ, сравнительно новый TLV247x, был разработан специально для работы в схемах с батарейным питанием и обеспечивает изменение выходного напряжения от потенциала земли до потенциала источника питания (выход типа rail-to-rail). Его передаточная характеристика представляет собой прямую линию в диапазоне выходных напряжений от 0 до 5 В (результаты измерений ограничиваются инструментальными погрешностями). Поражает совпадение этой характеристики с допущением об идеальном ОУ в части изменения выходного напряжения.

Что такое Rail-to-Rail
Rail-to-rail (R-t-R) означает, что операционный усилитель может работать с размахом входных и/или выходных сигналов равному напряжению питания. Rail-to-rail бывает в разных сочетаниях — по входу, по выходу или по входу и выходу одновременно.

Для старых типов ОУ передаточную характеристику следует записывать в форме уравнения

fo-b-07

На рис. 4 приведена схема неинвертирующего усилителя с одним источником питания. Уравнение (8) было составлено с использованием принципа суперпозиции, а затем упрощено для получения выражения (9).

Неинвертирующий усилитель с одним напряжением питания и смещением, подаваемым на инвертирующий вход ОУ.

Рис. 4. Неинвертирующий усилитель с одним напряжением питания и смещением, подаваемым на инвертирующий вход ОУ.

Передаточная характеристика усилителя, выполненного по схеме, приведённой на Рис. 4, при использовании ОУ типа TLV247x.

Рис. 5. Передаточная характеристика усилителя, выполненного по схеме, приведённой на Рис. 4, при использовании ОУ типа TLV247x.

fo-b-08-09

Когда VREF = 0, VOUT = VIN(RF/RG) И уравнение (9) имеет два решения. Эта схема ведет себя противоположно схеме инвертирующего усилителя, рассмотренного выше. Первое решение, когда VIN отрицательно, а VOUT должно также быть отрицательным. Но схема не может иметь отрицательное напряжение на выходе при положительной полярности напряжения питания. Второе решение реализуется, когда VIN является положительным. В этом случае выходное напряжение изменяется согласно выражению (11).

fo-b-10-11

На рис. 5 приведена передаточная характеристика этого усилителя при Vcc = 5 В,RF = RG = 100кОм, RL = 10кОм. Использовался ОУ TLV2472.

Существует множество вариантов инвертирующих и неинвертирующих усилителей. Многие разработчики ищут среди этих вариантов подходящий для решения их задач. Однако более продуктивно научиться преобразовывать требования к усилителю в систему уравнений, решение которой и позволяет решить проблему. В следующих материалах рассмотрим составление и решение таких систем.

Lt1800datasheet
Lt1800datasheet
lt1800datasheet.pdf
278.7 KiB
277 Downloads
Детали

Метки::

Ваш отзыв