Операционный усилитель

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? ;) Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас Uвых= K*Uвх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления ;) И баста.

А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.

Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

Uout=(U2-U1)*K

Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.

Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:

Компаратор
Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях про использование аналогового компаратора и про создание на его базе АЦП. Также компаратор замечательно используется для создания всяких ШИМ сигналов.

Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.

Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.

Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.

Что получим? А ничего интересного, процесс пойдет по следующей цепочке событий.

Uout = (0 — U1)*К = — К*U1
Uout’ = (-K*U1 — U1)*K1

В общем, выход мгновенно свалится в бесконечные минуса, а в реале ляжет на шину отрицательного питания и усе. Поэтому такое включение применяется крайне редко. Например в триггере Шмитта для обеспечения гистерезиса.

Триггер Шмитта
Представим себе компаратор включенный по такой вот схеме и запитанный от +/- 15 вольт:

  • Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
  • Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт

А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю. Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:

Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.

И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1.4.

Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.

Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:

В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность.
Пока я в великой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не мог вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.

Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U1, на инверсном входе Uout = U1. Ну и получается, что Uout = U1.

Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!

Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:

Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.

Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.

Теперь будет U1 на прямом. На инверсном Uout/2 = U1 или Uout = 2*U1.

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:

Uout = U1*(1+R1/R2)

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

Таким образом, можно очень легко умножать аналоговые значения на числа больше 1. А как быть с числами меньше единицы?

Инвертирующий усилитель
Тут поможет только инверсный усилитель. Разница лишь в том, что мы берем и прямой вход коротим на землю.

При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R2, R1 в Uout. При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.

Итак. Представим, что Uout=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно Uout. Делитель из R1 и R2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.

Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.

Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:

Uout = — Uin * R1/R2

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Вычитающая схема
Однако никто же не мешает подать на прямой вход не ноль, а любое другое напряжение. И тогда усилитель будет пытаться приравнять свой инверсный вход уже к нему. Получается вычитающая схема:

Допустим U2 и U1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно :)

Если U1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U1 и Uout станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U1-Uout)/(R3+R4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R4 составит R4*I4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.

Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.

Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:

Uout = U2*K2 — U1*K1

K2 = ((R3+R4) * R6 ) / (R6+R5)*R4
K1 = R3/R4

Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.

Если же вводные резисторы (R4 и R5) равны друг другу. И резистор обратной связи и резистор на землю (R3 и R6) тоже равны друг другу. То формула упрощается до

Uout = R3/R4 (U2 — U1).

Таким образом, на одном усилке можно два сигнала сначала вычесть, а потом умножить на константу. Этим, кстати, я воспользовался в схеме реобаса, чтобы привести милливольтный сигнал с датчика температуры к вменяемому виду.

Раз можно вычитать, то можно и суммировать

Сумматор инвертирующий

Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.

Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.

Uout = -1(R3*U1/R1 + R3*U2/R2)

Резисторы на входе (R1, R2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И Uout = -1(U1+U2)

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.

Uout = U1*K1 + U2*K2

K1 = R5/R1
K2 = R5/R2

Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R3/R4 = K1+K2

В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками :)

Продолжение следует, когда-нибудь :)

180 thoughts on “Операционный усилитель”

  1. > с двумя входами. Невье… гхм… большим
    А не лучше ли запятую вместо точки?
    > Поэтому такое включение не применяется. ОУ сконструирован для отрицательной обратной связи.
    Ну ПОС тоже применяют, получая триггер Шмитта. В том же реобасе используется. Так что можно было и его описать)

        1. Шмидт и Шмитт это разные люди :)
          Один летчиком был, именем другого триггер назван.
          Шмидт — это который лейтинант («Дети лейтинанта Шмидта» все помнят),
          а триггер он Шмитта.

    1. А что там много параметров? Для повседневных нужд тока частота, питающее напряжение, райл2райл или нет. КОрпус еще. Ну а для прецезионных затрахов там свои приколы и я их сам не знаю. Т.к. с аналоговой точной техникой дело имел мало да и не нужно оно особо в быту.

      1. ещё полоса пропускания для переменных сигналов.
        в своё время для космических систем в одном месте не нашлось ничего лучше, чем 744уд2 именно по этому параметру, так до сих пор и живём )

      2. Стоило бы чуть-чуть коснуться практики применения ОУ с однополярным питанием (подозреваю что начинающим будет трудновато адаптировать твои рассуждения самостоятельно).
        Ещё: привести вариант какой-нить простой схемы (например, http://easyelectronics.ru/img/starters/OPAMPS/5_noinvert.GIF), но добавить конденсатор с намёком что по переменному току сопротивление цепочки будет другое (более того, будет меняться с изменением частоты), а значит можно строить усилители с нелинейной АЧХ.
        Ну, и grammar nazi тут подсказывает что «буфер» пришеццо с одной «ф». Тебе прям по всем статьям надо пройтись поиском-заменой, а то режет очень :)

  2. Во, как справочник самое то! А то иногда приходится выводить эти формулы по ходу составления схемы, отвлекаясь от обдумывания более важных вещей. Давно хотел себе оформить это в виде листа, прилепленного на стенку :)

  3. Странно как…
    Столько картинок и ни одного канализационно-водопроводного аналога… :)

    А если серьёзно — правильно делаешь, что пишешь про аналог. Хоть миром и правит цифрровая электроника, но без аналога у неё будут большие проблемы в «общении» с этим самым миром.

    Еще я что-то не заметил (может плохо смотрел) схемы для измерения тока (падение на шунтирующем резисторе) или хотя-бы её описания.

    З.Ы. Есть у меня хорошая (на мой взгляд) книжка — «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике» (авт. Бонни Бэйкер). Довольно хорошо написана (правда местами скучно..). Посмотри на досуге — может добавишь в раздел «книги».

  4. Сразу можешь добавить 2 простых правила для операционников:
    1) Суть всех схем на операционнике — операционник всегда пытаеться сравнять сигнал на своих входах.
    2) Если сигнал на «+» больше чем на «-» — выход упирается в положительное питание, и наоборот.
    Из этих двух правил выходят все остальные.
    Ну и стандартное — безконечное входное, безконечно низкое выходное, безконечное усиление.

  5. прозреваю закат цифровой техники после 2012
    почитываю книгу про аналоговые компутеры и все больше прихожу к выводу о их тотальном введении в быт

    а еще нужны теплые аналоговые синтезаторы для музыки, алгоритмы уплотнения аналоговой информации и алгоритмы кодирования и защиты от ошибок при передаче и воспроизведении

    и во всем этом нам должны помочь оу
    ведь по сути в компутере та же математика, только жыдовская с двумя состояниями
    ну не может их логический моск мыслить плавно и без квантования на белое и черное

    и это… экраны тв и мониторов должны быть круглые
    ведь яблочко по круглому блюдцу каталось, а по квадратному оно только от стен будет отскакивать

  6. Ди, пожалуйста, перерисуй две картинки, где на ОУ «+» сверху (чтобы, как на остальных, был снизу) — голову сломал понять, как это работает, прежде чем осознал, что они отличаются от остальных. :(

  7. На контроллере можно собрать управляемый резистор, если между ног порта напихать резисторы. порт на вход — это будет одно из плеч делителя, сопротивление меняется от перекидывания 0 на этом порту. Вот и к МК вернулись.
    Реально?

        1. Микросхема, внутри нее матрица из резисторов и вентилей. Или не матрица, а линейка такая. Ну и по командам системы управления эти вентили замыкаются и собирают резистивную цепочку. Т.е. это полноценный потенциометр, только управляется цифрой. Посмотри схему любого из них все сразу поймешь.

            1. Нет, он другое имел ввиду — Подтяг ОС через контроллер и резисторы к земле, чтобы изменить величину сопротивления в обратной связи. Это не управляемый резистор, это шаманство над ОС ОУ.

  8. Уважаемый, DI HALT. Объясните мне я может чего не догоняю. В абзаце про Триггер Шмитта Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
    Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт
    На графике радом по моему на оборот.
    Напряжение U1 больше нуля — на выходе +15 вольт
    Напряжение U1 меньше нуля — на выходе -15 вольт

      1. Решил сам разобраться, пока ждал ответа профи. Смоделировал в протеусе, все стало ясно (заодно и с транзисторами разобрался, кто током управляется, а кто напряжением): операционик именно повторяет напряжение
        http://pics.livejournal.com/itsalmostunreal/pic/0000306d
        транзистор же просто будет работать как ключ
        http://pics.livejournal.com/itsalmostunreal/pic/00004z9q
        а биполярник тут вообще не подойдет, всю картину смажет
        http://pics.livejournal.com/itsalmostunreal/pic/00005533

        все правильно?

    1. Я конечно не Артемий, но все-же отвечу.

      Производители обычно не разбрасываются схемами своих операционников. Точнее схемы есть, но по ним повторить усилок будет проблематично.

      Посмотрите раздел schematic в ДШ на какой-нибудь ОУ.
      Или вот: http://dl.dropbox.com/u/15427465/Electronics/lm224_schematics.GIF

  9. Инвертирующий усилитель.

    >Итак. Представим, что Uout=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно Uout. Делитель из R1 и R2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт. Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.

    я вот тут зациклился, а что дальше: на «+» выводе 0(замкнут на землю), на «-» выводе (точка 1) тоже стало 0, на выходе тогда должен быть 0, и снова по кругу -10;0;-10;0;-10…
    можно подробнее этот момент объяснить?

    1. Ты просто мыслишь дискретно. А в ОУ все идет плавно. Напряжение снизится до такого, чтобы входная разность стала 0, а малейшие отклонения от нее будут тут же компенсироваться за счет дикого коэффициента усиления. И система встанет в этой точке как наиболее энергетически выгодной.

      1. я некоторое время покурил теорию и более менее начал понимать только приняв за X напряжение на «-» входе, а за Y — напряжение на выходе и положив коэффициент 100000.
        в результате усиления: (0-X)*100000=Y
        в результате резистивного деления: (10+Y)/2=X
        X=0.000099998…
        Y=-9.9998…
        из-за такой малой величины, я долго не мог вкурить в принцип действия ОУ, постоянно мерещилась дискретность.

  10. там где триггер Шмитта:

    картинка не совпадает с текстом…

    Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт (на графике +15В)
    Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт (на графике -15В)

        1. ага, теперь понял ;)

          только получается: и там ШЛЁМ, и там ШЛЁМ…

          пишется одинаково, данные в порт и там, и там отправляем, думаю и CRC одинаково подбивается… в чем разница?

          офф топим:
          пиво в обед зло…

          про беспроводную передачу «информации»-зачеркнуто ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ будем писать?

    1. Биполярным питание считается условно, относительно осознания факта наличия «общей нулевой точки». ОУ об этом факте знать не может, с его точки зрения питание вообще не подразделяется на одно- и би-. Питание и всё.

      1. Упрется в ноль. Поэтому применяют виртуальный ноль. Делают специальный ИОН или расщепляют питание связкой делитель+ повторитель и выдают это за сигнальный виртуальный ноль. Вот относительно него все и взлетает.

        1. Бывает и просто делитель из высокоомных резисторов (чтоб для переменного тока они были достаточно большой нагрузкой), подключенных ко входу ОУ. И туда же подают сигнал.

      1. Спасибо, но теперь возникла другая проблема, нужно двуполярное питание +-35v(2A), в распоряжении только SLA АКБ на 12v. Не подскажете как лучше получить требуемый результат? Есть идея собрать 2 step-up конвертера.

            1. Двухтактный преобразователь с трансформатором. Обмотка с отводом от середины, середина на питание, концы поочередно подтягиваются транзисторами к земле. На вторичке — стандартный двуполярный выпрямитель (и дроссель, если охота ШИМ-стабилизацию). Используется при низком питающем напряжении (на транзисторах — двойное питающее не считая выбросов), например в UPS.
              Описан в книжке по силовой электронике, которую DI HALT где-то тут выкладывал.

  11. DI, а что во всех этих схемах происходит с входным сопротивлением всего усилителя? Ведь оно сильно по-всякому там меняется и становится сильно далеким даже от собственной схемы без ОС, тем более от бесконечного. Может тоже прокомментируешь?

      1. У простой инвертирующей схемы — Rвх=R2 (по приведенной схеме). Так как точка «1» сидит как бы на земле. А вот у неинвертирующей схемы Rвх=Rоу*Kус, где Rоу входное сопротивление самого ОУ, Kус — коэфициент усиления схемы, равный (R1+R2)/R2

  12. DI HALT — cпасибо за ответ! Хотел-бы изучить все ваши темы, давно искал подобную подачу информации. Была как-то очень давно хорошая книжка, там в похожем стиле преподносилась полезная информация. К примеру «оперативная память», сухое название, смысл ясен, предназначение так-же,а понимания нет. А там картинка, и пояснение, что это набор в определенном алгоритме конденсаторов,каждый в отдельности способен накапливать энергию входного двоичного кода, то-есть или что-то есть (1), или ничего нет (0)…ну и в этом духе. Правда, процесс снятия информации я не дочитал :))

  13. Тут у меня непонятка с дифференциальным усилком :(
    Вот есть у нас стандартная его схема, все резюки по 1k, тобишь коэфф. усиления 1
    на не инвертирующий подаю 5 вольт, на другой 3 вольта, вот! 5 вольт делится пополам и того 2,5 вольта на неинвертирующем, ОУ надо выдать такое выходное чтоб на инвертирующем было тоже 2,5 вольта, получается это -2 вольта. А реально на выходе просто 2 вольта! Куда минус то пропал?

  14. Скажите как быть с вычитающей схемой? Хочу завести обратную связь. Там мешает диод. Если на неинвертирующем входе меньше, чем на инвертирующем, то на выходе — напряжение с инвертирующего входа минус падение U на диоде

  15. Ребят, подскажите пожалуйста такой моментик. Никак не могу понять, в чем дело.
    Ситуация такая: имеется ОУ OP07CP. Включаю его по схеме неинвертирующего усилителя, входным сигналом является напряжение с резистивного делителя. А проблема в следующем: при двухполярной запитке ОУ все работает прекрасно, теоретически рассчитываемое выходное напряжение совпадает с измеряемым. А вот при однополярной запитке, когда на Vcc+ кидаю +5В, а Vcc- сажаю на землю, то на выходе получается явно не то что нужно.
    P.S. Хотелось бы запитаться однополярно, поскольку планирую обрабатывать сигнал исключительно положительной полярности.

    1. Так у ОР7 выходной то каскад на биполярниках вроде как сделан. А значит он не может поднять ногу выше чем Vcc-N и опустить ее ниже чем GND+N а N там около вольта, а то и полутора. Вот и получается, что у тебя активный выходной диапазон на 0…5В сжимается в неадекватную щель. Ищи rail-2-rail ОУ он может работать в куда более широком диапазоне, т.к. у него выход выдает от земли до питания с мизерной разницой.

      1. Этот момент ясен. Но вот у меня на деле получается так: когда проверял работу ОУ собрал схемку и резисторы подобрал так, что на выходе должно быть +2,44В, при двухполярном питании так и получается, а вот при однополярном почему-то выдает в этом случае стабильно +4,45В. Вот именно это я не втыкаю:)

  16. Коли уж начали про математические операции типа сложение-вычитание, давайте не будем забывать про то, что на операционниках легко и умножать-делить можно, возводить в степень, экспонировать-логарифмировать и т.д. На то они так и называются! =)

  17. Возможно я скажу тупость, но нет ли где-то самой примитивной схемы ОУ, чтоб можно было на примере понять куда и как течёт ток, и что вообще происходит внутри микрухи?

    1. ЕМНИП в Сворене была схема 140УД1, по крайней мере в том, что я в библиотеке брал. Всего 6 транзисторов.
      Ну и в даташитах действительно обычно схема есть.
      А так там обычно дифкаскад и УПТ за ним.

  18. Подумал я тут. Ляпну-ка я свои три копейки, мож даже и не к месту. В принципе-то ОУ правила включения, ООС, повторители и т.д. и т.п. было уйму раз разобрано. Хоровиц Хилл даже:) А вот такой вопросик может даже волнующий всех новичков. А нельзя ли для примерчика хотя бы одну полную практическую схему. Есть например куд1408а понятно куда входа и выхода примитивно ткнуть. Но у этого ОУ есть ещё три хитрых вывода: два коррекции и один балансировка. и как их прикрутить? Сколько не спрашиваю все делают по разному, и никто толком про эти выводы рассказать не может.

    1. Это ведь индивидуально для каждого ОУ. Смотреть надо в даташите (впрочем, на отечественные детальки его хрен найдешь так просто), там обычно указано какие туда вешать детали и зачем.
      Ну а балансировка — фишка в том, что у ОУ есть параметр «напряжение смешения», который мешает (только я уже забыл его точное определение, что-то связанное с разбалансом входов вроде). Балансировкой можно его уменьшить.
      Лично я помню только насчет 157УД2 — на его коррекцию вешаются кондеры, порядка десятков пик. То ли для стабильности, то ли хрен знает зачем.

      1. Вот-вот. И я «хрен знает зачем». Видел схемку на отечественный ОУ с переменным резюком притянутым к питанию и называли это балансировкой. И кондеры были на оба входа коррекции. Хоровиц помоему ещё переменный конденсатор вешал.

  19. Даташит на отечественныйе ОУ — это журнал «Радио». Подстроечный резистор вешается для коррекции нуля. Т.е. если на входе 0В (что надо понимать, как посаженный на землю вход, а не болтающийся в воздухе), то с помощью этого резистора добиваются 0В на выходе. Обычно без резистора при 0В на входе на выходе присутствует некое напряжение, которое может иметь значения от миливольтов до микровольтов. Как именно включается этот резистор надо смотреть в справочнике.
    Кондеры вешаются для коррекции АЧХ ОУ. При некоторых значениях Ку может появиться возбуждение. Чтобы его избежать включают конденсаторы. Емкость тоже надо смотреть в справочниках, т.к. от ее значения зависит граничная частота.
    Не знаю как в современных импортных ОУ, но в наших часто присутствовали выводы для кондюков.
    Думаю не сильно ошибся в объяснении.

  20. Пожалуйста, объясните, как на счет времени запаздывания сигнала на выходе относительно входного, как это время расчитать или оно является стандартным для каждой модели ОУ, может есть зависимость от частоты входного сигнала? Можно ли вставить в обратную связь RC-цепочки?

  21. Вообще в цепях говорить «время запаздывания» несколько неправильно. Ведь если под ним подразумевать, например, задержку прямоугольного импульса, то этот термин верен в случае если у цепи линейная фазо-частотная характеристика в полосе, которую занимает спектр такого импульса. Правильнее рассматривать именно фазо-частотную характеристику. У ОУ она иногда приводится в даташитах. Но там она скорее всего для определения полосы рабочих частот, в которых ОУ не возбуждается. Так как там это самое «время запаздывания» внутри ОУ, да еще задержка (а точнее фазовый сдвиг) в цепях обратной связи при определенных условиях могут создать из усилителя генератор.
    А вообще зачем знать-то это время запаздывания? Какая цель?

  22. Стоило бы наверное к инвертору добавить простейший высокоточный двуполпериодный выпрямитель(правда с его выхода желательно буфером забирать сигнал — для измерения или например сглаживания кандером….сам искал долго и нудно…..методом чистейшего научного тыка получил то шо нада :) http://clawham.hopto.org/DriveD/PubD/54/3.gif

  23. Di Halt, помоги, пожалуйста решить проблемку: есть магниторезистивный датчик, например Honeywell’овский одноосевой (это в любом случае теоритеческая задача, так что не принципиально). Датчик будет использоваться в качестве индикатора положения севера. Мы особо к точности стремиться в условии задачи не будем, поэтому учет всяких OFFSET’ов и посторонних магнитных помех в расчет не берем. Зависимость между полем и напряжением на выходах датчика почти линейна. Я пускаю сигнал с него на дифференциальный усилок (напр. с усилением разности в 100раз (коэффициент 100 присоветовали в ДШ). Далее сигнал идет на амплитудный детектор, где я собираюсь отследить максимум поля (он же по идее на Севере). Если напряг перед детектором становится выше, чем на выходе детектора, то по идее такой расклад даст максимум поля. Компаратор даст лог. 1 на выходе и светодиод загорится.
    Но ежели я, например, начал крутится с этим прибором с Запада против часовой стрелки, то кондер сначала резко зарядится, и напряг на входе уже почти сразу начнет становиться меньше — компаратор сработает, но только совершенно не на Севере.
    Я вижу два теоретических выхода: компаратор сработает, только если до этого напряжение росло. или же он должен срабатывать только на второй раз (тогда мы просто будем дольше крутиться с прибором).
    Приаттачил еще фотку черновика. Там около Римской единицы картинка изменения напряжения на датчике от времени(мы крутимся с прибором в руках).
    Римская два: напряг на пиковом детекторе.
    Римская три: пояснение ситуации с ложными срабатываниями.
    Локальные максимумы (IV) из-за нелинейности зависимости в расчет не берем.

  24. Вопрос про инвертирующий усилитель.

    «Итак. Представим, что Uout=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно Uout. Делитель из R1 и R2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.
    Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1″

    Немного не понял, если нужно опустить напряжение с 5 вольт до нуля, почему напряжение должно встать не в минус 5 вольт а вдвое больше — в минус 10 вольт?

    Потому что как в предыдущем случае на инверсный вход подается половина напряжения с делителя?

  25. Вопрос по инвертирующиму сумматору.
    Решил на практике посмотреть как работает сумматор напряжений, собрал такую схему:
    [url=http://narod.ru/disk/23486960001/%D0%A1%D1%85%D0%B5%D0%BC%D0%B0%20%D1%81%D1%83%D0%BC%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B0.JPG.html]Схема сумматора.JPG.html[/url]

    Почему на выходе «0» не зависимо от входных напряжений?
    Можно ли этот усилитель использовать для суммирования напряжений (надо сложить 2 и 5 вольт)?

  26. Я правильно понял что ОУ всегда пытается сделать напряжение на инвертирующем входе относительно выхода таким же как на прямом входе относительно минуса его питания?

      1. Понятно, видимо это самая главная хитрость.

        А если соединить инвертирующий вход с землей а на прямой подавать сигнал, получится простейший не инвертирующий компаратор с нулем, выдающий +Uпит для Uвх > 0 и -Uпит для Uвх < 0. А гистерезис как я понял нужен только для сравнения когда сигнал лежит рядом с нулем. К примеру если у нас прямоугольный сигнал в диапазоне +Uпит/-Uпит, то гистерезис не нужен.

        1. Гистерезис обычноо нужен там, где может быть большое количество шумов. Чтобы уверенно отделить один уровень сигнала от другого. А компаратор делать из ОУ как-то не очень…

    1. Гораздо правильнее сказать, что ОУ, имея ООС, всегда пытается на инвертирующем выходе добиться такого же напряжения как и на неинвертирующем. Т.е. разницы напряжения между входами равной 0. А «… относительно минуса его питания…» или плюса или чего другого — это ни причем. ОУ реальные бываю разные и с двухполярным питанием и с однополярным (когда минус одно и то же, что и общий провод), с большим Ку и по меньше. Но принцип один — разница на входе=0 и это певичное.

    1. Появятся эффекты переходного процесса конденсатора. Представь его как хитрое сопротивление, которое когда разряжено — КЗ, когда заряжено обрыв. Ну, а между ними сопротивление меняется от и до. И думай как такая ОС повлияет на работу ОУ.

  27. Здравствуйте, уважаемый DI HALT. У меня возник вопрос касаемо генератора прямоугольных импульсов на операционном усилителе, упоминаемом Вами в статье про аналоговый реобас (блок №1). Не могли бы Вы подробнее «разжевать» его работу, то есть в результате каких процессов на выходе первого ОУ образуется меандр?
    Спрашиваю в этой статье, потому что там остальная часть схемы понятна, а вопрос касается непосредственно ОУ в режиме генератора.

  28. А можно использовать гистерезис как защиту от помех?
    Например, при касании пальцем входов компаратора, на выходе естественно начинаются скачки туда-сюда. Как этого избежать?

    1. А никак. По любому должна быть общая какая то точка. Иначе будет показывать погоду на Марсе. Единственный вариант не обьединять земли — токовая петля.

  29. А как работает ОУ в схеме измерителя тока (типа такого: http://cxema.my1.ru/publ/instrumenty/izmeritelnaja_tekhnika/voltmetr_ampermetr_atmega8_lcd/47-1-0-4707)
    Я так понимаю, что на 0.01Ом резисторе, происходит падение тока (не значительное, и для схему не важное). А дальше?
    Очевидно, что ОУ меряет разницу напряжений. Но откуда она береться?

    1. Как раз резистор 0.01 и обеспечивает измеряемое падение напряжения. А ОУ его и замеряет. Сравнивая между падением напряжения и напряжением земли.

  30. Уважаемы DI HALT объясните пожалуйста начинающему чайнику, о каком отрицательном напряжение может идти речь вот текст:
    <<<>>

    если ток течет от плюса к минусу( ну или же на оборот как оказалось что электрон имеет отрицательный заряд, ну это не важно) но все же ток течет в одном направлении, если же потенциал нулевой как его можно измерять в минусовом вольтаже это разве не земля? о каких минус 15 вольт идет речь? вроде у нас постоянное напряжение а не переменное.Объясните мне скорей пока мой мозг не взорвался.

    1. А кто сказал, что не может быть напряжения меньше ноля? Питание у ОУ двухполярное. Т.е, например +15 GND и -15. Т.е. как если взять две батарейки по 15вольт, соединить их последовательно. Точка сцепки это GND + это +15 вольт, — это -15 вольт.

      Конечно если питание однополярное (такое тоже бывает) и GND минимальное напряжение, то на выходе будет не -1.4, а минимально возможное, т.е. 0

        1. Нет. C одной батарейкой этот фокус не пройдет. Но можно сделать виртуальный GND для операционного усилителя, взяв источник на половину питающего напряжения.

          1. Чуточку начал понимать,в цифровой технике например фото.тел. планшеты ноуты и т.д. у нас применяются одно полярные питания, а например в усилителях звуковых может там радио частотных там где вобщем аналоговая схемотехника двух полярное питание применяются чаще.То есть в цифровых схемах у нас на выходе компаратора будет минимальная 0, а на выходе аналогово усилителях звука на выходе компаратора будет -1.4. Вобщем сами компараторы получаются тоже делятся на двух полярные и одно полярные.

            1. Минимальное будет не -1.4 для двухполярного, а -U за вычетом падения на выходном ключе. Обычно это 0.7…1 вольт для обычных ОУ и около 0.1..0.2 вольт для ОУ на полевых транзистора с характеристикой Rail 2 Rail.

              Т.е. если питание +10 -10, то выходной размах может быть +9 -9 для обычного или +9.9 -9.9 для Rail2Rail усилителя. Разумеется речь идет о двуполярном питании.

  31. Вот текст:Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4

        1. Принцип схожий, разница на двух входах усиливается. Просто у ОУ коэффициент усиления стремится к бесконечности (в идеале), а для диф усилителя в общем виде это не обязательно.

  32. Здравствуйте. Я не силен в электронике и смотрю, что в данной статье рассматривается , по большей части, теоретическая сторона. А меня интересует практический вопрос. Предположим у меня есть 2 одинаковых терморезистора R1 и R2. Задача проста: если на резисторе R1(при изменении температуры) сопротивление больше, чем на R2 то должна включиться нагрузка. Если меньше, или = R2 то выключиться. + должен быть небольшой гистерезис в пару градусов(читать пару Ом ), чтобы не получить постоянное «дерганье» нагрузки при граничных показателях. Скажите, подойдет ли для этого ОУ и как его подключить? Напряжение питания на выходе для нагрузки особого значения не имеет(буду подключать через реле). Хотя желательно, чтобы оно было стандартным 5 ,12 , 24 или 220 в.

    1. Терморезисторы TR1 и TR2 включаешь в нижние плечи делителей. Со средней точки делителя с TR1 подаешь напряжение на положительный вход триггера Шмитта (т.е. на заземленный конец резистора R1 на четвертой картинке в статье, его естественно надо отключить от земли), с делителя с TR2 — на отрицательный вход ТШ (инвертирующий вход ОУ). Гистерезис определяется соотношением R1 и R2 в схеме ТШ. С выхода сигнал подать на базу NPN транзистора через резистор (при однополярном питании ОУ, при двуполярном еще диод нужен), в коллектор включить реле.
      Примерно так:

  33. Вопрос по согласованию уровней. Нужно передать аналоговый сигнал 0-5В в ADC контроллера работающий на 3.3В. Т.е. нужен повторитель сигнала, с коэффициентом усиления ~0.66. Не могу сообразить, как сделать…

      1. Проблема в том, что сигнал слаботочный (датчик тока). Поэтому, думаю что без ОУ не обойтись… И тут вопрос: датчик отдает данные с частотой 120КГц. Как поведет себя ОУ в таком режиме? Куда смотреть в даташите?

  34. Использовать повторитель — неинвертирующая схема (выход сразу на инвертирующий вход), потом резистивный делитель. Входное сопротивление очень большое. 120кГц в режиме повторителя — сегодня для ОУ это не проблема. Смотрите частотные характеристики. Всегда рисуют графики частотной характеристики при разных коэфициентах усиления

    1. Не стоит забывать о том, что АЦП должен подключаться к источнику сигнала с малым сопротивлением (т.к. в момент семплирования вход АЦП — разряженный конденсатор, и высокоомный источник он просто просадит). Так что лучше или поставить делитель до ОУ-повторителя, или включить ОУ как инвертирующий усилитель с Ку = 0.66, или как минимум — поставить на выходе делителя конденсатор (но стоит учитывать, что он в сочетании с делителем образует ФНЧ).

  35. Вопрос по составлению мнемограмм (формулы с картинками):
    Как в них можно учесть входное, выходное сопротивления и дан К усиления самого усилителя?
    Просто что-то начал формулу искать да видимо плохо ищу.

  36. Дошел я до ОП. Для начала решил все построить в протеусе. И тут полный облом. Беру OP747. Подключаю к 10В батарее. Строю вычитающую схему из статьи. На один вход (U1) подаю 0.53В на другой (U2) 1.27B. На выходе 0.0325B. Вопрос: в каком гене ДНК у меня ошибка? З.Ы. Всех с НГ!

    1. Читал статью на Радиокоте, чтобы восполнить возможные пробелы и прошёлся по ОУ. Что то пошло не так и снова путаница. Потом вспомнил, что понятия про ОУ я освоил здесь и снова прочёл и встало всё на свои места=))

  37. Здравствуйте, подскажите пожалуйста — собрал простейшую схему усиления сигнала с термопары(от 1.3мВ и выше) на ОУ LM385N (http://savepic.su/5140105.jpg). Некоторое время усилитель работал исправно, после не использовался. Проблема в том, что при подаче минимальном увеличении входного сигнала (на 0.5-1мВ), выходной сигнал скачкообразно принимает и в дальнейшем удерживает значение 3.2В. Это связано с тем,что ОУ «пробит» и неисправен, или есть какие-то нюансы?

    1. Вот смотрю на приаттаченную схему и не понимаю. Используется неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 101 (без учета разброса номиналов резисторов ОС). При входящих 2,9mV, теоретически, на выходе должно быть 293mV, а на фото показано 228mV. Куда делись еще 65mV? И что означает К=78,62, если должно быть около 101?

      Насчет 3,2V — может стоит проверить пайку резистора обратной связи 100К? Без него как бы получаем компаратор. Если такое предположить, то при подаче малого положительного напряжения на вход — компаратор срабатывает как и полагается, и на выходе имеем напряжение на 1,5-2V ниже чем VCC, т.е. 3,2V.

      Только приступил к изучению операционников, и ситуация схожая.
      Использую тоже LM358N, тоже неинвертирующий однополярный усилитель, коэффициент усиления 10 (резисторы подобраны довольно точно, использую многооборотистый подстроечник). На вход подаю 10,6mV — на выходе 100mV. Куда делись 6mV?

      Есть подозрение, что тут как то замешаны напряжение смещения и/или ток смещения.
      Для выравнивания токов смещения — на неинвертирующий вход повесил резистор 10К, ситуация не изменилась.
      Напряжение смещения замерил (соединив напрямую инвертирующий вход с выходом ОУ, неинвертирующий вход кинул на землю) — на выходе получил 2,7mV. Но вот как это применить не понимаю.
      Допустим, чтобы на выходе иметь 0 необходимо на вход подать 2,7mV. Тогда при входящих 10,6mV 2,7mV идет на компенсацию смещения, а 10,6-2,7 = 7,9mV усиляются с коэффициентом 10, и на выходе должно быть 79mV. Я получаю 100mV, откуда появились 21mV?

      И еще такой момент. Если замерять напряжение смещения при установленных резисторах обратной связи (9,92К и 89,3К), неинвертирующий вход посажен на землю — то на выходе получается 2,5mV, хотя должно быть 2,7*10 = 27mV.

      Посоветуйте что почитать.
      Хоровица-Хилла «Исскуство схемотехники» и Фолкенберри Л. «Применения операционных усилителей» читаю, пока безрезультатно.

      1. Ну по крайней мере вполне можно без него обойтись.Если на U1 и U2 4В и 8В, на неинвертирующем образуется 6В. Далее на выходе ОУ, обрауется 12В, который делитель напряжения, делит пополам, то есть на инвертирующем становится 6В. 4+8=12. Черт его знает, может я не прав.

        1. Если суммируется два напряжения то можно и без R5.
          Но если надо суммировать более двух напряжений — без R5 — будет тяжело понять что в итоге получится :)

  38. Добрый день! подскажите…
    имеется контроллер с выходом ШИМ (0…5В).

    как использовать операционник, с двуполнярным питанием скажем +/-10В, и управляя контроллером, получать на выходе ОУ двуполярное напряжением от -10 до +10В… (нужно для управления тиристорным блоком управления двигателем в обе стороны)

    1. я так понимаю через U1 на ножку контроллера Vcc пойдет +2.5В (относительно GND), а на GND контролерра -2.5В (опять таки относительно GND)? для фильтрации 0.1мкф, это для ~ какой частоты шима ?)

  39. А вот такой вопрос появился: что, если в вычитающей схеме на точку 2 подадим напряжение Ub без всяких делителей. Прав ли я, что в таком случае смеха превратится в инвертирующий усилитель со смещенным нулем и выходное напряжение будет Uout = Ub — U1(R4/R3)?

Добавить комментарий