Circuite de putere amplificatoare operaționale, HomeElectronics
În acest articol, voi începe să vorbesc despre utilizarea amplificatoarelor operaționale în circuite liniare.
Funcționarea amplificatorului operațional de la o sursă de alimentare bipolară
După cum sa menționat într-un articol anterior, amplificatorul operațional se bazează pe o treaptă de tranzistor diferențial, care necesită o sursă de alimentare cu două tensiuni - pozitivă și negativă. Mai mult, ambele tensiuni ar trebui să fie aceleași: de exemplu, +5 și -5 V, +12 și -12 V. O diagramă tipică pentru conectarea unui amplificator operațional la o sursă de alimentare este prezentată mai jos.
Un circuit tipic de alimentare cu amplificator operațional este format din următoarele elemente: condensatoare C1, C2, diode de protecție VD1, VD2 și o sursă de alimentare bipolară + Upit, -Upit. Diodele de protecție VD1 și VD2 sunt elemente opționale ale circuitului, dar sunt recomandate pentru toate sursele de alimentare unde este posibilă amestecarea accidentală a cablurilor de alimentare.
Condensatorii C1 și C2 asigură decuplarea AC și trebuie conectați cât mai aproape de pinii microcircuitului. Acești condensatori ar trebui să aibă o capacitate de ordinul 0,001 - 0,1 uF.
Deoarece amplificatoarele operaționale moderne au un câștig destul de mare la frecvențe înalte, feedback-ul fals apare adesea în circuitele de alimentare ale amplificatorului. Prin urmare, destul de des, pe lângă decuplarea condensatoarelor C1 și C2 din circuitele de putere ale amplificatorului operațional, condensatoarele sunt adesea conectate direct la șinele de alimentare, ceea ce îmbunătățește stabilitatea amplificatoarelor.
Funcționarea op-amp de la o sursă de alimentare unipolară
În condiții normale, circuitul de comutare a amplificatorului operațional asigură putere bipolară, dar în echipamentele portabile moderne alimentate cu baterii, acest lucru nu pare foarte convenabil. Ca urmare, schemesursa de alimentare unipolară a amplificatorului operațional cu introducerea unui circuit de polarizare suplimentar în circuit.
Într-un amplificator liniar, relația dintre tensiunea de intrare UBX și tensiunea de ieșire UBbIX are următoarea relație funcțională, care este ecuația unei linii drepte și se numeștecaracteristica de transfer
unde k este panta amplificatorului
b este decalajul tensiunii de ieșire.
Prin urmare, în funcție de coeficienții k și b, există patru opțiuni pentru caracteristicile de transfer ale unui amplificator liniar
Pentru a găsi coeficienții k și b în ecuația unei linii drepte, este necesar să setați parametrii a două puncte de pe această linie dreaptă, în cazul unui amplificator liniar, parametrii tensiunii de intrare și de ieșire în două puncte, cel mai adesea cele extreme.
De exemplu, să găsim coeficienții k și b în următorul caz: la intrarea unui amplificator liniar, semnalul de la senzor poate varia de la 0,3 la 0,7 V și de la ieșirea amplificatorului la analog-la- convertor digital, un semnal în intervalul de la 1 la 6 V. Pentru a determina ecuația unui amplificator liniar, avem două puncte A1 (UBbIX1; UBX1) = (1; 0.3) și A2 (6; 0.7), deci compunem un sistem de ecuații
După rezolvarea acestui sistem, obținem următoarele valori ale coeficienților k = 7 și b = 1,1. Ca urmare, caracteristica de transfer a unui amplificator liniar va avea următoarea formă
Pentru fiecare tip de caracteristică de transfer, există o schemă de implementare a circuitelor de polarizare, le vom lua în considerare mai detaliat.
Schema circuitelor de polarizare în amplificatoare de tip UBbIX = kUBX + b
Circuitul care implementează caracteristica de transfer a formei UBbIX = kUBX + b este prezentat în figura de mai jos
Acest circuit este un sumator neinversător șiconstă din condensatoare de decuplare C1 și C2 având o capacitate de ordinul 0,001 - 0,1 uF, rezistențe R1, R2, R3 și R4 și amplificatorul operațional DA1 însuși într-un circuit neinversător. Caracteristica de transfer a acestui circuit este descrisă de următoarea expresie
atunci coeficienții k și b vor fi determinați prin următoarele expresii
Calculul unui amplificator cu tipul caracteristic UBbIX = kUBX + b
De exemplu, să calculăm elementele amplificatorului cu următorii parametri: tensiunea de intrare UBX = 0,1…1 V, tensiunea de ieșire UBYX = 1…5 V, tensiunea de alimentare UPIT = 6 V, tensiunea de alimentare UCM = UPIT = 6 V este folosită ca sursă de părtinire.
Să definim tipul de caracteristică de transfer. Determinăm coeficienții k și b
După ce am rezolvat acest sistem, obținem k = 4,44 și b = 0,556, apoi caracteristica de transfer va avea următoarea formă
Calculați valorile rezistențelor R1 și R2 rezolvând următorul sistem de ecuații pentru (R3 + R4) / R3
Înlocuind valorile coeficienților k, b și UCM, obținem următoarea ecuație
Valoarea rezistorului R1 este de obicei selectată în intervalul de la 1 la 10 kOhm, deoarece rezistorul R1 determină impedanța de intrare a amplificatorului și ar trebui mărită pentru a evita supraîncărcarea sursei de semnal.
Să alegem R1 = 10 kOhm, apoi R2 = 47,91 * 10 = 479,1 kOhm. Să luăm R2 = 470 kOhm.
Calculați valorile rezistenței R3 și R4
Valoarea rezistorului, precum și R1, este selectată în intervalul 1 ... 10 kOhm, deci să luăm R3 = 10 kOhm, R4 = 10 * 3,53 = 35,3 kOhm. Să luăm R4 = 36 kOhm.
Schema circuitelor de polarizare în amplificatoare de tip UBbIX = kUBX - b
Caracteristica de transfer a circuitului amplificator, care are forma UBbIX \u003d kUBX - b este prezentată mai jos
Caracteristica de transfer a acestui circuit este reprezentată de următoarea expresie
În acest caz, coeficienții k și b vor fi determinați de următoarele expresii
Calculul unui amplificator cu tipul caracteristic UBbIX = kUBX - b
De exemplu, să calculăm un amplificator cu următorii parametri: tensiunea de intrare UBX = 0,3…0,7 V, tensiunea de ieșire UBYX = 1…5 V, tensiunea de alimentare UPS = 6 V, tensiunea de alimentare UCM = UPS = 6 V este folosită ca polarizare sursa .
Calculați coeficienții caracteristicii de transfer
După ce am rezolvat acest sistem de ecuații, obținem k = 10 și b = -2.
Atunci răspunsul tranzitoriu al acestui amplificator va avea forma
Calculați rezistența rezistențelor R3 și R În acest circuit, rezistența rezistenței R3 ar trebui să fie mult mai mare decât rezistența echivalentă a rezistențelor paralele R1 R2. Prin urmare, coeficientul k poate fi exprimat prin următoarea expresie aproximativă
Să luăm rezistența rezistorului R3 = 10 kOhm, apoi R4 = 90 kOhm.
Calculați rezistența rezistențelor și R
Din moment ce R3 >> R1 R2 să luăm R2 = 0,75 kOhm, apoi R1 = 26*0,75=19,5 kOhm. Luați R1 \u003d 20 kOhm.
Astfel, caracteristica de transfer a amplificatorului va arăta ca UBbIX = 10UBX - 2 cu următoarele valori ale elementelor: R1 = 20 kOhm, R2 = 0,75 kOhm, R3 = 10 kOhm, R4 = 90 kOhm.
Schema circuitelor de polarizare în amplificatoare precum UBbIX = – kUBX + b
Al treilea caz de alimentare OS de la o sursă unipolară are o caracteristică de transfer de forma UBbIX = – kUBX + b. Soluția circuitului pentru acest caz este prezentată mai jos.
Acest circuit este format din amplificator operațional DA1, condensatori de decuplare C1și C2, rezistențele R1, R2, R3, R4 și este un amplificator diferențial sau diferențial.
Luând în considerare elementele circuitului, caracteristica de transfer va arăta ca
Atunci coeficienții k și b pot fi reprezentați prin următoarele expresii
Calculul unui amplificator cu o caracteristică de forma UBbIX = - kUBX + b
Ca exemplu, să calculăm un amplificator care ar trebui să aibă următorii parametri: domeniul tensiunii de intrare UBX = -0,1 ... -1 V, domeniul tensiunii de ieșire UBYX = 1 ... 5 V, tensiunea de offset este luată de la tensiunea de alimentare UCM = UPS = 6 V.
Să determinăm coeficienții caracteristicii de transfer k și b, pentru aceasta compunem și rezolvăm sistemul de ecuații liniare
După ce am rezolvat acest sistem, obținem k \u003d - 4,44 și b \u003d 0,556, apoi răspunsul tranzitoriu al acestui circuit amplificator va arăta ca
Determinați rezistența rezistențelor R1 și R4
Să luăm R1 \u003d 10 kOhm, apoi R4 \u003d 4,44 * 10 \u003d 44,4 kOhm. Să luăm R4 \u003d 43 kOhm
Calculați rezistența rezistențelor și R3
Să luăm R3 \u003d 1 kOhm, apoi R2 \u003d 56,19 * 1 \u003d 56,19 kOhm. Să luăm R2 = 56 kOhm.
Schema circuitelor de polarizare în amplificatoare de tip UBbIX = - kUBX - b
Ultimul, al patrulea caz al unui amplificator operațional cu o sursă unipolară și un răspuns tranzitoriu de forma UBbIX = - kUBX - b are un circuit prezentat în figura de mai jos
Acest circuit este un sumator inversor și constă din amplificatorul operațional DA1, condensatorul de decuplare C1, rezistențele R1, R2 și R3. Ținând cont de elementele circuitului, caracteristica de transfer va avea forma
Atunci coeficienții k și b pot fi reprezentați în următoarea formă
Calculul unui amplificator cu un răspuns tranzitoriu de forma UBbIX = - kUBX - b
PentruCa exemplu, să calculăm un amplificator care implementează un răspuns tranzitoriu de forma UBbIX = - kUBX - b. Ca condiții inițiale, luăm următorii parametri ai circuitului: domeniul tensiunii de intrare UBX = -0,2 ... -0,8 V, domeniul tensiunii de ieșire UBYX = 1 ... 5 V, tensiunea de polarizare este luată de la tensiunea de alimentare UCM = UPS = 6 V.
Calculați coeficienții k și b, pentru aceasta rezolvăm sistemul de ecuații liniare
După ce am rezolvat acest sistem, obținem k = – 6,67 și b = – 0,334. Apoi răspunsul tranzitoriu va arăta ca
Determinați valoarea rezistenței R1 și R3
Să luăm R1 \u003d 10 kOhm, apoi R3 \u003d 6,67 * 10 \u003d 66,7 kOhm. Să luăm R3 = 68 kOhm.
Să determinăm valoarea rezistenței R2
Să luăm R2 = 200 kOhm.
În loc de o concluzie
Proiectarea circuitelor pe un amplificator operațional cu o singură sursă este oarecum mai complicată decât utilizarea unei surse de alimentare bipolare, cu toate acestea, folosind calculele date în acest articol, rezultatele bune nu vor întârzia să apară.
Destul de des este necesar să se construiască circuite cu intrări multiple, cerințe suplimentare de suprimare a zgomotului și așa mai departe, dar schemele de calcul descrise pot fi utilizate aici.
Teoria este bună, dar fără aplicare practică sunt doar cuvinte. Aici poți face totul cu propriile mâini.