Статья из блога Кена Ширрифа из Музея компьютерной истории
Мы восстанавливаем винтажный (1969 года, судя по маркировке чипов) компьютер, недавно найденный одним из наших сотрудников. Аналоговые компьютеры когда-то были популярны для быстрых научных расчётов, но практически вымерли в 1970-х. Интересны они совершенно отличной от цифровых компьютеров парадигмой. В данной записи я сфокусируюсь на операционных усилителях (ОУ), использовавшихся в этом аналоговом компьютере, Model 240 от Simulators Inc.
Аналоговый компьютер Model 240 от Simulators Inc. – «высокоточный настольный аналоговый компьютер общего назначения», содержащий до 24 ОУ (в данной модели их 20).
Что такое аналоговый компьютер?
Аналоговый компьютер выполняет вычисления с использованием физических, непрерывно изменяемых значений, таких, как напряжение. По контрасту с этим, цифровой компьютер использует дискретные двоичные значения. У аналоговых компьютеров долгая история – сюда входят и механизмы с шестернями, и логарифмические линейки, и механические интеграторы диск-шар, и приливные компьютеры, и механические системы наведения. Однако «классические» аналоговые компьютеры 1950-х и 1960-х годов используют ОУ и интеграторы для решения дифференциальных уравнений. Обычно их программировали путём подключения проводов к коммутационной панели, что приводило к появлению мешанины из проводов.
«Программирование» аналоговых компьютеров посредством подключения проводов к коммутационной панели. Эта панель от аналогового компьютера EAI
Большим преимуществом аналоговых компьютеров была их скорость. Они вычисляли результаты практически мгновенно, поскольку их компоненты работали параллельно. Цифровым компьютерам иногда подолгу требовалось пыхтеть над вычислениями. В итоге аналоговые компьютеры приносили наибольшую пользу в симуляциях реального времени. Недостатком аналоговых компьютеров было то, что их точность напрямую зависела от точности их компонентов; если вам требовалась точность до 4 знаков, вам нужны были дорогие резисторы с точностью в 0,01%. При этом цифровые компьютеры можно делать с любой точностью, просто используя больше битов. К сожалению для аналоговых компьютеров, быстрота и мощность цифровых ЭВМ росли экспоненциально, и к 1970-м уже практически не осталось причин использовать аналоговые.
Инвертирующий (масштабный) усилитель
Лабораторная работа 1
Цифроаналоговый преобразователь(ЦАП)
На основе операционного усилителя
Цель работы
1. Ознакомиться с основами функционирования операционных усилителей (ОУ) и простейших схем на их основе.
2. Ознакомиться с основами функционирования ЦАП
3. Приобрести практические навыки построения и анализа ЦАП.
Понятия о ЦАП и АЦП
Цифровые ЭВМ принимают и выдают информацию в цифровом виде. Как правило, информация первичных преобразователей (сигналов датчиков) представляется в аналоговой форме, в виде уровней напряжений. Исполнительные устройства (электродвигатели, электромагниты), предназначенные для автоматического управления технологическими процессами, реагируют также на уровни напряжения или тока. Для преобразования информации из цифровой формы в аналоговую применяют цифроаналоговые преобразователи(ЦАП), а для обратного преобразования аналогоцифровые преобразователи(АЦП).
Как правило, ЦАП и АЦП в своем составе имеют операционный усилитель.
Общие сведения об операционных усилителях
Операционные усилители представляют собой широкий класс аналоговых микросхем, которые позволяют производить усиление аналоговых сигналов, придавать им различную форму, складывать и вычитать сигналы, производить операции дифференцирования и интегрирования, создавать источники стабильного напряжения и генераторы колебаний различной формы.
Операционный усилитель (ОУ) – это многокаскадный транзисторный усилитель, выполненный в виде микросхемы и имеющий огромный коэффициент усиления напряжения Ко.
На рис.1 дано схемное обозначение операционного усилителя.
Входной каскад его выполняется в виде дифференциального усилителя, так что
операционный усилитель имеет два входа: неинвертирующий U+ и инвертирующий U -. . Разность входных напряжений Uд = U+ – U -. является разностным входным напряжением или напряжением дифференциального сигнала.
Рис.1. Схемное обозначение операционного усилителя
Помимо схемного обозначения ОУ показанного на рис. 1, в литературе можно встретить и другие обозначения ОУ (рис. 2).
Рис.2
На принципиальных схемах ОУ обычно изображают только их входные и выходные клеммы.
Основные схемы включения ОУ
В основе анализа схем на операционных усилителях лежат два следующих предположения. Входы ОУ не потребляют тока и имеют очень большое сопротивление.
Основываясь на этих предположениях, проведём анализ простейших усилительных схем на ОУ.
Инвертирующий (масштабный) усилитель
Схема усилителя показана на рис.3. Неинвертирующий вход заземлен. Входной сигнал подан на инвертирующий вход.
Определим коэффициент передачи по напряжению усилителя К=Uвых/Uвх.
Рис.3. Инвертирующий (масштабный) усилитель
Так как неинвертирующий вход ОУ заземлен, и разность напряжений между входами U = Uвых / Ко пренебрежимо мала, то инвертирующий вход тоже имеет нулевой потенциал относительно земли.
Поэтому: Iвх = Uвх / R1.
Так как входы идеального ОУ не потребляют тока, то:
Iос = Iвх = Uвх / R1.
Выходное напряжение, то есть напряжение на выходном выводе относительно общей шины, можно найти как падение напряжения от тока Iос на резисторе R2, т. е.:
Uвых = – Iос R2 = – Uвх R2 / R1.
Отсюда коэффициент передачи инвертирующего усилителя:
К = Uвых / Uвх = – R2/R1.
Входное сопротивление инвертирующего усилителя Rвх= R1. Выходное сопротивление практически равно 0.
Сумматор
Схема сумматора (рис.4) предназначена для формирования
Рис.4
напряжения, равного усиленной алгебраической сумме нескольких входных сигналов, т.е. он выполняет математическую операцию суммирования нескольких сигналов. При этом выходной сигнал дополнительно инвертируется.
В результате, сигнал на выходе сумматора можно рассчитать в соответствии с выражением:
Uвых= -Uвх1 R0 /R1 -Uвх2 R0 /R2 -Uвх3 R0 /R3 -… -Uвхn R0 /Rn .
ЦАП на основе ОУ
Принцип действия простейшего ЦАП поясняет схема на рис.5.
Рис.5
Основу ЦАП составляет матрица резисторов, подключаемых ко входу операционного усилителя ключами, которые управляются двоичным кодом (например, параллельным кодом регистра или счетчика).
Коэффициенты передачи К= — Uвых/Uоппо входам 2°, 21, 22 и 23 равны соответственно:
Ко =R1Zo/Ro, K1 =2R1Z1/Ro, K2 =4R1Z2/Ro, K3 =8R1Z3/Ro
где Zo – Z3 числа, принимающие значения 0 или 1 в зависимости от положения соответствующих ключей.
Выходное напряжение ЦАП определяется суммой:
Uвых= -Uoп (Ko+K1 +K2+K3) = — UопR1/Ro (Zo +2Z1+4Z2+8Z3)
Таким образом, четырехразрядный двоичный код преобразуется в уровень Uвых
в диапазоне от 0 до 15ΔU, где ΔU — шаг квантования.
Для уменьшения погрешности квантования необходимо увеличивать число двоичных разрядов ЦАП.
Приведенная схема ЦАП имеет по крайней мере два недостатка. Во-первых, к резисторам старших разрядов предъявляются жесткие требования по точности и стабильности.
Во-вторых, нагрузка источника Uоп изменяется в зависимости от положения ключей, что требует применения источника с малым внутренним сопротивлением для ослабления влияния этого сопротивления на Uon
при разных токах нагрузки.
От перечисленных недостатков свободна схема ЦАП, показанная на рис. 6.
Рис.6
В ней используют ключи, которые подсоединяют резисторы 2R либо ко входу суммирования операционного усилителя, либо к земле. При этом токи через резисторы 2R
не изменяются. Резисторы соединены в матрицу типа
R
—
2R,
имеющую постоянное входное сопротивление со стороны источника
U
равное
R
независимо от положения ключей. Коэффициент передачи напряжения между соседними узловыми точками матрицы равен 0,5. Тогда для входа суммирования усилителя можно записать:
a3 I3 +a2I2 + a1I1 + a0I0 = -Uвых/R0
или выражая все токи через ток I3:
a3I3 +a2I3/2 +a1I3/4 +a0I3/8 = -Uвых/R0
Из этого выражения, с учетом i3 =U/2R получим, что выходное напряжение ЦАП определяется выражением:
Uвых= — UR0/16R (a0 +2a1+4a2+8a3) (1)
Задание 1
1
Внутри аналогового компьютера
Сердце аналогового компьютера – его операционные усилители (ОУ). ОУ могут суммировать и масштабировать входной сигнал, обеспечивая простейшие математические расчёты. Что более важно, скомбинировав ОУ с точным конденсатором, можно было создавать интеграторы. Интегратор интегрировал входной сигнал по времени, заряжая конденсатор. Это позволяло аналоговым компьютерам решать дифференциальные уравнения. Может показаться странным, что интегрирование, сложная математическая операция, была базовым строительным блоком аналоговых компьютеров, но именно так работало железо.
Интеграторы аналоговых компьютеров использовали крупные точные конденсаторы. Вверху видно переменный (настраиваемый) конденсатор на 10 нФ, а большая металлическая коробка внизу – это переменный конденсатор на 10 мкФ. Эти конденсаторы делались так, чтобы утечка была крайне малой, и интегрируемое значение из них не утекало. На переднем плане – реле для выбора конденсаторов.
Аналоговые компьютеры использовали несколько потенциометров для задания входных значений и масштабирующих констант. Для обеспечения высокой точности настройки потенциометры могли поворачиваться до 10 раз. Для проверки значения потенциометров использовался вольтметр. Его также можно было использовать и для демонстрации выходных значений, однако чаще они выводились на осциллограф, диаграммную ленту или плоттер.
Сверху – цифровая секция аналогового компьютера. Внизу – потенциометры; у этой модели компьютера некоторые потенциометры отсутствуют. Вместо пустой панели слева вверху мог стоять цифровой вольтметр.
У некоторых аналоговых компьютеров были и цифровые компоненты – вентили, триггеры, моностабильные мультивибраторы и счётчики. Подобная функциональность давала возможность вести более сложные расчёты – к примеру, перебирать решения в пространстве решений. У нашего компьютера есть немного цифровой логики, к которой есть доступ через цветную коммутационную панель (на фото выше).
На фото ниже компьютер частично разобран. Внутри он оказался более сложным, чем я ожидал, со множеством монтажных плат. Мы сняли коммутационную панель, открывшую нам сетку из контактов. Кабель, подключённый к коммутационной панели, замыкает контакты и настраивает программу. За панелью у компьютера обнаружилось пять модулей: самый левый из них вынут, и лежит перед компьютером (вообще, внутри есть место для шести модулей, но один не был установлен – видимо, это удешевлённая модель, и поэтому у неё не установлено несколько потенциометров). Плата, которую видно вверху, поддерживает цифровую логику и два аналоговых умножителя. Питание и схемы для передней панели расположены внизу.
Аналоговый компьютер со снятым кожухом. Один из модулей вынут и лежит перед ним.
Ниже показано фото модуля крупным планом, а также контакты панели спереди. Сзади видно восемь плат. Слева направо на платах: четыре ОУ (4 платы), различные схемы (1 плата) и умножитель (3 платы). В аналоговом компьютере умножение было неожиданно сложно реализовать; три платы нужны для единственной схемы, перемножающей два значения.
Аналоговые компьютеры могли вычислять произвольные функции при помощи диодно-резисторных сетей. Для перемножения сети настраивались так, чтобы вычислять параболическую функцию. Умножение считалось через тождество X×Y = ((X+Y)2 — (X-Y)2)/4. Суммы и разности вычислялись посредством ОУ, а квадрат – через генератор параболической функции.
Один из модулей. «Пальцы» на передних контактах вставляются в коммутационную панель. За ними видны квадратные высокоточные резисторы (0,01%).
Усилители электрических сигналов
КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
По дисциплине «Электронные цепи»
Тема « Бестрансформаторные усилители мощности с использованием операционных усилителей»
Группа | ПЭ-1-14 |
Студент | Шакиров Р. Л |
Преподаватель | Еникеева Г. Р |
г. Казань
2017 год
Введение
По количеству выпускаемых промышленностью единиц, по точности технологии и чистоте производства, по количеству областей применения нет прибора, который хоть в какой-то мере мог приблизиться к транзистору. На транзисторах построены усилители электрических сигналов. На основе транзисторов созданы интегральные схемы — совершенный продукт технологического прогресса XX столетия.
ГЛАВА 1
Усилители электрических сигналов
1.1. Основные определения и характеристики усилителей
Электрическим усилителем называют устройство, в котором при изменении маломощного усиливаемого сигнала происходит усиление мощности в цепи нагрузки. Усиливаемый сигнал, подаваемый на вход усилителя, осуществляет управление процессом преобразования энергии. В результате выходной сигнал является функцией входного сигнала. Мощность выходного сигнала за счет энергии источника питания во много раз больше мощности усиливаемого сигнала. Мощность усиленных сигналов выделяется в нагрузке, которую включают в выходную цепь усилителя.
Усилитель можно представить в виде четырехполюсника (рис. 1.1) со своим источником питания, к входным зажимам которого подключен источник сигнала 1, а к выходным – нагрузка 3. Если один усилительный элемент усилителя не обеспечивает нужного усиления сигнала, используют несколько усилительных элементов (многокаскадные усилители). Один усилительный элемент и отнесенные к нему элементы называют усилительным каскадом.
Усилители можно условно подразделить на три типа: усилители напряжения, тока
и
мощности.
Условность такого подразделения связана с тем, что любой усилитель в конечном итоге увеличивает мощность.
По характеру усиливаемых сигналов различают усилители гармонических
и
импульсных сигналов
.
По частотному диапазону
различают усилители постоянного тока, переменного тока, низкой частоты (усилители звуковой частоты), высокой частоты, промежуточной частоты, широкополосные усилители. Кроме того, усилители различают в зависимости от используемых элементов.
Рис. 1.1. Усилитель в виде четырехполюсника
Обратная связь в усилителях
Обратной связью
(ОС) называют передачу усиливаемого сигнала из выходной цепи усилителя во входную цепь.
На рис.1.3 показана структурная схема усилителя с обратной связью. Цепь обратной связи характеризуется коэффициентом передачи, или коэффициентом обратной связи , показывающим, какая часть выходного сигнала передается на вход усилителя. На практике < 1. Обратная связь может быть внутренней
( она проявляется в усилителе из-за физических свойств усилительных элементов),
паразитной
( из-за образования паразитных емкостных и индуктивных связей между выходной и входной цепями) и
искусственной
(ее создают специально). Внутренняя и паразитная ОС являются нежелательными, и их пытаются устранить. Искусственную ОС применяют с целью уменьшения нелинейных искажений и стабилизация положения рабочей точки режима работы усилителя (точки покоя). Для этого с помощью обратной связи на вход подают напряжение точно в противофазе с ЭДС источника сигнала. Такую ОС называют
отрицательной
.
Рис.1.3. Структурная схема усилителя с обратной связью
Если напряжение обратной связи подать точно совпадающим по фазе с ЭДС источника сигнала, то сигнал на входе увеличится. Такую ОС называют положительной.
Ее используют, например, в автогенераторах для поддержания автоколебаний.
В зависимости от того, каким образом цепь ОС присоеденена к выходу и входу усилителя, различают следующие виды ОС: обратную связь по напряжению –
цепь ОС соединяют с выходом схемы параллельно нагрузке так, что напряжение ОС пропорционально напряжению нагрузки усилителя (рис. 1.4 а);
обратную связь по току –
цепь ОС соединяют с выходом схемы последовательно с нагрузкой так, что напряжение ОС пропорционально току в нагрузке (рис. 1.4 б);
обратную связь последовательную
– цепь ОС подключают со стороны входа, где она соединена последовательно с источником сигнала (рис. 1.4 в);
обратную связь параллельную –
цепь ОС со стороны входа соединена параллельно с источником сигнала (рис. 1.4 г). Существуют также комбинированные (смешанные) обратные связи: ОС одновременно по току и напряжению, а также ОС, одновременно выполненная последовательной и параллельной.
Рис. 1.4. Обратные связи
а – по напряжению; б – по току; в – последовательная; г — параллельная
Усилители мощности
С помощью усилителя мощностина заданной нагрузке обеспечиваются нужные выходные напряжение и ток, т. е. требуемая мощность. Нагрузкой служат устройства, производящие определенную работу, например громкоговорители, ультразвуковые преобразователи, приводные механизмы, радиопередающие узлы.
Простейший усилитель мощности — так называемый эмиттерный повторитель
(рис. 1.5). Резистор
R
э включен в цепь эмиттера биполярного транзистора
VT
. Состояние покоя задается делителем напряжения — резисторами
R
1 и
R
2. При подаче входного напряжения
u
вх возникают переменные составляющие напряжения база–эмиттер
u
БЭ, тока эмиттера
i
Э и напряжения эмиттера
u
Э. Поскольку напряжение
u
БЭ мало, то переменное напряжение эмиттера
u
Э.пер повторяет входное напряжение
u
вх, поэтому
u
Э.пер ≈
u
вх. Переменное напряжение эмиттера передается на нагрузку
R
н, и
u
вых ≈
u
Э. пер. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице. Переменная составляющая тока эмиттера
i
Э.пер распределяется в параллельно соединенных резисторах
R
Э и
R
н. Коэффициенты усиления каскада по току и мощности зависят от их сопротивления. Входное сопротивление каскада большое. Управляющее напряжение
u
БЭ. пер =
u
вх
– u
Э. пер =
u
вх –
u
вых.
Это означает, что в каскаде действует отрицательная обратная связь: на входную цепь база–эмиттер подается выходное напряжение с обратным знаком относительно входного.
В отсутствие входного напряжения эмиттерный повторитель потребляет энергию, и КПД каскада не превышает 0,25. Сопротивление нагрузки может быть небольшим, тем не менее выходная мощность невелика.
При большей мощности применяют трансформаторные или бестрансформаторные двухтактные усилители
, в которых в состоянии покоя усилительные приборы закрыты и энергия усилителем не потребляется. При этом положительные и отрицательные части входного сигнала усиливаются данными приборами по отдельности. Использование трансформатора приводит к увеличению размеров и массы усилителя, ухудшает его частотные свойства.
Рис. 1.5. Схема эмиттерного повторителя
ГЛАВА 2
Операционные усилители
Усилители постоянного тока в виде микросхем, обладающих большим входным сопротивлением и высоким коэффициентом усиления (до 106), называются операционными усилителями.
Операционные усилители применяются в генераторах и стабилизаторах, активных фильтрах, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователях, электронных аналоговых измерительных приборах, медицинской аппаратуре, для усиления слабых сигналов с технологических датчиков, например от термопары, преобразующей температуру в небольшую ЭДС.
У операционного усилителя два входа — неинвертирующий и инвертирующий. На них знак входного напряжения соответственно совпадает и противоположен знаку выходного напряжения.
Различают масштабирующий, суммирующий, дифференцирующий и интегрирующий усилители. Для выполнения этих операций необходимо ввести цепь обратной связи и соответствующие дополнительные элементы.
Рис. 2.1. Масштабируемый усилитель
В масштабирующем усилителе
(рис. 2.1.) входное напряжение
uвх
умножается на постоянную величину
k
. Инвертирующий вход операционного усилителя ОУ, где входное напряжение противоположно по знаку выходному напряжению, помечают кружком ○. В данном случае операционный усилитель ОУ дополнен двумя резисторами
Rвх
и
Rос
. Через резистор
Rвх
входное напряжение
uвх
поступает на усилитель. По резистору
Rос
в цепи отрицательной обратной связи выходное напряжение
ивых
подается на вход усилителя. Поскольку входное сопротивление усилителя
очень велико, на входе ток i1
≈ 0. Поэтому
iвх
≈
–iос
(рис. 2.1.). Напряжение
u
1 намного меньше входного
uвх
и выходного
uвых
, так как коэффициент усиления весьма большой. Значит,
iвх
=
uвх
/
Rвх
,
iос
=
uвых
/
Rос
. Приравнивая друг к другу значения тока, можно найти, что
uвых
=
–
(
Rос
/
Rвх
)
uвх
=
–kuвх
,
где k
=
Rос
/
Rвх
. При
k
> 1 данный усилитель выполняет умножение, при
k
< 1 — деление.
На единственный вход суммирующего усилителя
через несколько одинаковых резисторов
Rвх
поступают напряжения
uвх1
,
uвх2
, … Выходное напряжение
uвых
= (
Rос
/
Rвх
)(
uвх1
+
uвх2
+ …).
В дифференцирующем усилителе
на входе включен конденсатор
С
вх, в цепи обратной связи — резистор
Rос
(рис. 1.2
а
). Значения тока
iвх
=
Свх
(
duвх
/
dt
),
iос
=
uвых
/
Rос
,
причем iвх
=
–iос
. Выходное напряжение пропорционально первой производной входного:
uвых
=
RосCвх
(
duвх
/
dt
)
.
Усилитель этого вида можно применять в качестве активного фильтра, не пропускающего на выход напряжение низких частот.
Интегрирующий усилитель
(рис. 1.2
б
), на входе которого включен резистор
Rвх
, а в цепи обратной связи — конденсатор
Сос
, производит интегрирование входного напряжения. Токи
iвх
=
uвх
/
Rвх
,
iос
=
C
ос(
duвых
/
dt
),
и поскольку iвх
=
–iос
, то выходное напряжение пропорционально интегралу от входного:
uвх
= .
Такой усилитель применяется, например, в генераторе линейно изменяющегося напряжения для получения фазового сдвига на синусоидального напряжения и в качестве фильтра, не пропускающего напряжение высоких частот.
Операционные усилители
— основа устройств, производящих сравнение аналоговых величин. Операционные усилители с нелинейными амплитудными характеристиками применяются также для возведения напряжения.
Рис. 2.2. Усилители:
а – дифференцирующий; б – интегрирующий
КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
По дисциплине «Электронные цепи»
Тема « Бестрансформаторные усилители мощности с использованием операционных усилителей»
Группа | ПЭ-1-14 |
Студент | Шакиров Р. Л |
Преподаватель | Еникеева Г. Р |
г. Казань
2017 год
Введение
По количеству выпускаемых промышленностью единиц, по точности технологии и чистоте производства, по количеству областей применения нет прибора, который хоть в какой-то мере мог приблизиться к транзистору. На транзисторах построены усилители электрических сигналов. На основе транзисторов созданы интегральные схемы — совершенный продукт технологического прогресса XX столетия.
ГЛАВА 1
Усилители электрических сигналов
1.1. Основные определения и характеристики усилителей
Электрическим усилителем называют устройство, в котором при изменении маломощного усиливаемого сигнала происходит усиление мощности в цепи нагрузки. Усиливаемый сигнал, подаваемый на вход усилителя, осуществляет управление процессом преобразования энергии. В результате выходной сигнал является функцией входного сигнала. Мощность выходного сигнала за счет энергии источника питания во много раз больше мощности усиливаемого сигнала. Мощность усиленных сигналов выделяется в нагрузке, которую включают в выходную цепь усилителя.
Усилитель можно представить в виде четырехполюсника (рис. 1.1) со своим источником питания, к входным зажимам которого подключен источник сигнала 1, а к выходным – нагрузка 3. Если один усилительный элемент усилителя не обеспечивает нужного усиления сигнала, используют несколько усилительных элементов (многокаскадные усилители). Один усилительный элемент и отнесенные к нему элементы называют усилительным каскадом.
Усилители можно условно подразделить на три типа: усилители напряжения, тока
и
мощности.
Условность такого подразделения связана с тем, что любой усилитель в конечном итоге увеличивает мощность.
По характеру усиливаемых сигналов различают усилители гармонических
и
импульсных сигналов
.
По частотному диапазону
различают усилители постоянного тока, переменного тока, низкой частоты (усилители звуковой частоты), высокой частоты, промежуточной частоты, широкополосные усилители. Кроме того, усилители различают в зависимости от используемых элементов.
Рис. 1.1. Усилитель в виде четырехполюсника
Операционные усилители
На фото вверху у каждого ОУ есть своя отдельная плата, заполненная различными компонентами. На каждой плате есть интегральная схема ОУ, что заставляет задуматься над тем, зачем же нужно так много других компонентов. Ответ простой – аналоговые компьютеры требовали очень чёткой работы ОУ. В частности, ОУ должны были работать с сигналами при постоянном токе и низкой частоте, но, к сожалению, ОУ очень плохо ведут себя в этом диапазоне, они больше любят высокие частоты.
В 1949 году было выработано решение для работы ОУ на низких частотах: чоппер-усилители. Идея следующая: чоппер модулирует входной сигнал, допустим, на 400 Гц. ОУ радостно усиливает этот переменный сигнал на 400 Гц. Второй чоппер демодулирует выходной переменный сигнал обратно в постоянный, что даёт гораздо лучшие результаты, чем прямое усиление постоянного сигнала. Платы для ОУ в аналоговом компьютере добавляют схему чоппера, дополняя интегральную схему ОУ и улучшая качество его работы.
Работу чоппера можно представить себе как работу амплитудного усилителя AM радиосигнала. Правда, в отличие от AM, демодуляция должна быть «фазочувствительной», чтобы отличать положительный и отрицательный сигнал.
На диаграмме (из этой брошюрки) показана схема работы платы ОУ. Идея в том, что часть входного сигнала проходит через конденсатор (фильтр верхних частот) в усилитель переменного тока. Также вход идёт в «стабилизирующий усилитель постоянного тока», на входе которого стоит чоппер. Выход демодулируется и проходит через фильтр нижних частот (резистор/конденсатор). Два выхода усилителя комбинируются и входят в «усилитель постоянного тока», выходной усилитель.
Обратите внимание на элементы для распознавания и предотвращения перегрузки. В аналоговом компьютере перегрузка может произойти довольно легко, когда вычисляемое значение окажется выше ожидаемого, и выйдет за пределы ОУ (± 10 В). В итоге результаты окажутся неправильными. ОУ отлавливает перегрузку и зажигает лампочку на панели, чтобы пользователь знал, в чём проблема. Важная часть работы программиста аналогового компьютера – понимать, как масштабировать данные, чтобы математические значения укладывались в физические ограничения системы.
На диаграмме ниже показана одна из плат ОУ. Сегодня у ОУ обычно есть положительный и отрицательный вход, но у аналоговых компьютеров обычно был только отрицательный – поэтому они суммировали данные и инвертировали их. Справа видно вход (отделённый от всех остальных контактов слева во избежание шума). Входы разбиты на три дорожки. Первая ведёт к чопперу-усилителю постоянного тока. Сигнал проходит через фильтр низких частот с целью извлечения постоянного тока и низкочастотного сигнала. Чоппер устроен просто: полевой транзистор с управляющим PN-переходом JFET переменно заземляет сигнал под управлением внешнего осциллятора на 400 Гц. Такой смодулированный сигнал подаётся на ИС ОУ Amelco 809, появившийся в 1967 году (компания Amelco, ныне забытая, когда-то играла важную роль в производстве ОУ; в частности, она сделала первый JFET ОУ). ИС – это круглый металлический цилиндрик; тогда такие корпуса были популярными, и помогали экранировать ОУ от шума. Наконец, выход ИС проходит через второй чоппер и фильтр для демодуляции.
Плата ОУ с аналогового компьютера, с размеченными функциональными группами. Хотя плата использует ОУ с ИС, для достижения необходимой эффективности работы ОУ требуется дополнительная обвеска. С левой стороны идут контакты, и вот результат моего реверс-инжиниринга платы: L: balance in K: chopper ground J: overload signal out H: chopper drive in F: ground E: ground D: -15V C: +15V B: op amp output A: unused
Затем вторая входящая дорожка комбинируется с выходом усилителя постоянного тока. Большая часть ОУ основана на использовании дифференциальной пары, и эта плата не является исключением. В дифференциальной паре два транзистора выдают большое усиление разницы между двумя входящими сигналами. Входящими сигналами дифференциальной пары служат входящий сигнал платы и сигнал от чоппер-усилителя постоянного тока, поэтому она усиливает как первоначальный вход, так и постоянный сигнал. Чтобы ОУ работал правильно, два транзистора в дифференциальной паре должны быть идеально сбалансированы. В частности, транзисторы должны работать при одинаковой температуре, поэтому они соединяются металлической клипсой.
Важные транзисторы соединяются металлической клипсой, чтобы они работали при одинаковой температуре. Дифференциальная пара справа, а слева – буферные транзисторы входящего сигнала.
Третья входная дорожка идёт на усилитель переменного сигнала. Входящий сигнал проходит через фильтр высоких частот (резистор и конденсатор), а потом через простой транзисторный буфер. Сигнал «прямого распространения» комбинируется с выходом дифференциальной пары, чтобы улучшить частотный отклик усилителя. В этом месте входной сигнал усилен тремя разными способами, что даёт хорошее качество и на низких, и на высоких частотах.
Последний этап платы ОУ – выходной усилитель, дающий сильный ток, который используется в остальном компьютере. Он представляет собой усилитель класса АВ. В то время отдельным транзисторам не хватало мощности, поэтому он использует два NPN-транзистора и два PNP-транзистора.
У каждой платы вход и выход подведены к коммутационной панели. Ниже на фото панели ОУ (от А1 до А4) имеют форму кусочков пирога; входы у них зелёные, а выходы красные. ОУ, используемые в интеграторах, также подключены к интегрирующим конденсаторам.
Крупный план коммутационной панели с разъёмами для А1, А3 и А4. Входы зелёные, выходы красные. Начальные условия IC белые. Разъёмы потенциометров жёлтые.
На коммутационной панели у каждого ОУ есть несколько входных разъёмов с различными значениями резисторов для масштабирования; это числа 10 и 100 на фото. На фото ниже показаны эти высокоточные резисторы (чёрные цилиндры), напрямую подключённые к контактам коммутационной панели. Входы интеграторов управляются реле (ниже) и электронными переключателями, чтобы аналоговый компьютер мог инициализировать интегрирующие конденсаторы, запустить вычисление и сохранить результат для анализа.
Резисторы (чёрные цилиндры) напрямую подключены к контактам коммутационной панели. Реле в середине управляют различными состояниями компьютера: начальные условия, работа, удержание. Платы подключаются к зелёным контактам внизу.
В статье обсуждаются особенности топологии одиночных, сдвоенных и счетверенных операционных усилителей (ОУ) и влияние конструкции на их параметры. Рассмотрены некоторые виды схем на базе ОУ и показано, в каком случае лучше выбрать одиночный, а в каком — сдвоенный или счетверенный вариант ОУ. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].
Очевидным подходом при проектировании схем, где требуется много операционных усилителей, является использование сдвоенных или счетверенных ОУ. Во многих случаях это не влияет на параметры системы, однако для некоторых схем тщательный выбор между одиночными, сдвоенными и счетверенными ОУ, а также правильное размещение этих компонентов на плате могут улучшить характеристики схемы.
Одним их важных положений, выдвинутых еще первым исследователем монолитных ОУ Бобом Уидларом (Bob Widlar), было то, что интегральные схемы следует проектировать на основе согласования параметров компонентов, а не исходя из абсолютных номиналов резисторов или транзисторов. Этот принцип можно применить и при проектировании печатных плат, в которых используется много ОУ.
Действительно ли сдвоенный ОУ — это два ОУ или это один прибор с двумя функциями?
Существует мнение, что сдвоенный ОУ — это два отдельных ОУ, однако есть довольно тонкие различия между монолитной сдвоенной микросхемой и двумя отдельными микросхемами на плате, которые могут вызвать ряд проблем. Поскольку два ОУ расположены рядом на одном кристалле кремния, следует учитывать некоторые электрические и тепловые эффекты при использовании сдвоенного ОУ.
Влияние тепловых эффектов известно более 30 лет [2]. При изменении выходного напряжения ОУ изменяется и тепловое рассеивание, и тепловая волна распространяется по кристаллу по направлению ко входному каскаду, нарушая равновесие на входе и вызывая появление электрического сигнала. Тепловая волна может влиять на обе части сдвоенного ОУ, даже если они электрически разделены.
Наблюдаются также и электрические эффекты. Для уменьшения размера кристалла и, следовательно, стоимости прибора, некоторые узлы схемы, например, цепи смещения и запуска, делают общими для обоих каналов ОУ. Если один канал ОУ выйдет за допустимые пределы условий работы и вызовет отказ схемы смещения, то функционирование другого ОУ также нарушится. Кроме того, при использовании одной пары выводов питания проволочные соединения и некоторые металлизированные проводники на кристалле проводят ток, общий для обоих каналов ОУ. Ток, потребляемый в одной части кристалла, вызовет падение напряжения, степень влияния которого на другой канал ОУ зависит от коэффициента подавления помех по питанию (PSRR), изменяющегося с частотой.
При использовании сдвоенных ОУ имеются свои преимущества и недостатки. Некоторые из преимуществ достаточно очевидны. Во-первых, установка одного корпуса вместо двух снижает стоимость производства системы. Во-вторых, большинство производителей, как правило, предлагает сдвоенные ОУ по более низким ценам, чем два одиночных ОУ. За счет объединения некоторых узлов схемы площадь кристалла сдвоенного ОУ, как правило, меньше, чем удвоенная площадь кристалла одиночного ОУ. Третий момент: время измерения простых приборов, таких как ОУ, которое выполняется на высокоскоростной автоматизированной тестовой системе, ограничено, поэтому стоимость измерения одной функции также меньше. Эти же соображения верны и для стоимости корпуса. Наконец, т.к. два ОУ расположены на пластине очень близко друг к другу, электрические характеристики двух схем, которые обычно не оговорены техническими условиями, тоже очень схожи.
Есть, однако, и некоторые недостатки. При реализации двух или четырех схем в одном корпусе рассеивание мощности увеличивается. Для узкополосных и низковольтовых ОУ (с малым потреблением мощности) это увеличение приводит к незначительному (около 5°C) возрастанию температуры перехода. Для высокоскоростных ОУ, работающих на низкоимпедансную нагрузку, например, на коаксиальный кабель, такое увеличение может быть значительным, достигая едва ли не 30°C. Из-за механических напряжений в кристалле максимальное напряжение смещения для счетверенного ОУ будет выше, чем для сдвоенного или одиночного ОУ. В некоторых случаях сдвоенные ОУ будут иметь более высокое напряжение смещения, чем одиночные ОУ, а счетверенные будут иметь более высокое смещение, чем сдвоенные.
Кроме того, проблему представляют и перекрестные помехи, которые возникают из-за тепловых и электрических эффектов в кристалле. Как уже было сказано, тепловая волна от одного канала ОУ вызывает разбалансировку входного каскада другого канала сдвоенного ОУ. Это проявляется как низкочастотная обратная связь. К тому же, при использовании одного набора выводов питания для микросхемы сопротивление проволочного соединения является общим для всех каналов ОУ, поэтому ток большой нагрузки одной части схемы вызовет падение напряжения на проволочных соединениях. Коэффициент подавления помех по питанию ОУ не является бесконечной величиной, поэтому часть помех будет наводиться на другие части схемы. PSRR уменьшается с увеличением частоты, поэтому помехи проявляются, в основном, на частотах выше 5…10 кГц.
Влияние топологии на характеристики ОУ
Чтобы понять, почему происходят эти эффекты, полезно посмотреть, как устроены одиночные, сдвоенные и счетверенные ОУ.
Входной каскад
Обычно в качестве входного каскада ОУ используется дифференциальная пара. Она может быть выполнена на биполярных транзисторах как npn-, так и pnp-типа или построена на n- или p-канальных MOSFET или же на n- или p-канальных JFET.
Общая проблема для всех вариантов состоит в том, что если температура одного транзистора дифференциальной пары отличается от температуры другого транзистора даже на десятую долю градуса, то каскад будет разбалансирован. При коэффициенте усиления более 100 тыс. это может повлиять на выходное напряжение. Когда выходной каскад рассеивает мощность, тепловая волна перемещается через кристалл ко входному каскаду. Если входной каскад находится сравнительно далеко от выходного, изотермы будут представлять собой почти параллельные линии. Если два входных транзистора расположить таким образом, что волна достигнет обоих транзисторов в одно и то же время, равновесие на входе не нарушится.
Это неплохая идея, но можно предложить и лучшее решение. Если разделить каждый из входных транзисторов на два транзистора и соединить их перекрестно, то тепловая волна будет воздействовать на обе части схемы в меньшей степени, чем если бы транзисторов было только два. Термин «счетверенный ОУ с перекрестным соединением» имеет несколько значений, и это наиболее распространенное из них.
Имеются и другие методы оптимизации топологии кристалла в связи с влиянием в нем напряжений, температурного коэффициента резисторов и других факторов, которые подробно освещены в [3].
Расположение выводов корпуса
В [1] подробно перечислены топологии расположения выводов корпуса, и мы не будем подробно их описывать. Отметим лишь, что оптимальная топология для сдвоенного ОУ не является оптимальной для счетверенного ОУ. Можно, конечно, спроектировать индивидуальные топологии для одиночного, сдвоенного и счетверенного ОУ, но с учетом времени вывода изделия на рынок и стоимости проектирования стандартным подходом является повторное использование существенных частей проекта. Когда в семействе ОУ планируются только одиночные и сдвоенные версии, то обычно оптимизируется топология сдвоенного варианта.
Как-то довольно давно один из производителей создал счетверенный ОУ, который демонстрировал весьма хорошие характеристики. Секрет был в использовании специальной выводной рамки, в которой размещалось два сдвоенных кристалла, т.е. прибор представлял собой гибридное устройство или многокристальный модуль. Это требовало выполнения сборки прибора либо на заводе-изготовителе, либо в компании, специализирующейся на сборке. Конечный процент выхода годных такого прибора приблизительно равен произведению процентов выхода годных отдельных кристаллов. Например, если выход годных кристалла равен 99%, то конечный процент выхода годных прибора был бы равен 0,99 × 0,99 = 98,01%, что вполне допустимо. Если же процент выхода годных кристалла равен 90%, что вполне возможно для приборов с весьма малыми допусками на параметры, то общий выход годных будет равен 0,9 × 0,9 = 81%.
Примеры удачных схем
С учетом сложного взаимодействия между каналами ОУ возникает вопрос: когда имеет смысл использовать согласованные характеристики сдвоенных ОУ? Приходят на ум два довольно распространенных приложения: построение инструментального усилителя, состоящего из трех ОУ, и схема компенсации фазы для критичных приложений. Схема классического инструментального усилителя, состоящего из трех ОУ, показана на рисунке 1.
Рис. 1. Принципиальная схема инструментального усилителя, состоящего из трех ОУ |
Как правило, для этого приложения предпочитают использовать счетверенные ОУ, однако заметим, что A1 и A2 могут работать с коэффициентом усиления шума равным пяти, десяти и выше. Это означает, что следует уделить особое внимание напряжению входного смещения и напряжению шума на входе. A3 имеет другие требования, поэтому для него целесообразно использовать другой тип ОУ. A3 обычно работает при значительно меньшем значении коэффициента усиления, и уровень его входного шума по отношению к общему входу инструментального усилителя делится на коэффициент усиления первого каскада, поэтому он менее важен. Наконец, нагрузка для третьего ОУ, в общем случае, больше, чем для первых двух ОУ.
Смещение входного каскада будет зависеть от напряжения смещения операционных усилителей A1 и A2. На рынке имеется немного сдвоенных ОУ, которые имеют гарантированное согласование двух каналов. Даже если согласование не гарантируется, то всегда стараются обеспечить достаточное согласование двух ОУ. Например, максимальный температурный дрейф напряжения смещения AD8599 равен 2,2 мкВ/°C, и хотя согласование не предусмотрено техническими условиями, измерения на случайной выборке из 100 приборов показали максимальную разницу по этому параметру менее 1 мкВ/°C.
При проектировании системы следует учитывать наихудшее сочетание параметров и использовать максимальное значение напряжения смещения Vos, указанное в технической документации для схем в интегральном исполнении. Одним из наиболее важных параметров инструментального усилителя является коэффициент подавления синфазной помехи (CMRR). Согласование ОУ A1 и A2 по CMRR позволяет улучшить общую величину CMRR. Это главная причина, по которой стараются использовать монолитный сдвоенный ОУ для входного каскада в этом приложении.
Нагрузка для A1 и A2 не является большой, однако для A3 нагрузка может быть довольно значительной, поэтому с точки зрения электрических и тепловых факторов лучше использовать монолитный сдвоенный и одиночный ОУ. В пользу этого говорит и возможность более простой разводки. Заметим, что коэффициент подавления синфазной помехи по постоянному и переменному току для выходного каскада существенно зависит от согласования резисторов и паразитных емкостей, что часто игнорируют.
Современный технологический процесс позволяет создать монолитный дифференциальный усилитель с лазерной подгонкой тонкопленочных резисторов (например, AD8271), который стоит меньше и обеспечивает лучшие характеристики, чем дискретный ОУ с четырьмя резисторами с 0,1-% допусками. В зависимости от требуемой величины CMRR на данной частоте, площади на печатной плате, точности системы и тока потребления можно выбрать полный монолитный инструментальный усилитель, например, AD8226.
Мониторинг шин питания
В системе с однополярным питанием сдвиг фазы составляет 45°, когда амплитуда уменьшается на 3 дБ. Расчетные значения фазо- и амплитудно-частотных характеристик приведены в таблице 1. Заметим, что даже на частоте в 100 раз ниже частоты среза сдвиг фазы еще превышает полградуса, а амплитуда немного меньше допустимой величины. Для систем, в которых следует обеспечить высокую точность как по амплитуде, так и по фазе, например, для систем мониторинга линий питания, можно использовать характеристики по переменному току одного канала ОУ для того, чтобы компенсировать фазовую характеристику другого канала ОУ.
Таблица 1. Зависимость сдвига фазы и амплитуды от частота перегиба
Нормализованная частота перегиба | Сдвиг фазы, град. | Амплитуда, дБ |
0,001 | 0,057 | -4,34E-6 |
0,01 | 0,573 | -4,34E-4 |
0,1 | 5,71 | -0,086 |
0,5 | 26,57 | -0,969 |
1(fp) | 45 | -3,01 |
2 | 63,43 | -4,77 |
10 | 84,29 | -20,04 |
100 | 89,43 | -40,00 |
Базовая концепция такого подхода показана на рисунке 2. На рисунке 3 изображены фазовые характеристики для обычной однополюсной системы (на графике она обозначена как «нескомпенсированная») и для системы, показанной на рисунке 2 (на графике она обозначена как «скомпенсированная»).
Рис. 2. Схема компенсации фазы на сдвоенном ОУ |
Рис. 3. Фазовые характеристики обычной однополюсной системы и схемы с компенсацией фазы, показанной на рисунке 2 |
Примеры неудачных схем
Счетверенный ОУ в сигнальной цепи
Для сигналов величиной несколько милливольт сигнальная цепь должна иметь малый уровень шума для того, чтобы поддерживать приемлемый уровень общего отношения сигнал-шум. Распределяя коэффициент усиления по цепи и выбирая соответствующий одиночный, сдвоенный или счетверенный ОУ, можно улучшить характеристики и снизить общую стоимость такой схемы. Например, при максимальном входном сигнале равном 50 мВ, 10-В напряжении и 2-кОм резисторе на выходе, потребуется коэффициент усиления равный 200.
Четыре блока сигнальной цепи, показанной на рисунке 4, могут быть сконфигурированы как буфер, инвертирующий суммирующий усилитель с коэффициентом усиления –1 для регулировки смещения всей сигнальной цепи, фильтр Саллена-Кея с коэффициентом усиления 1 или усилительный каскад с коэффициентом усиления 200.
Для реализации общих требований к сигнальной цепи из четырех блоков можно было бы выбрать счетверенный ОУ. Однако это бы- ло бы плохим решением по нескольким причинам.
1. Для того чтобы получить низкий уровень шума в первом каскаде, необходимо было бы выбрать счетверенный ОУ с малым уровнем шума, например, AD8674.
2. На печатной плате в этом случае возникнет паразитная емкостная связь между выходным и входным каскадами и тепловая связь на кристалле между каналами ОУ.
3. Для последнего каскада потребуется большая величина произведения коэффициента усиления на ширину полосы пропускания.
Лучшим решением (хотя и не единственным) было бы введение большего усиления в начальных каскадах сигнальной цепи. Слишком большое усиление в начальных каскадах может привести к перегрузке промежуточного каскада. Если коэффициент усиления в первом каскаде равен десяти, то вклад собственного шума второго каскада в суммарный шум уменьшается в 10 раз. Поскольку каждый каскад добавляет усиление, то требования к последующему каскаду снижаются.
Таким образом, покупка дорогого счетверенного ОУ с низким уровнем шума и использование его для всех четырех блоков не является столь экономически выгодным решением, как использование сдвоенного ОУ с низким уровнем шума для первых двух каскадов и недорогого сдвоенного ОУ общего назначения для последних двух каскадов.
Усилитель наушников
Даже если было бы возможно создать превосходный сдвоенный ОУ на кремниевом кристалле, имелся бы ряд проблем, связанных с корпусом и печатной платой. Сдвоенные и счетверенные ОУ имеют один общий набор выводов питания, а не два или четыре. Сопротивление проволочного соединения может составлять 50…100 мОм, поэтому использование одного канала сдвоенного ОУ для питания током 100…200 мА наушников с низким импедансом может вызвать проблемы.
Предполагается, что все символы, обозначающие «землю» на типовой электрической схеме, отражают тот факт, что в этой точке напряжение равно 0 В, но это не совсем верно. В одной точке земляной шины напряжение действительно равно 0 В, но из-за падения напряжения в других точках земляной шины потенциал на самом деле на мкВ выше или ниже 0 В. Из-за того, что проводник печатной платы длиной 1 дюйм может иметь сопротивление 50 мОм, в самых неожиданных местах схемы может возникать дополнительное падение напряжения.
Идеальная схема стереоусилителя наушников на базе двух ОУ теоретически имеет бесконечное разделение каналов. Однако в реальной схеме разделение каналов может не превышать 60 дБ. Дело в том, что проволочные соединения и металлизация на кристалле могут вносить перекрестные помехи, однако основной вклад в ухудшение характеристик схемы вносит проводник печатной платы длиной четверть дюйма, который является общим проводником для нагрузки левого канала и источника сигнала правого канала. Использование двух одиночных ОУ в этом случае позволило бы улучшить характеристики, снизить температуру перехода, повысить надежность и упростить топологию печатной платы усилителя наушников.
Заключение
Для того чтобы получить наилучшие характеристики и снизить стоимость системы, необходимо оценить условия в каждом узле схемы и принять решение об использовании наиболее подходящего ОУ. При автоматизированном монтаже плат и малых размерах корпуса использование одиночных и сдвоенных ОУ вместо счетверенных может не повлиять на общую стоимость системы. Принимая во внимание топологию печатной платы, характеристики системы в диапазоне температур, требуемое разделение каналов, согласование фазы и стоимость, можно выбрать наилучшее сочетание одиночных и сдвоенных ОУ в схеме.
Литература
1. Harry Holt. Op amps: to dual or not to dual?//www.eetimes.com.
2. James Solomon. The Monolithic Op Amp: A Tutorial Study//IEEE JSSC Vol. SC-9, No. 6 Dec.1974.
3. Alan Hastings. Art of A nalog Layout. 2nd Ed//Prentice Hall, 2005.
Микросхема К140УД20(А,Б)
Параметры микросхемы К140УД20(А,Б)
140УД20 — сдвоенный операционный усилитель (140УД7 x 2). Корпус КР140УД20 типа 201.14-1, 140УД20, К140УД20, КМ140УД20 — типа 201.14-10, Н140УД20 — типа Н04.16-2В, КБ140УД20-4 — бескорпусный ОУ.
Корпус КР140УД20
|
Цоколевка корпусов
Электрическая схема
Типовые рабочие характеристики
Схема включения
Электрические параметры при Uп= 15 В, Rн= 2к, Т=25 ° C
1 | Напряжение питания | 15 В 10% |
2 | Максимальное выходное напряжение при Uп= 15 В при Uп= 13,5 В | не менее 11,5 В не менее 10,5 В |
3 | Напряжение смещения нуля при Uп= 15 В 140УД20А, К140УД20А, КР140УД20А, Н140УД20А 140УД20Б, К140УД20Б, КР140УД20Б, Н140УД20Б, КМ140УД20, КБ140УД20-4 при Uп= 16,5 В 140УД20А, К140УД20А, КР140УД20А, Н140УД20А 140УД20Б, К140УД20Б, КР140УД20Б, Н140УД20Б, КМ140УД20, КБ140УД20-4 | не более 3 мВ не более 6 мВ не более 4,5 мВ не более 6,5 мВ |
4 | Входной ток 140УД20А, К140УД20А, КР140УД20А, Н140УД20А 140УД20Б, К140УД20Б, КР140УД20Б, Н140УД20Б, КМ140УД20, КБ140УД20-4 | не более 80 нА не более 200 нА |
5 | Ток потребления при Uп= 15 В 140УД20А, К140УД20А, КР140УД20А, Н140УД20А 140УД20Б, К140УД20Б, КР140УД20Б, Н140УД20Б, КМ140УД20, КБ140УД20-4 при Uп= 16,5 В 140УД20А, К140УД20А, КР140УД20А, Н140УД20А 140УД20Б, К140УД20Б, КР140УД20Б, Н140УД20Б, КМ140УД20, КБ140УД20-4 | не более 2,8 мА не более 3,3 мА не более 2,8 мА не более 3,3 мА |
6 | Разность входных токов при при Uп= 15 В 140УД20А, К140УД20А, КР140УД20А, Н140УД20А 140УД20Б, К140УД20Б, КР140УД20Б, Н140УД20Б, КМ140УД20, КБ140УД20-4 при при Uп= 16,5 В 140УД20А, К140УД20А, КР140УД20А, Н140УД20А 140УД20Б, К140УД20Б, КР140УД20Б, Н140УД20Б, КМ140УД20, КБ140УД20-4 | не более 30 нА не более 50 нА не более 30 нА не более 50 нА |
7 | Коэффициент усиления напряжения при Uп= 15 В 140УД20А, К140УД20А, КР140УД20А, Н140УД20А 140УД20Б, К140УД20Б, КР140УД20Б, Н140УД20Б, КМ140УД20, КБ140УД20-4 при Uп= 13,5 В 140УД20А, К140УД20А, КР140УД20А, Н140УД20А 140УД20Б, К140УД20Б, КР140УД20Б, Н140УД20Б, КМ140УД20, КБ140УД20-4 | не менее 50000 не менее 25000 не менее 50000 не менее 25000 |
8 | Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений | не менее 70 дБ |
9 | Синфазное входное напряжение | не менее 12 В |
10 | Коэффициент влияния нестабильности источников питания на напряжение смещения | не более 150 мкВ/В |
11 | Частота единичного усиления | не менее 0,5 МГц |
12 | Скорость нарастания выходного напряжения | не менее 0,3 В/мкс |
Предельно допустимые режимы эксплуатации
1 | Напряжение питания | (8…19,5) В |
2 | Входное синфазное напряжение | не более 14,5 В |
3 | Входное дифференциальное напряжение | не более 7 В |
4 | Температура окружающей среды 140УД20, Н140УД20 КМ140УД20 КР140УД20 | -60…+125 ° C -45…+85 ° C -10…+70 ° C |
Литература
Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги
: Справочник. Том 7./А. В. Нефедов. — М.:ИП РадиоСофт, 1999г. — 640с.:ил.
Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги
Справочник. Перельман Б.Л.,Шевелев В.И. «НТЦ Микротех», 1998г.,376 с. — ISBN-5-85823-006-7
Операционные усилители
Справочник. том 1 М.,»Физматлит», 1993 г.,240 с. — ISBN 5-02-015113-0
Добавить ссылку на обсуждение статьи на форуме
РадиоКот >Статьи >
Теги статьи: | Добавить тег |
Практическое применение операционных усилителей.Часть первая.
Автор: Опубликовано 01.01.1970
Часть первая.
Всем привет. В этой статье мы обсудим некоторые аспекты практического применения операционных усилителей в повседневной жизни радиолюбителя. Не растекаясь мыслею по древу и не вдаваясь в дремучие теоретические основы работы вышеозначенного усилителя, давайте все же обозначим некоторые основные термины и понятия, с которыми нам предстоит столкнуться в дальнейшем. Итак — операционный усилитель. Далее будем называть его ОУ, а то очень лень писать каждый раз полностью. На принципиальных схемах, чаще всего, он обозначается следующим образом:
На рисунке обозначены три самых главных вывода ОУ — два входа и выход. Разумеется, есть еще выводы питания и иногда выводы частотной коррекции, хотя последнее встречается все реже — у большинства современных ОУ она встроенная. Два входа ОУ — Инвертирующий и Неинвертирующий названы так по присущим им свойствам. Если подать сигнал на Инвертирующий вход, то на выходе мы получим инвертированный сигнал, то бишь сдвинутый по фазе на 180 градусов — зеркальный; если же подать сигнал на Неинвертирующий вход, то на выходе мы получим фазово не измененный сигнал.
Так же как и основных выводов, основных свойств ОУ тоже три — можно назвать их ТриО (или ООО — кому как нравится): Очень высокое сопротивление входа, Очень высокий коэффициент усиления (10000 и более), Очень низкое сопротивление выхода. Еще один очень важный параметр ОУ называется скорость нарастания напряжения на выходе (slew rate на буржуинском). Обозначает он фактически быстродействие данного ОУ — как быстро он сможет изменить напряжение на выходе при изменение оного на входе. Измеряется этот параметр в вольтах в секунду (В/сек). Этот параметр важен прежде всего для товарищей, конструирующих УЗЧ, поскольку, если ОУ недостаточно быстрый, то он не будет успевать за входным напряжением на высоких частотах и возникнут изрядные нелинейные искажения. У большинства современных ОУ общего назначения скорость нарастания сигнала от 10В/мксек и выше. У быстродействующих ОУ этот параметр может достигать значения 1000В/мксек. Оценить — подходит ли тот или иной ОУ для ваших целей по скорости нарастания сигнала можно по формуле:
где, fmax — частота синусоидального сигнала, Vmax — скорость нарастания сигнала, Uвых — максимальное выходное напряжение. Ну да не будем больше тянуть кота за хвост — приступим к главной задаче этого опуса — куда, собственно, эти клевые штуки можно воткнуть и что из этого можно получить.
Первая схема включения ОУ — инвертирующий усилитель
.
Наиболее популярная и часто встречающаяся схема усилителя на ОУ. Входной сигнал подается на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход подключается к общему проводу. Коэффициент усиления определяется соотношением резисторов R1 и R2 и считается по формуле:
Почему «минус»? Потому что, как мы помним, в инвертирующем усилителе фаза выходного сигнала «зеркальна» фазе входного. Входное сопротивление определяется резистором R1. Ежели его сопротивление, например 100кОм, то и входное сопротивление усилителя будет 100кОм.
Следующая схема — инвертирующий усилитель с повышенным входным сопротивлением
. Предыдущая схема всем хороша, за исключением одного нюанса — соотношение входного сопротивления и коэффициента усиления может не подойти для реализации какого-либо специфического проекта. Ведь что получается — допустим, нам нужен усилитель с К=100. Тогда, исходя из того, что значения резисторов должны быть в разумных пределах берем R2=1Мом, а R1=10кОм. То есть, входное сопротивление усилителя будет равным 10 кОм, что в некоторых случаях недостаточно. В этих самых случая можно применить следующую схему:
В данном случае, коэффициент усиления считается по следующей формуле:
То есть, при том же коэффициенте усиление сопротивление R1 можно увеличить, а значит и повысить входное сопротивление усилителя.
Едем дальше — неинвертирующий усилитель
. Выглядит он следующим образом:
Коэффициент усиления определяется так:
В данном случае, как видите, никаких минусов нет — фаза сигнала на входе и на выходе совпадает. Основное отличие от инвертирующего усилителя заключается в повышенном входном сопротивлении, которое может достигать 10Мом и выше. Если при реализации данной схемы в практических конструкциях, необходимо предусмотреть развязку с предыдущими каскадами по постоянному току — установить разделительный конденсатор, то нужно между входом ОУ и общим проводом включить резистор сопротивлением около 100кОм, как показано на рисунке.
Если этого не сделать, то ОУ перевозбудится и ничего дельного вы от него не получите. Ну кроме половины питания на выходе.
Усилитель с изменяемым коэффициентом усиления
.
Примем R1=R2=R3=R. И введем некую переменную А, которая может принимать значения от 1 до 0 в зависимости от поворота движка переменного резистора R3. Тогда коэффициент усиления можно определить так: K=2A-1 Входное сопротивление практически не зависит от положения движка переменного резистора. Так, с усилителями разобрались — дальше у нас по плану — фильтры.
Вопросы, как обычно, складываем тут.
Как вам эта статья? | Заработало ли это устройство у вас? | |
57 | 3 | 1 |
4 | 0 |