Высоковольтный операционный усилитель – OPA454 – мощный и высоковольтный

OPA454 – мощный и высоковольтный

11 июня 2008

 

Краткое описание

OPA454 — новый недорогой высоковольтный операционный усилитель компании Texas Instruments с выходным током более 50 мА и полосой пропускания 2,5 МГц. Одно из преимуществ — высокая стабильность OPA454 при единичном коэффициенте усиления. Внутри ОУ организована защита от превышения температуры и перегрузки по току. Работоспособность ИС сохраняется в широком диапазоне напряжений питания от ±5 до ±50 В или, в случае однополярного питания, от 10 до 100 В (максимум 120 В). У OPA454 существует дополнительный вывод «Status Flag» — статусный выход ОУ с открытым стоком, — что позволяет работать с логикой любого уровня. Этот высоковольтный операционный усилитель обладает высокой точностью, широким диапазоном выходных напряжений, не вызывает проблем при инвертировании фазы, которые часто встречаются при работе с простыми усилителями.

Технические особенности OPA454:

  • Широкий диапазон питающих напряжений от ±5 В (10 В) до ±50 В (100 В)
  • (предельно до 120 В)
  • Большой максимальный выходной ток > ±50 мА
  • Широкий диапазон выходных напряжений от Uпит. до 1 В
  • Широкий диапазон рабочих температур от -40 до 85°С (предельно от -55 до 125°С)
  • Корпусное исполнение SOIC или HSOP (PowerPADTM)

Подключение и применение

На рисунке 1 показана базовая схема включения OPA454 в качестве неинвертирующего усилителя.

 

 

Рис. 1. Базовая неинвертирующая схема включения усилителя OPA454

Питание, как уже упоминалось, может быть выбрано любое в диапазоне от ±5 до ±50 В при сохранении всех характеристик. При этом выводы питания обязательно должны быть зашунтированы относительно общего провода конденсаторами емкостью более 0,1 мкФ. В некоторых приложениях положительное и отрицательное напряжения питания не равны, для этого ОУ OPA454 способен работать с большой разницей питающих напряжений — от 10 до 100 вольт. К примеру, положительное напряжение может быть выбрано +90 В, а отрицательное -10  В.

При необходимости выход ОУ может быть независимо отключен, для чего требуется соединить вход «Enable/Disable» c его собственным «общим» выводом «Enable/Disable Common», что упрощает «стыковку» с низковольтной логикой. При таком отключении сигнальная часть остается нетронутой, что в большей степени необходимо для защиты нагрузки.

Защита входных цепей

ОУ OPA454 имеет усиленную защиту от повышенного напряжения между прямым и инверсным входами. Защита также сработает, если напряжение на любом из входов превысит напряжение питания. Входные JFET-транзисторы во внештатной ситуации ограничивают входной ток на безопасном уровне 4 мА. Для дополнительной безопасности OPA454 имеет диэлектрическую изоляцию внешней металлической площадки, предназначенной для организации дополнительного охлаждения (стандартные корпуса SOIC и HSOP с модификацией PowerPADTM).

Увеличение максимального выходного тока

ОУ OPA454 позволяет без потерь в качественных параметрах работать с токами в нагрузке, превышающими 50 мА. Для увеличения выходного тока разрешается соединять от двух и более ОУ в параллель, как показано на рисунке 2а.

 

 

Рис. 2. Примеры схем включения OPA454 для увеличения максимального выходного тока

По такой схеме усилитель А1 является «ведущим» и может работать в любой схемной конфигурации. Усилитель А2 является «зависимым» и выполняет лишь роль буфера с единичным усилением. Как альтернативное решение для усиления тока может быть использована схема с дополнительными внешними выходными транзисторами, как показано на рисунке 2б. С применением указанных транзисторов схема способна работать с токами в нагрузке до 1 А.

Выводы «ENABLE» и «E/D Com»

Если вывод «E/D Com» оставить неподключенным, то он «подтянется» напрямую к «V-» (шине отрицательного питания) через внутренний источник тока 10 мкА. Если же не подключить вывод «ENABLE», то потенциал на нем удержится примерно на уровне 2 В относительно вывода «E/D Com» через дополнительный источник тока 1 мкА. Когда выводы «ENABLE» и «E/D Com» не подключены, даже умеренно быстрый сигнал отрицательной полярности через емкостную связь с выводом «ENABLE» может перевести ОУ в режим ожидания («shutdown»). Если функция и вывод «ENABLE» не будут использоваться, то рекомендуется шунтировать этот вывод конденсатором 30 пФ или через внешний источник тока подключить его к шине «V+» (к шине положительного питания). На рисунке 3 показаны варианты подключения выводов «ENABLE» и «E/D Com».

 

 

Рис. 3. Варианты схем подключения выводов «ENABLE» и «E/D Com»

Если резистор RP будет равен 1 МОм, то при положительном питании +50 В, ток IP будет равен 50 мкА.

Токовая защита

На рисунке 4 изображены графики работы токовой защиты OPA454.

 

 

Рис. 4. Зависимость тока срабатывания защиты от температуры (а) и задержка оповещения
о перегрузке (выход «Status Flag») (б)

На графике слева можно видеть зависимость уровней тока срабатывания защиты (по втекающему и вытекающему току отдельно) от температуры окружающей среды, справа отображена осциллограмма типовой задержки статусного выхода «Status Flag». Ток в OPA454 измеряется непосредственно на выходных транзисторах и линейно ограничивается схемой защиты. В состоянии токовой перегрузки ИС будет работать до тех пор, пока температура кристалла не поднимется до уровня 150°С, что приведет к срабатыванию защиты по температуре. С достаточным радиатором и при использовании минимально возможного напряжения питания, OPA454 может сколь угодно долго оставаться в режиме ограничения тока и без срабатывания температурной защиты.

Температурная защита

Как уже говорилось ранее, при повышении температуры кристалла до 150°С срабатывает встроенная температурная защита. При этом триггерная схема переключает ОУ в режим ожидания («shutdown»), переводя выход OPA454 в безопасное высокоимпедансное состояние. Когда температура кристалла снизится до 130°С, нормальный режим работы ОУ автоматически восстановится. Такая температурная защита необходима для предотвращения выхода ОУ из безопасной области работы, даже при длительном замыкании выхода на шину общего провода или шину любого из питающих напряжений.

Корпусное исполнение

OPA454 выпускается в двух корпусах SO-8 и HSOP-20 с современной модификацией PowerPAD, благодаря чему удалось получить крайне низкое тепловое сопротивление между кристаллом и внешней частью корпуса. Главная конструктивная особенность этих корпусов — наличие открытой металлической площадки для отвода тепла, которая находится в прямом термоконтакте с кристаллом (рисунок 5).

 

 

Рис. 5. Корпуса SO-8 и HSOP-20 с модификацией PowerPAD (вид в разрезе)

Типовые схемы применения

На рисунках 6 и 7 отображены схемы программируемого источника напряжения и мостового удвоителя напряжения соответственно.

 

 

Рис. 6. Программируемый источник напряжения

 

 

Рис. 7. Мостовая схема с удвоением максимального выходного напряжения (пример для пьезоэлектрической пластины)

Как показано на рисунке 8, используя три OPA454, можно создать высоковольтный инструментальный усилитель.

 

 

Рис. 8. Высоковольтный инструментальный усилитель

Сумма напряжений VСМ±VSIG должна находиться в пределах от (V-) +2,5 В до (V+) -2,5 В. Максимальное напряжение питания по такой схеме не может быть больше чем ±50 В.

Для того чтобы измерять ток при помощи резистивного шунта, расположенного на основной шине питания, можно воспользоваться схемой на рисунке 9 (за основу взята предыдущая схема).

 

 

Рис. 9. Усилитель сигнала токового шунта по основной шине питания

VSUPPLY (напряжение на источнике питания) по такой схеме может быть любой полярности. Для примера, если V+ = +50 В и V- = -50 В, то максимальное значение V1 может быть +47,5 В, а минимальное значение V2 составляет -47,5 В.

На рисунках 10 и 11 показаны варианты включения нескольких OPA454 для увеличения максимального выходного напряжения.

 

 

Рис. 10. Неинвертирующая (а) и инвертирующая (б) схемы удвоения максимального выходного напряжения с использованием трех OPA454

 

 

 

Рис. 11. Мостовой усилитель с максимальным выходным напряжением ±195 В

На сегодняшний день все существующие ОУ с рабочим напряжением около 100 В уступают по техническим характеристикам OPA454 или многократно проигрывают по стоимости. Функциональные особенности легко позволяют ОУ OPA454 быть комплементарно совместимым с широким диапазоном операционных усилителей, источников опорного напряжения, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, микроконтроллеров и стандартной логики.

Компания Texas Instruments, следуя своим правилам, предлагает разработчикам электронной техники ознакомиться с работой OPA454, предоставив возможность воспользоваться услугой заказа бесплатных образцов.

Подробное техническое описание OPA454: http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/opa454.pdf .

 

 

Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail: [email protected]  

Новые источники опорного напряжения

Компания Texas Instruments представила два новых семейства источников опорного напряжения REF50xx и REF33xx, которые предназначены для высокоточных промышленных приложений, а также для малопотребляющих портативных устройств. REF50xx имеет максимальный показатель нестабильность 3 ppm/°C, точность 0,05% и уровень шума 3 мкВpp/В. Сочетание этих параметров является оптимальным для работы с большинством промышленных АЦП высокого разрешения. REF33xx имеет низкий максимальный уровень тока покоя до 5 мкА, выходной ток до 5 мА и способен работать от напряжения питания 1,8 В, что делает его идеальным для работы в портативных приложениях.

•••

Наши информационные каналы

www.compel.ru

Высоковольтные операционные усилители справочник — полная и подробная информация

Большинство аудиолюбителей достаточно категорично и не готово к компромиссам при выборе аппаратуры, справедливо полагая, что воспринимаемый звук обязан быть чистым, сильным и впечатляющим. Как этого добиться?

Поиск данных по Вашему запросу:

Высоковольтные операционные усилители справочник

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.
По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Пожалуй, основную роль в решении этого вопроса сыграет выбор усилителя.
Функция
Усилитель отвечает за качество и мощь воспроизведения звука. При этом при покупке стоит обратить внимание на следующие обозначения, знаменующие внедрение высоких технологий в производство аудио — аппаратуры:

     

  • Hi-fi. Обеспечивает максимальную чистоту и точность звука, освобождая его от посторонних шумов и искажений.
  • Hi-end. Выбор перфекциониста, готового немало заплатить за удовольствие различать мельчайшие нюансы любимых музыкальных композиций. Нередко к этой категории относят аппаратуру ручной сборки.

 

Технические характеристики, на которые следует обратить внимание:

  • Входная и выходная мощность. Решающее значение имеет номинальный показатель выходной мощности, т.к. краевые значения часто недостоверны.
  • Частотный диапазон. Варьируется от 20 до 20000 Гц.
  • Коэффициент нелинейных искажений. Здесь все просто — чем меньше, тем лучше. Идеальное значение, согласно мнению экспертов — 0,1%.
  • Соотношение сигнала и шума. Современная техника предполагает значение этого показателя свыше 100 дБ, что сводит к минимуму посторонние шумы при прослушивании.
  • Демпинг-фактор. Отражает выходное сопротивление усилителя в его соотношении с номинальным сопротивлением нагрузки. Иными словами, достаточный показатель демпинг-фактора (более 100) уменьшает возникновение ненужных вибраций аппаратуры и т.п.

Следует помнить: изготовление качественных усилителей — трудоемкий и высокотехнологичный процесс, соответственно, слишком низкая цена при достойных характеристиках должна Вас насторожить.

 
Классификация

Чтобы разобраться во всем многообразии предложений рынка, необходимо различать продукт по различным критериям. Усилители можно классифицировать:

  • По мощности. Предварительный — своеобразное промежуточное звено между источником звука и конечным усилителем мощности. Усилитель мощности, в свою очередь, отвечает за силу и громкость сигнала на выходе. Вместе они образуют полный усилитель.

Важно: первичное преобразование и обработка сигнала происходит именно в предварительных усилителях.

  • По элементной базе различают ламповые, транзисторные и интегральные УМ. Последние возникли с целью объединить достоинства и минимизировать недостатки первых двух, например, качество звука ламповых усилителей и компактность транзисторных.
  • По режиму работы усилители подразделяются на классы. Основные классы — А, В, АВ. Если усилители класса А используют много энергии, но выдают высококачественный звук, класса B с точностью до наоборот, класс AB представляется оптимальным выбором, представляя собой компромиссное соотношение качества сигнала и достаточно высокого КПД. Также различают классы C, D, H и G, возникшие с применением цифровых технологий. Также различают однотактные и двухтактные режимы работы выходного каскада.
  • По количеству каналов усилители могут быть одно-, двух- и многоканальными. Последние активно применяются в домашних кинотеатрах для формирования объемности и реалистичности звука. Чаще всего встречаются двухканальные соответственно для правой и левой аудиосистем.

Внимание: изучение технических составляющих покупки, конечно, необходимо, но зачастую решающим фактором является элементарное прослушивание аппаратуры по принципу звучит-не звучит.

 
Применение

Выбор усилителя в большей степени обоснован целями, для которых он приобретается. Перечислим основные сферы использования усилителей звуковой частоты:

  1. В составе домашнего аудиокомплекса. Очевидно, что лучшим выбором является ламповый двухканальный однотакт в классе А, также оптимальный выбор может составить трехканальный класса АВ, где один канал определен для сабвуфера, с функцией Hi — fi.
  2. Для акустической системы в автомобиле. Наиболее популярны четырехканальные усилители АВ или D класса, в соответствии с финансовыми возможностями покупателя. В автомобилях также востребована функция кроссовер для плавной регулировки частот, позволяющей по мере необходимости срезать частоты в высоком или низком диапазоне.
  3. В концертной аппаратуре. К качеству и возможностям профессиональной аппаратуры обоснованно предъявляются более высокие требования в силу большого пространства распространения звуковых сигналов, а также высокой потребности в интенсивности и длительности использования. Таким образом, рекомендуется приобретение усилителя классом не ниже D, способного работать почти на пределе своей мощности (70-80% от заявленной), желательно в корпусе из высокотехнологичных материалов, защищающем от негативных погодных условий и механических воздействий.
  4. В студийной аппаратуре. Все вышеизложенное справедливо и для студийной аппаратуры. Можно добавить о наибольшем диапазоне воспроизведения частот — от 10 Гц до 100 кГц в сравнении с таковым от 20 Гц до 20 кГц в бытовом усилителе. Примечательна также возможность раздельной регулировки громкости на различных каналах.

Таким образом, чтобы долгое время наслаждаться чистым и качественным звуком, целесообразно заранее изучить все многообразие предложений и подобрать вариант аудио аппаратуры, максимально отвечающий Вашим запросам.

 

all-audio.pro

Краткая характеристика операционных усилителей — справочник по операционным усилителям и компараторам

Краткая характеристика
операционных усилителей








































































140УД8  ОУ с полевыми транзисторами
на входе
140УД11  быстрый ОУ
140УД12  микромощный ОУ с регулируемым
токопотреблением, напряжение питания 3-16.5 В, выходной ток 1.8 мА
140УД13  МДП-предусилитель типа МДМ
140УД14  прецизионный ОУ с малой потребляемой
мощностью напряжение питания 5-18 В
140УД17  прецизионный ОУ
140УД18  ОУ с повышенным быстродействием
140УД20  сдвоенный ОУ (типа 140УД7)
напряжение питания 5-18 В, выходной ток 8 мА
140УД21  прецизионный ОУ с внутренней
импульсной стабилизацией
140УД22  быстродействующий ОУ, для
140УД22А время установления 500 нс
140УД23  быстродействующий ОУ, биполярно-полевая
технология, с малыми входными токами, для 140УД23А время установления
500 нс
140УД24  прецизионный ОУ выполненный
по КМОП технологии напряжение питания 4.5-5.5 В
140УД25  прецизионный малошумящий
ОУ, нормированная эдс шума 5.5 нВ/sqrt(Гц) для 140УД25А,140УД25Б и
8 нВ для 140УД25В
140УД26  прецизионный малошумящий
ОУ для низкочастотных устройств, нормированная эдс шума 5.5 нВ/sqrt(Гц)
для 140УД26А,140УД26Б и 8 нВ для 140УД26В
140УД27  прецизионный малошумящий
ОУ для высокочастотных устройств
153УД4  микромощный ОУ
153УД5  прецизионный ОУ
153УД6  ОУ с улучшенными статическими
параметрами
154УД1  микромощный скоростной ОУ,
выходной ток 5 мА время установления 2500 нс (типовое значение)
154УД2  быстродействующий ОУ, время
установления 5000 нс
154УД3  быстродействующий ОУ, время
установления 500 нс для 154УД3А, время установления 800 нс для 154УД3Б
154УД4  быстродействующий ОУ, Tуст=
600 нс
157УД1  ОУ с мощным выходом, рассеиваемая
мощность 0,5 вт (1 вт с теплоотводом), напряжение питания 3-18 В,
выходной ток 300 мА
157УД2  сдвоенный ОУ, напряжение
питания 3-18 В
157УД3  сдвоенный малошумящий ОУ,
напряжение питания 3-18 В, напряжение шумов приведенное ко входу не
более 2 мкВ
157УД4  ОУ широкого применения
544УД1  ОУ с полевыми транзисторами
на входе
544УД2  ОУ с полевыми транзисторами
на входе; широкополосный, быстродействующий
544УД3  ОУ с полевыми транзисторами
на входе с малым дрейфом, шумами и входным током (типовые значения
0.006 нА), приведенное ко входу в полосе 0,1-10 Гц, напряжение шумов
менее 5 мкВ (типовое 0.5)
544УД4  сдвоенный ОУ с полевыми транзисторами
на входе с малыми шумами, полностью заменяет микросхему 574УД2, приведенное
ко входу в полосе 0,1-10 Гц, напряжение шумов менее 5 мкВ (типовое
0.5)
544УД5  микромощный ОУ с полевыми
транзисторами на входе с нормированными параметрами при напряжениях
источников питания +-6 и +-15 В
544УД6  сдвоенный ОУ с полевыми транзисторами
на входе с малым дрейфом, шумами и входным током (типовые значения
0.006 нА), приведенное ко входу в полосе 0,1-10 Гц, напряжение шумов
менее 5 мкВ (типовое 0.5)
551УД1  прецизионный ОУ
551УД2  сдвоенный ОУ
574УД1  быстродействующий ОУ с полевыми
транзисторами на входе
574УД2  сдвоенный скоростной ОУ с
полевыми транзисторами на входе, Uш<150 нВ/Гц (1/2)
574УД3  BIFET ОУ, скоростной с малым
дрейфом (5 тип) и шумами, Uш<40 нВ/Гц (1/2) [10 КГц]
574УД4  BIFET ОУ, скоростной с малым
дрейфом и шумами
1005УД1  сдвоенный ОУ
1032УД1  2 низковольтных ОУ и два
компаратора
1040УД1  сдвоенный ОУ, напряжение
питания 2.5-16.5 В, выходной ток 15 мА
1040УД2  сдвоенный ОУ мощный, напряжение
питания +24 В, выходной ток 500 мА, рассеиваемая мощность 800 мвт
без теплоотвода
1053УД2  сдвоенный операционный усилитель,
напряжение питания +4.5-+33 В, выходной ток 15 мА
1053УД3  счетверенный операционный
усилитель, напряжение питания +4.5-+33 В, выходной ток 15 мА
1401УД1  счетверенный УПТ с однополярным
питанием, E=+4-+30 В.
1401УД2  счетверенный ОУ, E=2.5-16.5
В
1401УД3  счетверенный ОУ с регулируемым
током, E=1.5-16.5 В, выходной ток 12 мА, ток смещения 2-20 мкА
1401УД4  счетверенный ОУ, E=5-15 В
с полевыми транзисторами на входе
1401УД6  ОУ и компаратор среднего
класса с однополярным питанием, напряжение питания +3-+32 В, выходной
ток 6 мА
1407УД1  программируемый малошумящий
широкополосный ОУ, Uш<5нВ/Гц(1/2) [10 КГц], выходной ток 1 мА,
ток смещения <200 мкА
1407УД2  программируемый малошумящий
широкополосный ОУ, Uш<15нВ/Гц(1/2) [100 Гц], ток смещения 4 мкА,
напряжение питания 2-12 В для КР1407УД3, напряжение питания 5.4-6.6
В для 1407УД3
1407УД3  программируемый малошумящий
широкополосный ОУ, Uш<3нВ/Гц(1/2) [1 КГц], работоспособен при питании
до 2 В, выходной ток 1 мА, ток смещения 10-150 мкА
1407УД4  счетверенный программируемый
ОУ, Uш<7.5нВ/Гц(1/2) [10 КГц], работоспособен при питании до 1.5
В, выходной ток 15 мА, ток смещения 5-150 мкА
1408УД1  высоковольтный ОУ (питание
до +/- 40 В)
1408УД2  сдвоенный ОУ (типа 140УД7)
1409УД1  ОУ с малыми входными токами
(МДП-вход)
1416УД1  4 малошумящих, широкополосных,
регулируемых ОУ
1417УД13  прецизионный предусилитель
постоянного
1420УД1  быстродействующий широкополосный
ОУ, Uш<8 нВ/Гц(1/2) [10 МГц] (типовое значение), выходной ток 5
мА
1420УД2  быстродействующий ОУ
1422УД1  мощный ОУ с выходным током
1 А.
1423УД1  микромощный КМОП ОУ с Eп=
1-5 В с регулируемым током потребления
1423УД2  2 универсальных КМОП ОУ общего
назначения с Eп= 1-5 В с регулируемым током потребления
1423УД3  4 универсальных КМОП ОУ общего
назначения с Eп= 1-5 В с регулируемым током потребления
1426УД1  2 малошумящих ОУ для усилителя
с магнитной головки звукоснимателя с Eп= 6-18 В с регулируемым током
потребления, напряжение шумов в полосе 20-22500 Гц не более 140 мкВ
1427УД1  2 регулируемых ОУ с токовым
выходом и два эмиттерных повторителя (Iвых < 300 мА)
1429УД1  2 низковольтных ОУ
1432УЕ1  широкополосный быстродействующий
буферный повторитель
1433УД1  ОУ скоростной с малым временем
установления (70 нс типовое) и нормированным уровнем шумов с Eп= 9-16.5
В, Uш<20 нВ/Гц(1/2) [ 1 КГц] (типовое значение), Uш< 6 нВ/Гц(1/2)
[10 КГц] (типовое значение),
1434УД1  2 ОУ с нормированным уровнем шумов (1.5
мкв для 1434УД1А) с Eп= 2-18 В
1501УД1  прецизионный ОУ с параметрической
стабилизацией параметров

www.qrz.ru

Усилители

Автор: admin


10
Янв

F2480 объединяет в компактном корпусе аттенюатор с переменным коэффициентом ослабления (VVA) и уникальный фирменный радиочастотный усилитель серии Zero-Distortion™, обеспечивая низкие вносимые потери и высокую линейность для очень точной и плавной регулировки радиочастотного аттенюатора.

Блок VVA отличается чрезвычайно высокой линейностью характеристик ослабления и превосходную точку пересечения третьего порядка IP3 в полном диапазоне ослабления. Выходная точка пересечения третьего порядка усилителя OIP3 составляет +41.5 дБм на частоте 900 МГц при токе потребления 106 мА. Устройство содержит внутреннюю схему согласования и не нуждается во внешних согласующих элементах.

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: IDT

Автор: admin


10
Янв

ACNT-H87B/H87A/H870 представляют собой серию оптически изолированных усилителей, специально предназначенных для схем датчиков напряжения. Их диапазон входного напряжения 2 В и высокое входное сопротивление 1 ГОм полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к изолированным датчикам напряжения в электронном оборудовании преобразователей мощности – схемах управления двигателями и системах с возобновляемыми источниками энергии.

В традиционных схемах датчиков напряжения используется резистивный делитель для получения необходимого уровня напряжения на датчике. Дифференциальное выходное напряжение, пропорциональное входному сигналу, формируется на противоположной стороне оптического изолирующего барьера.

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Avago, Broadcom

Автор: admin


21
Сен

Новый операционный усилитель предназначен для приложений с аккумуляторным питанием, для которых характерны низкая частота аналоговых сигналов, например, измерение температуры и аудиопараметров

MAX40006 обладает максимальным отношением ширины полосы усиления к потребляемой мощности и идеально подходит для систем с питанием от аккумулятора, таких как: мобильные телефоны, планшетные компьютеры, ноутбуки и портативное медицинское оборудование. Устройство выполнено по КМОП-технологии, потому характеризуется сверхмалым входным током смещения – 1 пА, входным и выходным напряжением, равным напряжению питания, низким током потребления — 4.5 мкА и диапазоном напряжения питания от 1.7 В до 5.5 В.

Читать далее »

Автор: admin


28
Мар

Усилитель тока ADPD2210 позволяет использовать фотодиоды меньших размеров, так как способен увеличить выходной ток датчика в 24 раза при минимальном уровне собственных шумов. По своей чувствительности подобная схема сравнима с системами, построенными на больших фотодиодах, но при этом обладает компактными размерами. Минимальная линейность, составляющая 60 дБ, обеспечивает точную фиксацию кратковременных изменений сигнала при наличии большого постоянного или низкочастотного смещения.

ADPD2210 оптимизирован для приложений, работающих в импульсном режиме и для которых важными характеристиками являются низкое энергопотребление и высокий коэффициент подавления уровня окружающего освещения, таких как измерители сердечного ритма, носимые на запястье (HRM), и импульсный измеритель уровня насыщения крови кислородом, надеваемый на палец (SpO2).

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Analog Devices

Автор: admin


23
Дек

Компания Analog Devices представляет новую серию малошумящих усилителей, предназначенных для широкого круга приложений, таких как системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ), инструментальные средства и телекоммуникационные системы с несколькими рабочими полосами частот.

HMC8401, HMC8402 и HMC8410 — это монолитные сверхвысокочастотные интегральные схемы (MMIC) малошумящих усилителей (LNA), выполненные на основе арсенида галлия (GaAs) с применением псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов (pHEMT). Рабочий диапазон частот устройств составляет от 0 до 28 ГГц (HMC8401), от 2 ГГц до 30 ГГц (HMC8402) и от 10 МГц до 10 ГГц (HMC8410).

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Analog Devices

Автор: admin


19
Ноя

ADA4522-1, ADA4522-2 и ADA4522-4 — это одно-, двух- и четырех-канальные операционные усилители с нулевым дрейфом напряжения смещения, минимальным уровнем шумов и мощности потребления, входами, чувствительными к сигналам вплоть до 0 В, и выходным напряжением, равным всему диапазону напряжений питания (Rail-to-Rail), отличающиеся превосходной стабильностью по времени, температуре окружающей среды и рабочему напряжению.

Широкий диапазон рабочих напряжений и температур, высокий коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи и чрезвычайно низкий уровень искажений статических и динамических характеристик позволяют использовать устройства в схемах усиления слабых сигналов и точного воспроизведения сигналов большой мощности.

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Analog Devices

Автор: admin


19
Окт

Компания Texas Instruments представляет надежный, высокопроизводительный операционный усилитель для высоковольтных промышленных приложений.

Новые операционные усилители серии OPAx197 (OPA197, OPA2197 и OPA4197), с рабочим напряжением 36 В, обладают выдающимися динамическими и статическими характеристиками: диапазоном входного и выходного напряжения, равному диапазону напряжения питания (Rail-to-Rail Input/Output), низким напряжением смещения ±25 мкВ, малым дрейфом напряжения смещения ±0.25 мкВ/°C и широкой полосой усиления 10 МГц.

Читать далее »

Автор: admin


17
Июл

Двухканальный операционный усилитель OPA1622 семейства SoundPlus™ с биполярным входным каскадом предназначен для аудио приложений с высокой точностью воспроизведения (Hi-Fi).

Устройство характеризуется очень низким уровнем шумов — 2.8 нВ/√Гц и гармонических искажений — –119.2 дБ на частоте 1 кГц при работе на нагрузку сопротивлением 32 Ом и выходной мощности 100 мВт. Кроме того, OPA1622 значительно ослабляет пульсаций напряжения источника питания и синфазные помехи, что идеально подходит для переносных аудиоприложений. Выходной ток усилителя, вытекающий и втекающий, достигает значений +145 мА и –130 мА, соответственно.

Читать далее »

Автор: admin


17
Июл

Усилитель мощности HMC1099 на основе нитрида (GaN) галлия обеспечивает полезную мощность на нагрузке свыше 10 Вт в диапазоне частот от 0.01 ГГц до 1.1 ГГц при КПД добавленной мощности (PAE) до 69% и неравномерности АЧХ не более ±0.5 дБ.

Устройство идеально подходит для приложений с импульсным и непрерывным режимом работы, таких как беспроводные инфраструктуры, радары, общественные мобильные радиостанции и усилители общего назначения. HMC1099 выпускается в компактном корпусе LFCSP. Режим его работы задается недорогими внешними компонентами, монтируемыми на поверхность печатной платы. Наименования многофункциональных выводов прибора могут соответствовать только выполняемым им функциям.

Читать далее »

  • Комментарии отключены
  • Рубрика: Analog Devices

Автор: admin


20
Июн

Серия операционных усилителей OPAx625 отлично подходит для схем драйверов 16- и 18-разрядных АЦП последовательного приближения благодаря высокой точности, малым гармоническим искажениям и уровню собственных шумов, позволяя строить системы с масштабированием мощности.

OPA625 и OPA2625 характеризуются малым временем установления – 280 нс, что соответствует эффективной разрядности 16 бит. Такие параметры, как малое напряжение смещения 100 мкВ, большая ширина полосы усиления 120 МГц и низкий уровень шума 2.5 нВ/√Гц, являются оптимальными для применения приборов совместно с быстродействующими АЦП последовательного приближения высокой разрядности, например, ADS9110 или серии ADS88xx.

Читать далее »

www.ebvnews.ru

новые операционные усилители для прецизионных измерений

2 сентября 2013

Измерение физических величин является широко распространенной задачей. Роль первичных преобразователей физических величин выполняют датчики. Например, резистивные датчики температуры преобразуют температуру в удобную для электрических измерений величину — сопротивление.

Существует огромное количество датчиков — давления, температуры, освещенности — каждый из которых имеет свои особенности и области применения. Помимо непосредственно измерительной техники датчики используются в медицинской аппаратуре, промышленности (управление механизмами и двигателями), телекоммуникациях (ВОЛС), автомобилестроении.

Аналоговая техника замещается цифровой. Однако в любой цифровой измерительной технике есть аналоговая часть. Анализ погрешностей измерительного тракта является отправной точкой создания измерительных устройств.

 

Анализ погрешностей в сигнальной цепочке измерительного тракта

Измерительный тракт современной системы обработки сигналов включает в себя ряд звеньев (рисунок 1). Исходный сигнал, снимаемый с датчика (или датчиков), поступает на усилитель через мультиплексор или напрямую. Главная задача усилителя — нормирование/усиление сигнала до оптимального для АЦП уровня. АЦП оцифровывает сигнал в соответствии с уровнем напряжения источника опорного напряжения (ИОН). Далее сигнал проходит цифровую обработку в вычислительном модуле (процессор, микроконтроллер).

 

 

Рис. 1. Погрешности схемы измерительного тракта

К сожалению, ни одно из звеньев измерительной цепи не является идеальным и вносит погрешность в результат измерения. При этом погрешность имеет постоянную и шумовую составляющие.

Источником постоянной составляющей погрешности являются параметры, которые не зависят от времени либо имеют слабую временную зависимость. Так например, термосопротивление имеет начальный разброс точности номинала; усилитель имеет разброс коэффициента усиления за счет разброса номиналов пассивных компонентов и др; ИОН имеет ограниченную точность начальной установки напряжения; АЦП имеет погрешность смещения нуля, может иметь погрешность линейности и т.д.

Кроме того, большинство погрешностей постоянной составляющей все же имеют временную зависимость (например, номиналы пассивных компонентов «уплывают» со временем) и температурную зависимость, что значительно усложняет задачу измерений. Ведь проведя калибровку прибора для одной температурной точки, можно легко выйти за рамки точности при другой температуре. То же можно сказать и про время, со временем приборы теряют точность, и требуют периодической поверки.

Помимо постоянной составляющей, каждое звено вносит собственный шум в полезный сигнал. Одним из основных узлов, определяющих точность измерения, является усилитель. С одной стороны погрешности датчиков, усиленные и преобразованные, с другой — погрешности усилителя оказывают дополнительное влияние на полезный сигнал, поступающий на АЦП.

 

Критерии выбора ОУ для прецизионных измерений

В настоящее время усилители, как правило, строятся на базе интегральных ОУ. К сожалению, идеального ОУ не существует. Зато существует огромное количество операционных усилителей для различных приложений и с различными характеристиками. Поэтому выбор может стать трудоемким монотонным процессом изучения документации на компоненты от множества компаний-производителей. Для облегчения труда инженеров-разработчиков измерительной аппаратуры лидеры электронной промышленности особо выделяют в своей номенклатуре прецизионные ОУ.

Основным критерием, которому должен удовлетворять прецизионный ОУ, является обеспечение требуемой точности измерений. Чтобы выбрать ОУ, в первую очередь необходимо оценить параметры, непосредственно влияющие на погрешность выходного сигнала.

Входное напряжение смещения (Input Offset Voltage). Является наиболее важным параметром для прецизионных ОУ. Как правило, прецизионные схемы используются для измерения очень малых величин. Например, для мостовых датчиков давления величина выходного напряжения составляет — десятки мВ. Очевидно, что напряжение смещения на уровне десятков мкВ даст очень большую погрешность измерения.

Рассмотрим пример. Система измеряет показания мостового датчика давления с выходным напряжением 20 мВ. Сигнал датчика усиливает ОУ с входным напряжением смещения Uсм = 50 мкВ.

Коэффициент усиления при нормировании для АЦП с опорным напряжением 3 В: 3 В/0,02 В = 150.

Ошибка от напряжения смещения на выходе усилителя: 50 мкВ х 150 = 7,5 мВ. Что соответствует точности всего лишь 8-бит АЦП (1LSB = 3В/28 = 11 мВ).

Очевидно, что такая погрешность недопустима. Поэтому уменьшение влияния напряжения смещения является одной из главных задач.

Стоит отметить, что величина напряжения смещения имеет температурную и временную стабильность.

Температурный дрейф напряжения смещения — ТКС (TC Vos). Измеряется, как правило, в нВ/°С. При компенсации напряжения смещения в одной температурной точке, например подстроечным резистором, мы не получим точного результата при другой температуре. Кроме того, данная зависимость имеет нелинейный характер, что вносит дополнительную сложность. Стоит особое внимание уделить данному параметру в случае, если диапазон рабочих температур достаточно широкий (например, промышленная или военная электроника).

Не сложно посчитать, что для температурного диапазона 0…25°C наличие дрейфа в 1 мкВ/°С может привести к погрешности в 25 мкВ, что для предыдущего примера сравнимо с величиной начального напряжения смещения (Uсм = 50 мкВ).

В дополнение к температурному дрейфу напряжения смещения имеет место его изменение в течение времени. Это явление называется долговременная стабильность и измеряется в мкВ/1000 часов.

Входной шум ОУ (Input Voltage Noise) определяется для двух частотных диапазонов. Низкочастотный шум (1/f фликкер-шум) (0,1…10 Гц) измеряется в нВП-П. Широкополосный шум (нормируется, как правило, для 1 кГц), измеряется в нВ/ЦГц. Разделение на частотные диапазоны позволяет разработчику различать широкополосный шум, который может быть отфильтрован при помощи фильтров, и низкочастотный, который отфильтровать практически невозможно.

Коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи (Open-Loop Gain) имеет конечное значение, что приводит к возникновению ошибки усиления в схемах с обратной связью. Коэффициент усиления должен иметь как можно большее значение, в этом случае ошибка усиления будет минимальной.

Входной ток ОУ (Input Bias Current). Данный параметр имеет важное значение для схем измерения сигналов высокоимпедансных датчиков. Например, сверхчувствительные фотодиоды при сумеречном освещении могут генерировать токи всего лишь в несколько нА, очевидно, что входной ток ОУ не может превышать данной величины. Величина входного тока сильно зависит от технологии реализации входного каскада ОУ. Для ОУ со входным каскадом на полевых транзисторах величины входных токов могут быть порядка нескольких фА, при этом, однако, имеется сильнейшая температурная зависимость.

Температурный дрейф входного тока. Тип зависимости определяется структурой входного каскада. Каскад, выполненный по биполярной технологии, менее подвержен влиянию температуры. Каскад, выполненный по КМОП технологии, имеет малое значение входного тока, но может удваиваться каждые 10°С.

Ток смещения ОУ (Input Offset Current). Величины входных токов инвертирующего и неинвертирующего входов не равны. По большому счету, именно это отличие в величине втекающих токов и создает погрешность, а не непосредственно втекающий ток. Равенство входного импеданса на входах ОУ приводит к уменьшению влияния входного тока ОУ. Это происходит вследствие того, что выходное напряжение, формируемое током, втекающим в неинвертирующий вход ОУ, компенсируется выходным напряжением, формируемым током инвертирующего входа.

При реализации конкретного устройства помимо критерия точности к ОУ могут применяться и другие требования. Широкое распространение портативных измерительных приборов выдвигает требования компактности, пониженного напряжения питания и низкой потребляемой мощности. Для промышленных и военных приложений критичным может оказаться фактор защищенности ОУ от электромагнитных и статических помех и возможность работы при повышенных питающих напряжениях.

Как было указано выше, наиболее сильное влияние на точность измерений оказывает напряжение смещения. Элементарные схемы компенсации (такие, как подстроечные резисторы) дают компенсацию только в одной температурной точке из-за температурного дрейфа. Температурный дрейф, к тому же, имеет нелинейный характер, что затрудняет его учет при измерениях. Кроме того, имеет место влияние низкочастотного 1/f шума, от которого практически невозможно избавиться.

Одной из прорывных технологий, позволивших значительно увеличить точность ОУ, стала технология автокоррекции нуля (периодической компенсации дрейфа нуля). ОУ с такой технологией называются ОУ, стабилизированными прерыванием.

Однако данная технология обладает рядом недостатков. Во-первых, переключения сопровождались значительными выбросами напряжений высоким уровнем собственных шумов в области частоты коммутации, что значительно ухудшало шумовые характеристики. Это приводило к необходимости использования внешних фильтров. Кроме того, диапазон рабочих частот оказывался ограниченным величиной собственных коммутаций. Диапазон питающих напряжений также был достаточно мал.

 

Новое семейство прецизионных ОУ, стабилизированных прерыванием по технологии «AutoZero»

По сравнению с классической схемой ОУ, стабилизированных прерыванием, ОУ с «AutoZero» имеют значительно меньший уровень шумов от переключений. На зависимости «шум/частота» на частоте переключения схемы (около 70 кГц) имеется всего один пик (рисунок 2). Однако так как это более высокочастотный шум по сравнению с классической реализацией схемы с автоподстройкой, то избавиться от него значительно проще.

 

 

Рис. 2. Типовая зависимость «шум/частота» ОУ с «AutoZero»

Компания Maxim Integrated выпустила новую линейку ОУ стабилизированных прерыванием с технологией «AutoZero» (таблица 1).

Таблица 1. Прецизионные ОУ с автокоррекцией нуля   

Наименование Число ОУ в корпусе Питание, В Ток потребления (типовой), мкА Напряжение смещения (макс), мкВ CMRR, дБ PSRR, дБ Входной ток (макс), нА Плотность шума входного напряжения, нВ/√Гц Плотность шума входного тока, нВ/√Гц
MAX44250 1   2,7…20   1220   9   140   145   1,4   5,9   0,6  
MAX44251 2   1150   6   1,3  
MAX44252 4   1150   6   1,3  
MAX44244 1   2,7…36   90   7,5   130   148   0,3   50   0,1  
MAX44245 4   7,5  
MAX44248 2   7,5  
MAX44246 2   420   5   158   166   0,6   9   —  

Новые семейства ОУ, стабилизированных прерыванием с технологией «AutoZero», сочетают превосходные метрологические характеристики и широкий диапазон рабочих частот. Стоит отметить, что кроме этого, в них реализованы дополнительные уникальные технологии Maxim Integrated.

Maxim Integrated уделили особое внимание дополнительной защите от помех. Структура усилителей содержит интегрированный фильтр электромагнитных помех (EMI-фильтр). В итоге помимо того, что благодаря «AutoZero» устранен низкочастотный шум, значительно уменьшается и высокочастотный шум (рисунок 3).

 

 

Рис. 3. График подавления электромагнитных помех

Уделено особое внимание питанию микросхем. Все ОУ имеют расширенный диапазон питающих напряжений. Минимальное напряжение питания составляет всего 2,7 В (или ±1,35 В), что важно для устройств с батарейным питанием. В то же время верхняя граница напряжения питания составляет 36 В (или ±18 В), что может быть удобным при реализации промышленной автоматики.

Широкий выбор корпусных исполнений позволяет выбрать подходящий по габаритам ОУ, в том числе для портативных приложений.

Семейство MAX44250/51/52 — новые прецизионные ОУ, обладающие всеми отличительными чертами усилителей с технологией «AutoZero»: сверхнизкое значение напряжения смещения (не более 6 мкВ при 23°С), температурный дрейф ограничивается практически не измеряемой величиной 19 нВ/°С. Шумовые характеристики также на высоте. Величина шума — 123 нВП-П (0,1 Гц < f < 10 Гц), а плотность шума составляет 5,9 нВ/ЦГц.

Еще одной особенностью MAX44250/51/52 является расширенный диапазон питающих напряжений: однополярное от 2,7 до 20 В и биполярное от ±1,35 до ±10 В.

Данное семейство отлично подходит для нормирования и усиления сигналов тензометрических датчиков, датчиков давления в различной медицинской и измерительной аппаратуре.

Микросхемы имеют различное корпусное исполнение, в том числе миниатюрное SOT23-5.

MAX44246 представляет собой сдвоенный прецизионный усилитель, выполненный в восьмивыводных корпусах uMax или SOIC. Величина напряжения смещения для данного усилителя не превышает 5 мкВ, а температурный дрейф ограничен 20 нВ/°С. Низкочастотные шумы составляют 117 нВП-П (0,1 Гц < f < 10 Гц), а плотность шума на частоте 1 кГц — 9 нВ/ЦГц.

Имея отличные характеристики, MAX44246 способен работать с напряжениями питания от 2,7 до 36 В. (в том числе при биполярном питании от ±1,35 до ±18 В).

Особенностью MAX44246 является малое потребление. Ток потребления составляет всего 0,55 мА на канал, что позволяет применять его не только в стационарных измерительных приборах, но и в портативных с батарейным питанием.

MAX44244/5/8 — семейство малопотребляющих прецизионных ОУ. Главной его особенностью является низкий ток потребления — всего 90 мкА.

Низкое потребление и миниатюрность корпусов (MAX44244 доступен в корпусе SOT23-5) делают данное семейство подходящим для портативной измерительной техники, прецизионного измерения веса, интерфейсов с токовой петлей.

 

Прецизионные ОУ от Maxim Integrated

Помимо ОУ с технологией «AutoZero» Maxim Integrated предлагает семейство усилителей MAX44260/1/3, главной особенностью которого является автоматическая калибровка при включении питания (таблица 2). При подаче питающего напряжения интегрированная в ОУ схема сброса по питанию (POR) удерживает входы и выходы в высокоимпедансном состоянии в течение 10 мс. За это время внутренняя схема коррекции калибрует ОУ. Такая техника позволяет получить напряжение смещения нуля около 50 мкВ.

Таблица 2. Новые прецизионные ОУ от Maxim Integrated   

Наименование Число ОУ в корпусе Питание, В Ток потребления (типовой), мкА Напряжение смещения (макс), мкВ CMRR, дБ PSRR, дБ Входной ток (макс), нА Плотность шума входного напряжения, нВ/√Гц Плотность шума входного тока, нВ/√Гц
MAX44260 1   1,7…5,5   750   50   90   95   0,0005   12,7   0,0012  
MAX44261 1   750  
MAX44263 2   650  

MAX44260 имеет дополнительный вход SHDN, позволяющий перевести ОУ в режим пониженного потребления (менее 1 мкА). Выходы и входы ОУ при этом находятся в высокоимпедансном состоянии, благодаря этому возможно каскадирование ОУ, что избавляет от необходимости использовать мультиплексоры. При выходе из данного режима калибровка не производится, что позволяет достичь времени пробуждения не более 30 мкс.

В отличие от MAX44260 в ОУ MAX44261 возможно проведение калибровки без выключения питания. Для этого предназначен дополнительный управляющий вход CAL.

Микросхема MAX44263 имеет два ОУ в одном корпусе.

Общей особенностью всех трех микросхем является отсутствие переходных искажений при переходе через 0 (при переключении входных транзисторов). Это достигается наличием внутреннего преобразователя (charge pump). Выходное напряжение этого преобразователя превышает напряжение питания на 1 В и используется для питания входного каскада.

Помимо малого напряжения смещения, MAX44260/1/3 отличаются низким уровнем собственных шумов. Шум входного напряжения составляет 12,7 нВ/ЦГц, шум входного тока 1,2 фА/ЦГц. При этом частота единичного усиления составляет 15 МГц. Низкие шумы и большая частота единичного усиления позволяют применять данное семейство в составе трансимпедансных усилителей (рисунок 4).

 

 

Рис. 4. Трансимпедансный усилитель на основе MAX44260

Стоит отметить, что семейство MAX44260/1/3 идеально подходит для портативных устройств с батарейным питанием (ноутбуки, плееры), так как имеет низкое потребление и малое напряжение питания. Типовой питающий ток каждого усилителя составляет 700 мкА. При этом MAX44260 в спящем режиме потребляет всего 1 мкА. Уровень напряжения питания составляет 1,8 В (при температуре от -40 до 125°C), а при температуре от 0 до 70°C всего 1,7 В.

 

Прецизионный, высокоскоростной, малошумящий ОУ для широкого круга задач

Кроме ОУ, стабилизированных прерыванием, и ОУ с возможностью калибровки Maxim Integrated выпускает MAX9632 — прецизионный малошумящий ОУ с широким диапазоном питающих напряжений, сочетающий в себе уникальные метрологические характеристики, отличное быстродействие, защиту от электростатики и лучшие в своем классе значения CMRR, THD, PSSR.

MAX9632 имеет напряжение смещения нуля не более 125 мкВ (при 25°C) и температурный дрейф не более 0,5 мкВ/°C. Шум входного напряжения составляет всего 0,94 нВ/ЦГц. При этом ширина пропускания составляет 55 МГц.

Второй особенностью усилителя является улучшенная защита от электростатических разрядов. Микросхема выдерживает 8 кВ (Human Body Model — HBM) и 1 кВ (Charge Device Model — CDM).

Данный ОУ обладает широким диапазоном питающих напряжений 4,5…36 В (в том числе ±18 В).

MAX9632, обладая уникальными метрологическими характеристиками и высоким быстродействием, идеально подходит для совместной работы с высокоскоростными дельта-сигма АЦП. Такие АЦП требуют ОУ с низким значением собственных шумов для достижения соотношения сигнал-шум (SNR) большего, чем 100 дБ. В приведенной схеме (рисунок 5) АЦП MAX11040 достигает соотношения SNR 117 дБ при частоте 1000 измерений в секунду.

 

 

Рис. 5. Типовая схема включения MAX9632

Основными областями применения данного ОУ являются прецизионная измерительная техника, высокоскоростные системы управления и контроля, системы релейной защиты, медицинская техника и т.д.

 

Заключение

Компания Maxim Integrated предлагает свои решения для построения прецизионных измерительных схем. Семейства прецизионных ОУ с «Auto Zero» обладают напряжением смещения, не превышающим 10 мкВ. Кроме того, они имеют интегрированный EMI-фильтр и отличаются расширенным диапазоном питающих напряжений. Помимо семейств с автокоррекцией, представлено семейство MAX44260/1/3 с калибровкой при включении. После калибровки напряжение смещения не превышает 50 мкВ. Прецизионный ОУ MAX9632 сочетает в себе быстродействие, защиту от статики и широкий диапазон питающих напряжений.

 

Литература

1. Maurizio Gavardoni, Application Note 4179 Autozero Noise Filtering Improves Instrumentation Amplifier Output. Maxim Integrated, 2009.

2. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2005.

3. Документация на представленные ОУ. Официальный сайт http://www.maximintegrated.com/.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: [email protected]

•••

Наши информационные каналы

www.compel.ru

Операционный усилитель | Электроника для всех

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 🙂

easyelectronics.ru

Высоковольтный стабилизатор на ОУ | HomeElectronics

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассматривал схемы стабилизаторов напряжения на операционных усилителях. Данные схемы обладают хорошими стабилизационными показателями и простотой исполнения, но существует небольшое ограничение их применения, которое заключается в том, что выходное напряжение таких источников питания ограничивается напряжением питания ОУ. В большинстве случаев ОУ имеют питание +/- 15 В или даже +/- 22 В. При использовании таких ОУ в стабилизаторах напряжения, даже с учётом однополярного питания, стабилизируемое напряжение не будет превышать 30…40 В, что в большинстве случаев вполне достаточно. Однако существуют такие устройства, где необходимо стабилизированное выходное напряжение превышающее напряжение питания ОУ. Такие схемы получили название стабилизаторов с «плавающим» ОУ.

Плавающее питание ОУ

Особенностью работы схемы данного типа является то, что питание ОУ не «заземляется» в целом, а находится между напряжением общего провода и напряжением источника питания, то есть как бы «плавает» между ними. Для пояснения работы схем данного типа изобразим принципиальную схему стабилизатора с «плавающим» питание ОУ


Принципиальная схема стабилизатора напряжения с «плавающим» питанием ОУ.

Данная схема является стандартной и описана во многих источниках и учебных пособиях. Операционный усилитель DA1 включен по схеме стабилизатора с умножением опорного напряжения. Опорное напряжение задаётся параметрическим стабилизатором VD1R1, коэффициент умножения – резисторами R4R5 включенными в цепь обратной связи ОУ. Транзистор VT1 включенный на выходе ОУ используется в качестве проходного и служит для увеличения выходной мощности стабилизатора. Данные элементы стандартны во всех стабилизаторах на остове ОУ.

Питание же ОУ осуществляется специальными элементами схемы. Параметрический стабилизатор VD3R3 ограничивает максимальное напряжение питания ОУ. Так как выходное напряжение стабилизатора UВЫХ должно быть меньше напряжения питания положительной полярности UПИТ+, то для его поднятия служит параметрический стабилизатор VD2R2.

Работает данная схема следующим образом. Допустим нам необходимо получить на выходе стабилизатора напряжение UВЫХ = 50 В UВЫХ, в тоже время на входе схемы имеется нестабилизированное напряжение порядка UВХ = 70 В. Напряжение питания ОУ DA1 составляет +/- 15 В, то есть сумма питающих напряжений составит  UПИТ = 30 В, данное напряжение должен обеспечить параметрический стабилизатор VD3R3. В качестве опорного напряжения примем величину равную UОП =10 В, которое обеспечивает стабилизатор VD1R1, а соответствующий коэффициент умножения К = 10 должна обеспечить цепь ООС R4R5, согласно следующему соотношению

Для обеспечения условия превышения напряжения питания над выходным напряжением стабилизатора применяется стабилизатор VD2R2, напряжение стабилизации которого обычно принимают равным 10 В.

Таким образом, независимо от величины входного напряжения разность потенциалов между инвертирующим входом и выходом ОУ ограничена стабилитроном VD1, а напряжение на неинвертирующем входе ненамного отличается от напряжения на инвертирующем входе.

Недостатками данной схемы является то, что при увеличении напряжения на выходе схемы при постоянных остальных параметрах уменьшается коэффициент стабилизации данной схемы. Ещё одним существенным недостатком схемы является то, что на резисторах R1 и R5 присутствует довольно большой потенциал.

Улучшение схемы стабилизатора с «плавающим» питание ОУ

Значительно улучшить характеристики схемы стабилизатора с «плавающим» питанием ОУ можно применив питание ОУ от отдельного источника, а также применив защиту входов ОУ, схема такого стабилизатора показана ниже


Улучшенная схема стабилизатора напряжения на ОУ с «плавающим» питанием.

Данная схема состоит из ОУ DA1, в цепь ООС которого  включена интегрирующая цепочка C1R4, источника опорного напряжения R1VD1, делитель R2R3 для установления коэффициента усиления интегратора и регулирующий элемент на транзисторе VT1 с токоограничительным резистором R5.

Работа данной схемы основана на тех же принципах, что и предыдущая, то есть общий провод (┴) ОУ подсоединен не к общему выводу стабилизатора (UВЫХ-), а к положительному выводу (UВЫХ+). В этом случае создаются условия для перехода транзистора в режим регулирования напряжения и тока.

Основными отличиями данной схемы является то, что для питания ОУ необходим двухполярный источник напряжения общий провод которого подсоединён к положительному выводу стабилизатора напряжения. Кроме этого источник опорного напряжения представляет собой параметрический стабилизатор R1VD1, который питается от положительного вывода двухполярного источника.

Коэффициент усиления данной схемы а следовательно и величина выходного напряжения зависит от опорного напряжения и некоторого коэффициента который задаётся делителем напряжения R2R3. Выходное напряжение определяется из следующего выражения

В отличие от предыдущей схемы в данном стабилизаторе применён интегратор, который служит для устранения самовозбуждения ОУ при резких изменениях нагрузки, в результате которых на входе ОУ возникают скачки напряжения. Величину сопротивления R4 выбирают порядка нескольких килом, а емкость конденсатора C1 – десятков нанофарад.

Защита входов ОУ от перегрузки

В результате работы схемы стабилизатора напряжения на ОУ с «плавающим» питанием на входах ОУ могут возникать всплески напряжения и переходные процессы с высокой амплитудой напряжения, которые могут привести к выходу их строя ОУ. Поэтому необходимо обеспечить защиту входов ОУ. Существует несколько схем, обеспечивающих защиту от высоких дифференциальных и синфазных напряжений на входах ОУ, в основе которых лежат ограничители напряжения на диодах. Данные схемы показаны ниже



Схемы защиты операционного усилителя от превышения входных напряжений.

Изображённые выше схемы защиты входов ОУ действуют по принципу ограничителей напряжения, то есть до тех пор пока входные напряжения ОУ не превышают нескольких сотен милливольт диоды не проводят ток и практически не оказывают никакого влияния на входные сигналы. Как только входное напряжение превысит величину прямого падения напряжения на диодах, то они откроются и перейдут в проводящее состояние, что приведёт к ограничению напряжения на входах ОУ.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

www.electronicsblog.ru

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о