Базовый метод анализа для операционных усилителей: виртуальный обрыв цепи, виртуальное короткое замыкание. Для незнакомых схем применения операционных усилителей используйте этот базовый метод анализа.
Операционные усилители являются широко используемыми устройствами. При подключении к соответствующим цепям обратной связи их можно использовать как прецизионные усилители переменного и постоянного тока, активные фильтры, генераторы и компараторы напряжения.
- Применение операционных усилителей в активной фильтрации
Рисунок выше представляет собой типичную схему активного фильтра (схема Сарона-Кейла, тип схемы Баттерворта). Преимущество активной фильтрации заключается в том, что она может заставить сигналы, превышающие частоту среза, затухать быстрее, а характеристики фильтрации не требуют высокой емкости и сопротивления.
Конструктивные особенности этой схемы таковы: при условии соответствия соответствующей частоте среза значения сопротивлений R233 и R230 должны быть выбраны максимально согласованными, а емкость C50 и C201 должна быть выбрана согласованной (когда значения сопротивления и емкости двухкаскадной RC-цепи равны, она называется цепочкой Сарона-Кейла), так что типы устройств могут быть нормализованы при соблюдении характеристик фильтрации. Среди них резистор R280 предотвращает подвешивание входа, что приведет к ненормальному выходу операционного усилителя.
Три наиболее часто используемые схемы активных фильтров нижних частот второго порядка для фильтрации: Баттерворт, монотонно убывающая, плоская и максимально плавная кривая;
Наиболее часто в фильтрации нижних частот Баттерворта используется схема Сарона-Кейла, которая является моделируемой схемой.
Для фильтра вам необходимо знать его частоту среза, или вы можете записать передаточную функцию и частотную характеристику.
Если фильтр также имеет функцию усиления, вам необходимо знать коэффициент усиления фильтра.
Когда значения сопротивления и емкости двухкаскадной RC-цепи равны, она называется цепочкой Серенки. Отрицательная обратная связь вводится в активную цепь второго порядка, чтобы заставить выходное напряжение быстро падать в диапазоне высоких частот.
Коэффициент усиления полосы пропускания схемы активного фильтра нижних частот второго порядка составляет 1+Rf/R1, что соответствует коэффициенту усиления схемы фильтра нижних частот первого порядка;
Обратите внимание, что единицей измерения m является Ом, а единицей измерения N — u.
Таким образом, частота среза рассчитывается как
Чебышев, быстро затухающий, но с рябью в полосе пропускания;
Бесселев (эллиптический), сдвиг фаз пропорционален частоте, а групповая задержка по существу постоянна.
2. Применение операционного усилителя в компараторе напряжения
Эта схема фактически представляет собой комбинацию компаратора с нулевым переходом и схемы глубокого усилителя.
Выходной сигнал усиливается (1+R292/R273). Чем выше коэффициент усиления, тем круче нарастающий фронт прямоугольной волны.
В этой схеме также имеется ключевой компонент, на сопротивление которого следует обратить внимание, а именно R275, который определяет скорость нарастания прямоугольного сигнала.
3. Проектирование схемы источника постоянного тока
Как показано на рисунке, процесс анализа принципа постоянного тока выглядит следующим образом:
U5B (нижний операционный усилитель на рисунке выше) является повторителем напряжения, поэтому V1=V4;
Согласно принципу виртуального короткого замыкания операционного усилителя, для операционного усилителя U4A (верхний операционный усилитель на рисунке выше): V3=V5;
Объединяя приведенные выше уравнения, получаем:
Когда опорное напряжение Vref зафиксировано на уровне 1.8 В, резистор R30 равен 3.6 Ом, а выходной ток постоянен и составляет 0.5 мА.
Эта схема источника постоянного тока может быть использована для проектирования источников постоянного тока других токов. Основная идея такова: все резисторы должны использовать высокоточные резисторы с постоянными значениями сопротивления. Входное опорное напряжение (используя специальную микросхему опорного напряжения) делится на значение сопротивления для получения выходного тока.
Однако при реальном использовании для защиты цепи источника постоянного тока диод и резистор обычно подключаются последовательно на выходном конце. Первое преимущество этого заключается в предотвращении попадания внешних помех в цепь источника постоянного тока, что может привести к повреждению цепи источника постоянного тока, а второе — в предотвращении короткого замыкания внешней нагрузки, чтобы не повредить цепь источника постоянного тока.
5. Схема измерения теплового сопротивления
Схема на рисунке выше представляет собой типичную схему измерения терморезистора/пары. Идея измерения заключается в следующем: к нагрузке добавляется источник постоянного тока 1-10 мА, который будет генерировать определенное напряжение на нагрузке, и напряжение активно фильтруется. После обработки сигнал корректируется (усиление или ослабление сигнала), и, наконец, сигнал отправляется на интерфейс АЦП.
При использовании этой схемы обратите внимание на применение защиты на входном конце. TVS можно подключать параллельно, но обратите внимание на влияние конденсаторов на точность измерения. Конечно, если в некоторых недорогих случаях, то приведенную выше схему можно упростить до следующей схемы
При использовании операционных усилителей повторитель напряжения является обычным применением. Преимущества этой схемы: во-первых, она уменьшает влияние нагрузки на источник сигнала; во-вторых, она улучшает способность сигнала переносить нагрузку.
7.Применение одного источника питания
В реальном использовании операционных усилителей мы обычно используем два источника питания для поддержания частотных характеристик операционных усилителей. Однако иногда в реальном использовании у нас есть только один источник питания и мы также можем добиться нормальной работы операционного усилителя.
Сначала мы используем схему повторителя на операционном усилителе для получения делителя напряжения VCC/2:
Конечно, если требования не очень высоки, мы можем напрямую разделить напряжение с помощью резисторов, чтобы получить +VCC/2, но из-за особенностей деления напряжения резистором его динамическая скорость отклика будет очень медленной, поэтому используйте его с осторожностью.
После получения +VCC/2 мы можем использовать один источник питания для достижения функции усиления сигнала, как показано ниже:
В этой схеме R66=R67//R68, а выходной коэффициент усиления сигнала составляет G=-R67/R68.
Конкретное применение показано на рисунке ниже: операционный усилитель питается от одного +5V_AD, а напряжение чипа AD составляет 3.3 В (получено с помощью чипа опорного напряжения REF3033). 3.3 В делятся резисторами и затем поступают на операционный усилитель для получения 1.65 В, которые подаются на синфазный входной терминал операционного усилителя.
