Базовий метод аналізу операційних підсилювачів: віртуальний розірваний ланцюг, віртуальне коротке замикання. Для незнайомих схем застосування операційних підсилювачів використовуйте цей базовий метод аналізу.
Операційні підсилювачі – це широко використовувані пристрої. При підключенні до відповідних мереж зворотного зв'язку їх можна використовувати як прецизійні підсилювачі змінного та постійного струму, активні фільтри, генератори та компаратори напруги.
- Застосування операційних підсилювачів в активній фільтрації
Наведений вище малюнок зображує типову схему активного фільтра (схема Сарона-Кейла, тип схеми Баттерворта). Перевага активної фільтрації полягає в тому, що вона може зробити сигнали, що перевищують частоту зрізу, швидше згасаючими, а характеристики фільтрації не вимагають високої ємності та опору.
Конструктивні особливості цієї схеми такі: за умови досягнення відповідної частоти зрізу, значення опору R233 та R230 повинні бути вибрані максимально послідовними, а ємність C50 та C201 повинна бути вибрана однаково послідовною (коли значення опору та ємності двоступеневої RC-схеми рівні, це називається схемою Сарона-Кейла), щоб типи пристроїв могли бути нормалізовані при забезпеченні продуктивності фільтрації. Серед них резистор R280 запобігає призупиненню входу, що призводить до аномального виходу операційного підсилювача.
Три найпоширеніші схеми активних фільтрів низьких частот другого порядку для фільтрації: Баттерворта, монотонно спадна, з плоскою та найплавнішою кривою;
Найбільш використовуваною у фільтрації низьких частот Баттерворта є схема Сарона-Кейла, яка є імітованою схемою.
Для фільтра потрібно знати його граничну частоту, або можна записати передавальну функцію та частотну характеристику.
Якщо фільтр також має функцію підсилення, вам потрібно знати коефіцієнт підсилення фільтра.
Коли значення опору та ємності двоступінчастого RC-контура рівні, вона називається контуром Серенка. В активний контур другого порядку вводиться негативний зворотний зв'язок, щоб вихідна напруга швидко падала в діапазоні високих частот.
Коефіцієнт посилення в смузі пропускання схеми активного фільтра низьких частот другого порядку становить 1+Rf/R1, що таке ж, як і у схеми фільтра низьких частот першого порядку;
Зверніть увагу, що одиницею вимірювання м є Ом, а одиницею вимірювання Н є ю.
Отже, гранична частота розраховується як
Чебишевський, швидко затухаючий, але з брижами в смузі пропускання;
Бесселя (еліптичний), фазовий зсув пропорційний частоті, а групова затримка по суті постійна.
2. Застосування операційного підсилювача в компараторі напруги
Ця схема насправді є комбінацією компаратора з перетином нуля та схеми глибокого підсилювача.
Вихідний сигнал підсилюється за допомогою (1+R292/R273). Чим вищий коефіцієнт підсилення, тим крутіший наростаючий фронт прямокутної хвилі.
У цій схемі також є ключове значення опору компонента, на яке потрібно звернути увагу, а саме R275, який визначає швидкість наростання прямокутної хвилі.
3. Проектування схеми джерела постійного струму
Як показано на рисунку, процес аналізу принципу постійного струму виглядає наступним чином:
U5B (нижній операційний підсилювач на рисунку вище) є повторювачем напруги, тому V1=V4;
Згідно з принципом віртуального короткого замикання операційного підсилювача, для операційного підсилювача U4A (верхній операційний підсилювач на рисунку вище): V3=V5;
Об'єднавши наведені вище рівняння, отримуємо:
Коли опорна напруга Vref фіксована на рівні 1.8 В, резистор R30 має опір 3.6, а вихідний струм постійний на рівні 0.5 мА.
Цю схему джерела постійного струму можна використовувати для проектування джерел постійного струму інших типів струмів. Основна ідея полягає в наступному: усі резистори повинні використовувати високоточні резистори з однаковими значеннями опору. Вхідна опорна напруга (за допомогою спеціального мікросхеми опорної напруги) ділиться на значення опору для отримання вихідного струму.
Однак, на практиці, для захисту кола джерела постійного струму, діод і резистор зазвичай з'єднуються послідовно на виході. Перша перевага цього полягає в запобіганні потраплянню зовнішніх перешкод у коло джерела постійного струму, що може призвести до пошкодження кола джерела постійного струму, а по-друге, запобіганні короткому замиканню зовнішнього навантаження, щоб не пошкодити коло джерела постійного струму.
5. Схема вимірювання теплового опору
Схема на рисунку вище є типовою схемою вимірювання терморезистора/перемикача. Ідея вимірювання полягає в наступному: до навантаження додається джерело постійного струму 1-10 мА, яке генеруватиме певну напругу на навантаженні, і ця напруга активно фільтрується. Після обробки сигнал коригується (підсилення або ослаблення сигналу), і, нарешті, сигнал надсилається на інтерфейс АЦП.
Під час використання цієї схеми зверніть увагу на застосування захисту на вхідному кінці. TVS можна підключати паралельно, але зверніть увагу на вплив конденсаторів на точність вимірювання. Звичайно, у деяких випадках з низькою вартістю, наведену вище схему можна спростити до наступної схеми.
При використанні операційних підсилювачів повторювач напруги є поширеним застосуванням. Переваги цієї схеми: по-перше, вона зменшує вплив навантаження на джерело сигналу; по-друге, вона покращує здатність сигналу переносити навантаження.
7. Застосування єдиного джерела живлення
У реальному використанні операційних підсилювачів ми зазвичай використовуємо два джерела живлення для підтримки частотних характеристик операційних підсилювачів. Однак іноді в реальних умовах використання ми маємо лише одне джерело живлення, і це також може забезпечити нормальну роботу операційного підсилювача.
Спочатку ми використовуємо схему повторювача операційного підсилювача для створення дільника напруги VCC/2:
Звичайно, якщо вимоги не дуже високі, ми можемо безпосередньо поділити напругу за допомогою резисторів, щоб отримати +VCC/2, але через характеристики поділу напруги на резисторах, його динамічна швидкість відгуку буде дуже повільною, тому використовуйте його з обережністю.
Після отримання +VCC/2, ми можемо використовувати одне джерело живлення для досягнення функції посилення сигналу, як показано нижче:
У цій схемі R66=R67//R68, а коефіцієнт посилення сигналу на виході G=-R67/R68.
Конкретне застосування показано на рисунку нижче: операційний підсилювач живиться від одного +5V_AD, а напруга мікросхеми АЦП становить 3.3 В (отримана мікросхемою опорної напруги REF3033). 3.3 В діляться на резистори, а потім подаються на операційний підсилювач для отримання 1.65 В, які подаються на синфазний вхідний термінал операційного підсилювача.
