Меню

Виртуальная земля для питания оу



ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Операционные усилители в линейных схемах.Часть 2

В прошлой статье я начал рассказывать о применении ОУ в линейных схемах, в частности привёл различные схемы применения ОУ в неинвертирующем включении. Сегодняшняя статья продолжает тему ОУ в линейных схемах и будет описано применение инвертирующих ОУ.

Инвертирующий усилитель

Наибольшее распространение среди схем на ОУ, получила схема инвертирующего усилителя и производные от данной схемы: различные типы инвертирующих сумматоров. Схема инвертирующего усилителя показана ниже

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.


Инвертирующий усилитель.

Данная схема состоит из операционного усилителя DA1 и резисторов R1 и R2. В данной схеме операционный усилитель DA1 охвачен параллельной отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению.

Для рассмотрения работы данной схемы вспомним одно из основных соотношений в идеальном ОУ: напряжение между входами равно нулю. Исходя из этого, неинвертирующий и инвертирующий входы ОУ имеют одинаковый потенциал относительно общего вывода, в данном случае этот потенциал равен нулю (часто точку соединения резисторов R1 и R2 называют виртуальной землёй). Вследствие этого токи протекающие через резисторы R1 и R2 должны уравновешивать друг друга, то есть быть одинаковыми по значению но разными по знаку

где IR1, IR2 – токи, протекающие через резисторы R1 и R2 соответственно.

Исходя из этого, коэффициент усиления данной схемы составит

Знак «-» показывает, что выходной сигнал инвертирован по отношению к входному .

Входное сопротивление данной схемы получается из последовательно соединённых сопротивлений R1 и параллельно соединённых входного сопротивления ОУ RBX.ОУ и уменьшенного в 1+KОУ раз сопротивления обратной связи R2

где КОУ – коэффициент усиления ОУ.

В общем случае, когда коэффициент усиления операционного усилителя КОУ имеет достаточно большую величину можно считать, что входное сопротивления инвертирующего ОУ будет равно сопротивлению R1.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя, состоящего из ОУ охваченного параллельной ООС по напряжению, вычисляется по той же формуле, что и неинвертирующий усилитель.

Выбор компонентов схемы

Для нормального функционирования схем необходимо, что бы в элементах не было превышения предельно допустимых параметров (ток, напряжение, мощность), поэтому при разработке схем существуют некоторые пределы в которых должны находиться значения пассивных компонентов.

В схеме инвертирующего усилителя такими компонентами являются резисторы R1 и R2. Сопротивление резистора R1 определяет входное сопротивление схемы. Его необходимо увеличивать, чтобы не допустить перегрузку источника сигнала, поэтому его сопротивление выбирают в пределах 1…10 кОм, реже десятков кОм.

Величина резистора R2 существенно влияет на шумовые параметры усилителя (с увеличением R2 растёт дрейф нуля), поэтому его необходимо выбирать минимальной величины. Однако на величину сопротивления R2 накладывается ограничение, по максимально допустимому выходному току ОУ, поэтому для большинства случаев можно рекомендовать выбирать R2 по следующей формуле

В общем случае величина сопротивления резистора R2 лежит в пределах 20…100 кОм, реже 0,1…10 Мом.

Инвертирующий сумматор

Работа данной схемы полностью соответствует своему названию, то есть на выходе схемы формируется сумма входных напряжений, а полярность напряжения меняется на обратную.

Существует несколько разновидностей инвертирующих сумматоров: сумматор с масштабными коэффициентами (нормирующий сумматор), усредняющий инвертирующий усилитель и инвертирующий сумматор с усилением, но все они представляют собой одинаковую схему, то разняться соотношения между входящими пассивными элементами. Ниже представлена схема инвертирующего сумматора с тремя входами

Читайте также:  Статья полезные продукты питания


Инвертирующий сумматор на основе ОУ.

Инвертирующий сумматор в общем случае состоит из ОУ DA1, сопротивления обратной связи R4 входных резисторов R1, R2 и R3. Данная схема в своей основе построена на инвертирующем усилителе и поэтому напряжение на выходе ОУ инвертировано по отношению ко входному напряжению. Все соотношения соответствующие инвертирующему усилителю остаются справедливы и для инвертирующего сумматора.

Работа данной схемы основана на том, что на инвертирующем выводе DA1 создана виртуальная земля поэтому сумма токов протекающих через резисторы R1, R2 и R3 равна току протекающему через резистор R4

где IR1, IR2, IR3, IR4 – токи, протекающие через резисторы R1, R2, R3 и R4 соответственно.

Таким образом, напряжение на выходе схемы будет равно сумме напряжений на входах схемы умноженных на соответствующие коэффициенты усиления

В зависимости от соотношения между коэффициентами усиления разных входных каналов (К1, К2, К3), а в общем случае между сопротивления резисторов R1, R2, R3 и R4 данная схема может выполнять различные действия между входными сигналами, а на выходе получать результат этих действий.

Смеситель сигналов

В смесителе сигналов сумма входных напряжений равна выходному напряжению. Для реализации данного функционала необходимо, чтобы входные сопротивления и сопротивление обратной связи имели одинаковое значение. В этом случае коэффициент усиления по каждому каналу будет равен единице

В смесителе сигналов входные напряжения UBX1, UBX2 и UBX3, а следовательно входные токи не взаимодействуют друг с другом, так как на инверсном входе ОУ создана виртуальное заземление. Данное свойство является очень полезным для смешивания сигналов звуковой частоты. К примеру, источниками входных сигналов являются микрофоны, то сигналы поступающие с них будут суммироваться или смешиваться. Таким образом использую такой инвертирующий сумматор сигнал с одного микрофона не пойдёт на другие микрофоны, поэтому достаточно легко реализовать схему регулирования громкости. В этом случае достаточно поставить переменный резистор до одного из входных резисторов.

Инвертирующий сумматор с усилением

Инвертирующий сумматор с усилением иногда называют масштабным усилителем или нормирующим сумматором. Он имеет схему аналогичную обычному инвертирующему сумматору, а особенности его работы заключаются в выборе величин резистора обратной связи и входных резисторов. Так если в смесителе сигналов все резисторы беруться одинакового номинала, чтобы коэффициент усиления в каждом канале был равен единице, то в сумматоре с усилением резистор обратной связи R4 не изменяется, а входные резисторы подбираются в зависимости от требуемого коэффициента усиления в канале

Инвертирующий сумматор с усилением находит применение в схемах, где в разные каналы усиления приходят сигналы с разными уровнями напряжения, а на выходе схемы необходимо получать одинаковый уровень сигнала для всех каналов усиления.

Усредняющий сумматор

Ещё одной функцией, которую может выполнять инвертирующий сумматор является получение среднего значения между входными напряжениями. Схемное решение аналогично предыдущим рассмотренным сумматорам, а отличие как обычно в номиналах резисторов обратной связи и входных.

В усредняющем сумматоре номиналы входных резисторов выбираются одинакового значения R, а номинал резистора в цепи обратной связи – в n раз меньше чем входные резисторы

Читайте также:  Комус каталог продукты питания

где n – количество входных каналов.

Компенсация напряжения смещения

Одним из показателей качества операционных усилителей, является напряжение смещения, которое определяется, как напряжение, которое необходимо приложить к входным выводам ОУ, чтобы на выходе получить нулевое выходное напряжение. В идеальном ОУ для получения нулевого выходного напряжения необходимо нулевое входное напряжение.

При работе ОУ влияние напряжения смещения проявляется в том, что входной сигнал до того как появится на выходе, должен превысить напряжение смещения. Кроме того напряжение смещения также как и полезный сигнал усиливается ОУ.

Для устранения данного недостатка вводятся специальные цепи компенсирующие напряжение смещения, в простейшем случая такой цепью компенсации напряжения смещения является резистор, который включается между неинвертирующим входом ОУ и «землёй». Величина сопротивления данного резистора равна сопротивлению параллельно соединённых резисторов обратной связи и резистора на входе ОУ. Так для инвертирующего усилителя сопротивление компенсации напряжения смещения будет вычисляться по следующей формуле

А для инвертирующего сумматора с тремя входами

При конструировании схем на ОУ, после расчёта сопротивления смещения необходимо выполнить более точную регулировку таким образом, чтобы разность напряжений между входами была минимальной.

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

Источник

Виртуальная площадка — Virtual ground

В электронике , А виртуальная земля (или виртуальная земля ) представляет собой узел схемы , которая поддерживается на постоянный опорный потенциале, не будучи подключенным непосредственно к опорному потенциалу. В некоторых случаях считается, что опорный потенциал равен потенциалу поверхности земли, и, как следствие, опорный узел называется «землей» или «землей».

Концепция виртуального заземления помогает при анализе схем в операционном усилителе и других схемах и обеспечивает полезные практические эффекты схемы, которые было бы трудно достичь другими способами.

В теории цепей , А узел может иметь любое значение тока или напряжения , но физические реализации виртуальной земли будет иметь ограничение тока способности обработки и ненулевого сопротивление , который может иметь практические побочные эффекты.

Содержание

строительство

Делитель напряжения , с помощью двух резисторов, могут быть использованы для создания виртуального узла заземления. Если два источника напряжения соединены последовательно с двумя резисторами, можно показать, что средняя точка становится виртуальной землей, если

V вне V в знак равно — р ж р в <\ displaystyle <\ frac >> >>> = — <\ frac >> >>>>

Активную виртуальную цепь заземления иногда называют разделителем рельсов. В такой схеме используется операционный усилитель или какой — либо другой элемент схемы с усилением. Поскольку операционный усилитель имеет очень высокий коэффициент усиления без обратной связи , разность потенциалов между его входами стремится к нулю при использовании цепи обратной связи. Это означает, что выход подает на инвертирующий вход (через сеть обратной связи) напряжение, достаточное для уменьшения разности потенциалов между входами до микровольт. Точнее можно показать, что выходное напряжение усилителя на рисунке примерно равно . Таким образом, пока усилитель работает в своей линейной области (выходной сигнал ненасыщен, частоты находятся в диапазоне операционного усилителя), напряжение на инвертирующем входном выводе остается постоянным по отношению к реальной земле и не зависит от нагрузок, на которые выход может быть подключен. Это свойство характеризует «виртуальную землю». — р ж р я п V я п <\ displaystyle - <\ frac > >> V_ >

Читайте также:  Передача про продукты питания нтв

Приложения

Напряжение — это дифференциальная величина, которая появляется между двумя точками. Чтобы иметь дело только с напряжением ( электрическим потенциалом ) одной точки, вторая точка должна быть соединена с контрольной точкой ( землей ). Обычно клеммы источника питания служат устойчивыми заземлениями; когда внутренние точки составных источников питания доступны, они также могут служить реальными площадками.

Если нет доступных внутренних точек источника, точки внешней цепи, имеющие постоянное напряжение по отношению к клеммам источника, могут служить искусственными виртуальными заземлениями . Такая точка должна иметь постоянный потенциал, который не меняется при приложении нагрузки.

Источник

Создание мощной виртуальной земли с помощью шести буферов и двух MOSFET

Louis Vlemincq, Бельгия

Виртуальная земля необходима, когда требуется организовать двуполярное питание, располагая лишь однополярным источником, например, батареей в портативном устройстве. Иногда сделать это совсем несложно, создав среднюю точку с помощью делителя из высокоомных резисторов. А если импеданс земли должен быть более низким, чем может обеспечить делитель, это простое решение можно усовершенствовать, добавив буферный усилитель.

Однако в случае дисбаланса токов в созданной таким образом земле задача усложняется, так как буфер должен быть уже не просто мощным, а способным рассеивать энергию, пропорциональную разнице токов в плечах. Это нерационально, расточительно, и даже может потребовать применения громоздких радиаторов.

Рисунок 1. Несмотря на то, что для этой схемы требуется больше компонентов, чем для решения на основе классического резистивного делителя, собранный на шести инверторах генератор/усилитель класса D, управляющий двумя MOSFET, намного повышает качество виртуальной земли.

В предлагаемой схеме (Рисунок 1) проблема решается просто, дешево и эффективно. Резистивный делитель и буфер в этой схеме сохранились, однако используются теперь совсем по-другому. Буфер превратился в усилитель-генератор класса D, способный отдавать в землю много ампер тока и возвращать любой «разбаланс» обратно в источник питания. Схема компактна и эффективна, а формируемая ею мощная земля стабильна и точна.

Генератор сделан на шестиканальной КМОП микросхеме буферного инвертора CD4069. Большинство инверторов просто выполняет функцию драйверов затворов мощных MOSFET. Вместе с установленным на входе инвертором U1 элементы микросхемы CD4069 образуют неинвертирующий усилитель. Через конденсатор C3 замыкается цепь положительной обратной связи, обеспечивающей автоколебания схемы.

Вся схема управления питается плавающим напряжением, привязанным к выходу. Это напряжение создается из входного постоянного напряжения диодами D3 … D6 и парой резисторов R6/R7. R2 и R3 задают потенциал виртуальной земли. В рассматриваемом примере эти резисторы равны, что чаще всего и требуется, однако ничто не мешает сделать источник питания асимметричным.

Для повышения точности между R2 и R3 можно добавить подстроечный резистор. С показанными на схеме номиналами компонентов частота ШИМ составляет примерно 45 кГц. В случае необходимости изменить частоту следует подобрать другой конденсатор C3.

Мощные MOSFET и индуктивность следует выбирать в соответствии с ожидаемым выходным током. Если требуется особо чистая земля, удалить остаточные пульсации можно с помощью LC фильтра, включенного после элементов L1 и C6/C7.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник