12 самых значительных усилителей мощности всех времен

2.

Вантуз
Невероятные истории о вантузе.
Забавно, но никто точно не знает, когда именно и для каких целей был изобретен вантуз. Однако известно, что монгольские племена использовали устройство, которое состояло из деревянной рукоятки и резинового клапана, для кражи детей. Вы будете смеяться, но опытный воин на скаку присасывался устройством к бритой голове мальчишки и ловким движением поднимал его на коня. Устройство, похожее на вантуз, входило в арсенал японских ниндзя. Иногда принцип вантузов использовали для экстренной сцепки вагонов.
Одним словом, история этого незамысловатого предмета необычайно многогранна и интересна. И несмотря на то, что современная функция вантуза весьма прозаична, его внешний вид и дизайн совершенно не изменился: все та же деревянная палка и резиновый клапан в виде полусферы.

«Во всем есть красота, но не каждый ее видит»

Rakicevic / Pexels.com

Мы живем в эпоху быстрых алгоритмов и информационной перегрузки. С самого пробуждения нас кормят информацией о том, что мы должны есть, покупать, чувствовать и думать. В среднем более 11 часов в день мы «приклеены» к нашим экранам. Мы стали так одержимы поиском способов увеличить продуктивность, что неудивительно, что стали «выгорать».

Что нужно сделать сейчас каждому из нас, так это замедлиться и стать более внимательными.

Нужно осознать, что аромат жизни не рассеивается в ритме стремлений, он парит под мелодию тишины. Вы не сможете почувствовать запах, вкус и красоту вокруг вас, если вы постоянно бежите. Вы должны остановиться и оглянуться вокруг. Вы должны открыть свое сердце, чтобы увидеть то, что слепо для глаз.

1Gai.Ru / Shutterstock.com

Эта перспектива внимательности сегодня более актуальна, чем когда-либо прежде, но есть еще один важный аспект: под поверхностью всего, что вы видите, и находится скрытая красота.

Истинная красота, жизнь и все, что в ней несовершенно, расцветает от этого естественного несовершенства. Если что-то ломается – оно не становится уродливым или бесполезным. Точно так же наличие шрамов на теле не означает, что вы недостойны. Не прячьтесь в тени собственного солнца – научитесь полностью любить и ценить то, что может сломаться.

Как применить: Что действительно важно в жизни, так это ценить моменты, в которых мы находимся, и осознавать очарование самых простых вещей, которые предлагает жизнь: закат и его яркую палитру, смену времен года, звук ветра и шуршащих листьев. Так что останавливайтесь, чтобы ловить красоту, которая неподвластна течению времени

3.5 Аналого-цифровой преобразователь

3.5.1 Общие сведения

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Полученный код в виде отсчетов можно сохранить, обработать, вычислить преобразование Фурье, тем самым получить спектр измеряемого сигнала.

Любой АЦП является измерительным устройством, в котором происходит сравнение с опорным напряжением. Сравнение происходит в двоичной системе счисления.

Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в производство средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями (АЦП и ЦАП).

Современный этап характеризуется АЦП и ЦАП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение АЦП в устройства сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.

Микроконтроллера ADUC842, на основе которого выполнен стенд LESO1, включает в себя высококачественный мультиплексируемый АЦП с 8-мю каналами.

Блок АЦП представляет собой 8 -канальный 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь с быстродействием 2.4 мксек и однополярным питанием. Блок включает 13-канальный мультиплексор, встроенный источник опорного напряжения, систему калибровки и собственно преобразователь последовательного типа. Блок управляется через три регистра специальных функций.

Преобразователь воспринимает входные аналоговые сигналы в диапазоне от 0 до +U_оп. Может использоваться опорное напряжение +U_оп., формируемое встроенным источником, либо подаваемое от внешнего источника. Встроенный источник опорного напряжения представляет собой прецизионную схему с низким дрейфом, откалиброванную на напряжение 2,5В.

АЦП микроконвертора ADUC842 построен по архитектуре последовательного приближения. В АЦП последовательного приближения выходные данные, соответствующие дискретному входному сигналу, формируются в конце соответствующего интервала преобразования.

Среднее потребление тока блоком АЦП примерно равно 1,6 мА при напряжении питания микроконтроллера 5 В. АЦП можно установить в режим передачи данных по каналу прямого доступа к памяти (ПДП, DMA – direct memory access), когда блок повторяет циклы преобразования и посылает выборки во внешнюю память данных, минуя процессор. Об этом режиме работы АЦП будет сказано в пятой главе. Микроконвертер ADuC842 поставляется с заводскими калибровочными коэффициентами, которые загружаются автоматически после включения питания и обеспечивают оптимальную работу устройства. Блок АЦП содержит внутренние регистры калибровок смещения (ADCOFSL, ADCOFSH) и усиления (ADCGAINL, ADCGAINH), причем программная процедура калибровки пользователя подавляет заводские установки. Это дает возможность минимизировать ошибки в конечной системе.

Результат преобразования сигнала записывается как 12-битный код. Этот результат записывается в регистры ADCDATAL и ADCDATAH. Причем, младшие 8 бит записываются в регистр ADCDATAL, а старшие 4 бита в младшие 4 бита регистра ADCDATAH. В старшие 4 бита регистра ADCDATAH записывается номер канала АЦП для дальнейшего их различения при необходимости.

Рисунок 3.15 – Формат результата преобразования АЦП.

3.5.2 Передаточная функция АЦП

В диапазоне входных напряжений АЦП от 0 до +U_оп. смена кодов происходит посередине очередного приращения, равного младшему значащему разряду LSB (1/2 LSB, 3/2 LSB, 5/2 LSB,…, (LS-3/2 ) LSB). Как уже было сказано, 1 LSB = U_оп./2N =(2,5 В)/212 = 610 мкВ. Таким образом, цифровой код представляет собой нормализованное отношение аналогового сигнала к опорному сигналу. Идеализированная передаточная характеристика показана на рисунке 3.16.

Рисунок 3.16 – Формат результата преобразования АЦП.

Как видно из рисунка 3.16, на самом деле передаточная характеристика АЦП состоит из ступеней, но при рассмотрении смещения, усиления и линейности АЦП мы рассматриваем линию, соединяющую средние точки этих отрезков.

6.

Мышеловка
Мышеловка тогда и сейчас.
Грызуны донимали человечество с незапамятных времен. Неудивительно, что долгие годы борьбы с мышами и крысами привели к созданию мышеловки. Это произошло в 1898 году, и с тех пор конструкция и материалы изготовления особо не изменились. Правда появились более гуманные варианты традиционной мышеловки, которые не убивают мышь, а лишь удерживают. Однако, большинство людей, опробовав их, приходят к мнению, что они не эффективны.
Как бы там ни было, по данным исследований, именно мышеловка в классическом понимании является наиболее гуманным способом убийства грызуна. Наверное именно поэтому мы используем это приспособление уже более 120 лет.

Сноски

1. Подробности схемы длиннохвостой пары, использованной в ранних вычислениях, можно найти в Автоматическая вычислительная машина Алана Тьюринга (Издательство Оксфордского университета, 2005 г., ISBN  0-19-856593-3) в Части IV, «ЭЛЕКТРОНИКА»
2. Длинный хвост образное имя высокое сопротивление который представляет собой высокое сопротивление эмиттера в синфазном режиме с общим длинным хвостом с пропорциональной длиной (в дифференциальном режиме этот хвост укорачивается до нуля). Если между эмиттерами и общим узлом включить дополнительные эмиттерные резисторы с малым сопротивлением (чтобы внести небольшую отрицательную обратную связь в дифференциальном режиме), их можно образно представить как короткие хвосты.
3. В более общем смысле эту схему можно рассматривать как два взаимодействующих повторителя напряжения с отрицательной обратной связью: выходная часть дифференциальной пары действует как повторитель напряжения с постоянным входным напряжением (стабилизатор напряжения), производящий постоянное выходное напряжение; входная часть действует как повторитель напряжения с изменяющимся входным напряжением, пытаясь изменить устойчивое выходное напряжение стабилизатора. Стабилизатор реагирует на это вмешательство изменением своей выходной величины (тока или напряжения), которая служит выходом схемы.
4. Интересен тот факт, что отрицательная обратная связь как бы полностью изменила поведение транзистора — ток коллектора стал входной величиной, а ток базы — выходной величиной.
5. При таком расположении кажется странным, что высокий выигрыш дифференциальный усилитель (операционный усилитель) используется как компонент низкий коэффициент усиления дифференциальный усилитель, так как инвертирующий усилитель с высоким коэффициентом усиления (операционный усилитель) служит в качестве компонента в системе с низким коэффициентом усиления. . Этот парадокс усилителей с отрицательной обратной связью препятствовал Гарольд Блэк получение его патента.
6. Чтобы коэффициент усиления синфазного сигнала в замкнутом контуре был равен нулю, требуется только соотношение сопротивлений р_ж / р_я быть подобраны в инвертирующих и не инвертирующих ногах. Для подавления входных токов смещения должно соблюдаться указанное здесь более строгое соотношение.

Альберт Эйнштейн в молодости и зрелом возрасте

В конце 19-го столетия семья Эйнштейнов переезжает в Италию. Не окончив мюнхенскую гимназию, Альберт собирается поступать в Политехникум Цюриха, однако проваливает вступительные экзамены. И только после обучения в школе Аарау ему удаётся стать студентом Цюрихского Политехникума.

Эйнштейн окончил ВУЗ блестяще, но из-за неуживчивого характера продолжить научную деятельность ему не разрешили. Долгое время он не мог найти работу, пока его приятель не помог устроиться в 1902-м году в Бернское Бюро патентования изобретений. Работа в Бюро позволила Эйнштейну ознакомиться с интересными патентными заявками, что впоследствии повлияло и на его собственные разработки.

Эйнштейн в патентном бюро

В 1905-м году Альберт Эйнштейн опубликовал первые работы, которые стали фундаментом его будущей Теории относительности. Тогда же он вывел свою знаменитую формулу Е=mc2, за что был впервые выдвинут на Нобелевскую премию.

Мировое признание к Эйнштейну пришло в 1919-м, когда исследователи нашли подтверждение постулатов спорной теории относительности во время солнечного затмения.

В 1922-м он получил Нобелевскую премию, но за другое его открытие — фотоэффекта.

В 30-х годах прошлого столетия из-за антисемитских настроений в Европе он вынужден был перебраться в США, где и прожил до конца жизни.

Что будет на выходе ОУ, если на обоих входах будет ноль вольт?

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать  значения или -E Вольт, или +E Вольт.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит.

ОУ с нанопотреблением Nano power

Семейство TSU1x представляет собой наиболее подходящий выбор при построении автономных датчиков и портативных устройств. Этому способствует ряд факторов (таблица 3):

• сверхнизкие питающие напряжения 1.5…5.5 В позволяют использовать стандартные низковольтные батареи;
• максимальный потребляемый ток не превышает 750 нА, а типовое значение составляет всего 580 нА! При использовании стандартной литиевой батареи на 200 мА•ч срок службы составит 42 года;
• значения входного тока лежат в диапазоне единиц пикоампер при 25°C (типовое значение 5 пА), это делает возможным нормирование сигналов высокоимпедансных датчиков, например, сверхчувствительных фотодиодов;
• ОУ устойчивы к броскам питающего напряжения.

Таблица 3. Основные характеристики семейства ОУ Nano power

Параметр	Наименование
TSU101	TSU102	TSU104
Число ОУ в корпусе	1	2	4
Ток потребления при 25°C (макс), мкА	0.58
Напряжение питания, В	1.5…5.5
Напряжение смещения 25°C (макс), мВ	3
Входной ток (Ibias) (макс), пА	5
Частота (тип), МГц	0.008
Выходной ток (тип), мА	5
Эквивалентный входной шум (тип), нВ/√ Гц	265
Рабочая температура, °C	-40…85
Исполнение Automotive	–

TSU1x могут с успехом применяться в автономных датчиках (датчики задымления), счетчиках (воды, газа), портативных измерительных приборах, считывателях штрих-кодов.

Перспективным является использование TSU1x для нормирования, фильтрации и усиления сигналов датчиков в газоанализаторах . Как показал анализ, в ряде случаев всего одного TSU104 хватает для получения готовой схемы.

Отличия реальных ОУ от идеального[править | править код]

Параметры ОУ, характеризующие его неидеальность, можно разбить на группы:

Параметры по постоянному токуправить | править код

• Ограниченное усиление: коэффициент G_openloop не бесконечен (тпичное значение 105 ÷ 106 на постоянном токе). Этот эффект заметно проявляется только в случаях, когда коэффициент передачи каскада с ОУ отличается от парметра G_openloop в небольшое число раз (усиление каскада отличается от G_openloop на 1÷2 порядка или еще меньше).
• Ненулевой входной ток (или, что почти то же самое, ограниченное входное сопротивление): типичные значения входного тока составляют 10-9 ÷ 10-12 А. Это накладывает ограничения на максимальное значение сопротивлений в цепи обратной связи, а также на возможности с источником сигнала. Некоторые ОУ имеют на входе дополнительные цепи для защиты входа от чрезмерного напряжения — эти цепи могут значительно ухудшить входное сопротивление. Поэтому некоторые ОУ выпускаются в защищенной и незащищенной версии.
• Ненулевое . Данное ограничение не имеет большого значения, так как наличие обратной связи эффективно уменьшает выходное сопротивление каскада на ОУ (практически до сколь угодно малых значений).
• Ненулевое напряжение смещения: требование о равенстве входных напряжений в активном состоянии для реальных ОУ выполняется не совсем точно — ОУ стремится поддерживать между своими входами не точно ноль вольт, а некоторое небольшое напряжение (напряжение смещения). Другими словами, реальный ОУ ведет себя как идеальный ОУ, у которого внутри последовательно с одним из входов включен генератор напряжения с ЭДС U_см. Напряжение смещения — очень важный параметр, он ограничивает точность ОУ, например, при сравнении двух напряжений. Типичные значения U_см составляют 10-3 ÷ 10-6 В.
• Ненулевое усиление синфазного сигнала. Идеальный ОУ усиливает только разницу входных напряжений, сами же напряжения значения не имеют. В реальных ОУ значение входного синфазного напряжения оказывает некоторое влияние на выходное напряжение. Данный эффект определяется параметром коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС, англ. common-mode rejection ratio, CMRR), который показывает, во сколько раз приращение напряжения на выходе меньше, чем вызвавшее его приращение синфазного напряжения на входе ОУ. Типичные значения: 104 ÷ 106.

Параметры по переменному токуправить | править код

• Ограниченная полоса пропускания. Любой усилитель имеет конечную полосу пропускания, но фактор полосы особенно значим для ОУ, поскольку они имеют внутреннюю частотную коррекцию для увеличения запаса по фазе.
• Ненулевая входная ёмкость. Образует паразитный фильтр низких частот.

Нелинейные эффекты:править | править код

• Насыщение — ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).
• Ограниченая скорость нарастания. Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1÷100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних емкостей.

Ограничения, обусловленные питаниемправить | править код

• Ограниченный выходной ток. Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.
• Ограниченная выходная мощность. Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

Обозначения[править | править код]

Обозначение операционного усилителя на схемах

На рисунке показано схематичное изображение ОУ

здесь:

• V₊: неинвертирующий вход
• V₋: инвертирующий вход
• V_out: выход
• V_S+: плюс источника питания (также может обозначаться как VDDV_\mathrm{DD}, VCCV_\mathrm{CC} , или VCC+V_\mathrm{CC+} )
• V_S−: минус источника питания (также может обозначаться как VSSV_\mathrm{SS}, VEEV_\mathrm{EE} , или VCC−V_\mathrm{CC-} )

Указанные пять выводов присутствуют в любом ОУ, они абсолютно необходимы для его функционирования. Помимо этого, некоторые ОУ могут иметь дополнительные выводы, предназначенные для:

• установки тока покоя
• частотной коррекции
• балансировки (коррекции смещения)

и ряда других функций.

Выводы питания (V_S+ и V_S−) могут быть обозначены по-разному (см. выводы питания интегральных схем). Вне зависимости от обозначений смысл остается одним и тем же. Часто выводы питания не рисуют на схеме, чтобы не загромождать ее несущественными деталями, при этом способ подключения этих выводов явно не указывается или даже считается очевидным (особенно часто это происходит при изображении одного усилителя из микросхемы с четырьмя усилителями с общими выводами питания). При обозначении ОУ на схемах можно менять местами инвертирующий и неинвертирующий входы, если это удобно; выводы питания, как правило, всегда располагают единственным способом (положительный вверху).

5-Hour Energy

Бывший монах Маной Бхаргава придумал свой продукт после дегустации энергетического напитка на торговой выставке в Калифорнии. Он взял большую бутылку и подумал, что ее мини-версия была бы намного привлекательнее для покупателей.

Он не ошибся. Бхаргава разработал стимулирующую смесь кофеина и витаминов группы В, которую он упаковал в крошечные бутылки по несколько унций. Напиток обеспечивал непревзойденную бодрость на протяжении 5 часов и превосходил аналогичные продукты по многим параметрам. 5-Hour Energy стал продаваться везде: в аптеках, супермаркетах и магазинах. Маной буквально взял Америку штурмом.

Теперь энергетик покупают все — от спортсменов до студентов, а его продажи уже принесли бывшему монаху прибыль в 4 млрд долларов.

Как вычислить в толпе гения

Всем гениям присущи три основных психологических качества, которыми обладали все великие люди. Первое — это любовь к простоте. Примером может послужить Стив Джобс, который потребовал от своих разработчиков, чтобы во время создания ставшего популярным плеера iPod они спроектировали такую возможность, чтобы любой пользователь смог быстро найти нужную ему песню и для этого ему бы потребовалось не более трех кликов.

Работники Джобса прислушались к его желанию, и модель мгновенно стала раскупаться во всем мире, поскольку была признанна очень удобной. А все благодаря стремлению Стива Джобса к простоте. Хоть и бытует мнение, что гении не всегда понятны окружающим, они ничего не усложняют.

Вторым качеством, которым обладают гении, является перфекционизм. Все, за что бы они ни брались, гении всегда доводят до совершенства, не довольствуясь средним результатом. Именно поэтому они и достигают вершин успеха, ведь благодаря своему перфекционизму действительно все делают лучше большинства людей.

Еще одной отличительной чертой гениев является умение и стремление работать в коллективе. Они никогда не идут по пути к своему успеху в одиночку, поскольку это просто нерационально, и гении это прекрасно понимают. К примеру, уже упомянутый Стив Джобс добился величия именно благодаря своему умению работать в команде, в которой у него были десятки талантливых инженеров и разработчиков.

Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП

На рис. 7 приведена схема с однополярным питанием, в которой напряжение на несимметричный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подается с инструментального усилителя. Опорное напряжение усилителя обеспечивает напряжение смещения, соответствующее нулевому дифференциальному входному напряжению, а опорное напряжение АЦП обеспечивает коэффициент масштабирования. Для снижения внеполосного шума между выходом ИУ и входом АЦП часто применяется простой сглаживающий RC-фильтр нижних частот. Разработчики часто соблазняются простыми решениями — например, для подачи опорного напряжения на ИУ и АЦП применяют резистивные делители вместо низкоомного источника. Для некоторых ИУ это может послужить причиной появления погрешности.

Рис. 7. Типичная схема подачи сигнала с ИУ на АЦП с однополярным питанием

Операционный усилитель как дифференциальный усилитель

Рисунок 5: Дифференциальный усилитель операционного усилителя

An операционный усилитель, или операционный усилитель, представляет собой дифференциальный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления в дифференциальном режиме, очень высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. Дифференциальный усилитель на операционном усилителе может быть построен с предсказуемым и стабильным усилением, применяя отрицательный обратная связь (рисунок 5). Некоторые виды дифференциальных усилителей обычно включают несколько более простых дифференциальных усилителей. Например, полностью дифференциальный усилитель, инструментальный усилитель, или развязывающий усилитель часто строятся из комбинации нескольких операционных усилителей.

Два операционных усилителя INA

Схема инструментального усилителя с двумя операционными усилителями

На картинке выше показана популярная схема инструментального усилителя на основе двух усилителей. В этой схеме общий коэффициент усиления устанавливается с помощью одного резистора, обозначенного ниже как «RG», вот что получается:

Одним из ограничений этой схемной архитектуры является то, что она не поддерживает единичное усиление. Хотя большинство инструментальных усилителей используются для обеспечения усиления (и, следовательно, единичное усиление не критично), в некоторых приложениях инструментальный усилитель используется специально для подавления синфазного сигнала. Таким образом, разумно предположить, что INA может использоваться в конфигурации с единичным усилением для некоторых приложений. Еще одно ограничение INA с двумя операционными усилителями заключается в том, что диапазон синфазного сигнала на входе ограничен, особенно при более низких коэффициентах усиления и при использовании с операционными усилителями с однополярным питанием. Имейте в виду, что усилитель в левой части схемы должен усиливать входной сигнал в неинвертирующем узле на 1+. Таким образом, если общий режим входного сигнала слишком высок, усилитель перейдет в режим насыщения (на выходе закончится запас по уровню).

Одним из ограничений схемы разностного усилителя, был низкий входной импеданс. Как видно на второй картинке, схема INA с двумя операционными усилителями не имеет этой проблемы, поскольку два дифференциальных входных сигнала поступают непосредственно на входные контакты усилителей, которые обычно имеют импедансы в миллионы Ом

Однако из-за разницы в трактах входных сигналов существует разница в задержках между дифференциальными входными сигналами, что приводит к плохому подавлению синфазных сигналов по частоте — критически важной спецификации для инструментальных усилителей. Подобно схеме разностного усилителя, подавление синфазного сигнала на постоянном токе снова ограничивается согласованием соотношений резисторов

Монолитный INA, основанный на архитектуре с двумя операционными усилителями, по своей природе будет иметь лучшее согласование резисторов и отслеживание температуры по сравнению с дискретным решением, поскольку резисторы на основе кремния могут быть подрезаны для обеспечения согласования порядка 0,01%. Тем не менее, архитектура INA с двумя операционными усилителями имеет некоторые определенные ограничения, которые невозможно преодолеть без изменения архитектуры схемы.

Ссылки[править | править код]

• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ.— 4-е изд., перераб. и доп.— М.: Мир, 1993.—413 с., ил. ISBN 5-03-002337-2.
• Курс лекций
• Викиучебник по операционным усилителям(англ.)
• Описание некоторых стандартных применений ОУ(англ.)
• Большая коллекция схем на ОУ с однополярным питанием(англ.)
• Коллекция типовых схем с использованием ОУ фирмы National Instruments(англ.)

• Operational Amplifier Basics by Harry Lythall.(англ.) Основы приенения ОУ.
• Op-Amp Handbook.(англ.) Большая книга по применению ОУ.
• Логарифмические и другие преобразователи на ОУ(англ.)
• Operational amplifiers(англ.) Познавательная статья об ОУ.

Следствия для архитектур с диапазоном входных напряжений, меньшим напряжения питания

Как уже отмечалось, большинство усилителей имеют выход rail-to-rail, но для входных сигналов это не так. Для прецизионных схем проектирование каскадов с входом rail-to-rail представляет особенно трудную задачу, поскольку переход от режима с синфазным напряжением в окрестности V_CC к режиму с синфазным напряжением в окрестности напряжения «земли» не может быть идеальным: во время этого перехода между парами n— и p-типов в дифференциальном входном каскаде могут возникать напряжения смещения. Малое значение V_OS и высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) — основные требования к правильно сконструированному прецизионному инструментальному усилителю. Поскольку CMRR = DV_OS/DV_CM, изменение V_OS при изменении синфазного напряжения в переходной области значительно ухудшает номинальное значение CMRR.

Вследствие этого, у большинства прецизионных инструментальных усилителей диапазон входных напряжений обычно меньше напряжения питания, хотя напряжение отрицательной шины (0 В) все же входит в диапазон допустимых синфазных напряжений. Перестроив графики на рис. 3 с учетом рассмотренных ограничений на синфазное напряжение, можно получить графики для инструментального усилителя на базе трех ОУ, работающего от одного источника питания, с учетом входного каскада с диапазоном напряжений, меньшим напряжения питания (рис. 5).

Архитектура с косвенной обратной связью по току

Архитектура с косвенной обратной связью по току — новый подход к проектированию инструментальных усилителей, приобретший чрезвычайную популярность ввиду множества преимуществ. На рис. 6 показана реализация архитектуры с косвенной обратной связью по току в инструментальных усилителях MAX4462 и MAX4209.

Эта новая архитектура предусматривает усилитель с высоким коэффициентом усиления (C) и два усилителя тока, управляемых напряжением (A и B). Каждый из усилителей A и B преобразует входное дифференциальное напряжение в выходной ток и полностью подавляет синфазное входное напряжение. В стабильной рабочей точке усилителя выходной ток g_M-каскада A равен входному току g_M-каскада B. Это равенство обеспечивается обратной связью через усилитель C, которая принудительно обеспечивает равенство дифференциального напряжения на входе усилителя обратной связи B дифференциальному напряжению на входах усилителя A. Схема устанавливает определенное значение тока в цепочке выходных резисторов (равное V_DIFF/R1). Этот ток также протекает через R2. Поэтому выходное напряжение на выводе OUT — это не что иное, как усиленное дифференциальное входное напряжение (G = 1+R2/R1). Далее на выходе можно установить смещение, подав произвольное опорное напряжение на вход REF, как в стандартном инструментальном усилителе с тремя ОУ.

Изобразив принцип действия компонента на блок-схеме (рис. 7) и сравнив результат с рис. 2, можно увидеть ключевое преимущество. Промежуточный сигнал в инструментальном усилителе на базе трех ОУ содержит не только усиленное дифференциальное напряжение, но и синфазное входное напряжение. В отличие от этого, в архитектуре с косвенной обратной связью по току содержится только представление дифференциального входного напряжения с небольшой задержкой. Первый каскад обеспечивает все подавление синфазного сигнала. Второй каскад обеспечивает все дифференциальное усиление и увеличивает подавление синфазного напряжения, позволяя при необходимости сместить выход на величину опорного напряжения. В итоге ограничения на синфазное входное напряжение, свойственные инструментальным усилителям на базе трех ОУ, отсутствуют как таковые в архитектуре с косвенной обратной связью по току.

С учетом ограничений на величину синфазного входного напряжения (для входного каскада с диапазоном напряжений, меньшим напряжения питания) переходные характеристики приобретают вид, похожий на графики рис. 8. Черными областями обозначен расчетный диапазон синфазных входных напряжений, в котором доступен весь диапазон выходных напряжений. Серые области представляют диапазон синфазных входных напряжений, в котором инструментальный усилитель работает так, как ожидается: напряжение на его выходе пропорционально дифференциальному входному напряжению, а синфазное входное напряжение полностью подавляется. Черная область, содержащаяся в серой области, обозначает пределы, в которых доступен весь диапазон выходных напряжений.

Spanx

Саре Блейкли гениальная идея пришла в 1996 году, когда она работала менеджером по продажам. На работе она должна была носить колготки. Блейкли нравился их утягивающий эффект, но она ненавидела швы, которые выглядывали из ее туфель с открытым носом.

Однажды вечером Блейкли собиралась на вечеринку и хотела надеть пару белых брюк, но у нее не было нижнего белья, которое бы не просвечивало сквозь ткань. Поэтому она просто взяла пару своих колготок и обрезала им нижнюю часть. Так и родилось бесшовное белье Spanx. Марка была создана в 2000 году, и вскоре продукция Сары появилась во всех крупных магазинах и принесла женщине 1 млрд долларов.

Идеальный операционный усилитель[править | править код]

Для того, чтобы рассматривать функционирование ОУ в режиме с обратной связью, необходимо вначале ввести понятие идеального операционного усилителя. Идеальный ОУ является физической абстракцией, то есть не может реально существовать, однако позволяет существенно упростить рассмотрение работы схем на ОУ благодаря использованию простых математических моделей.

Идеальный ОУ описывается формулой (1) и обладает следующими характеристиками:

1. Бесконечно большой коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи G_openloop.
2. Бесконечно большое входное сопротивление входов V_— и V₊. Другими словами, ток, протекающий через эти входы, равен нулю.
3. Нулевое выходное сопротивление выхода ОУ.
4. Бесконечно большая скорость нарастания напряжения на выходе ОУ.
5. Полоса пропускания: от постоянного тока до бесконечности.

Пункты 4 и 5 в действительности следуют из формулы (1), поскольку в нее не входят временны́е задержки и фазовые сдвиги. Из перечисленных условий следует свойство ОУ, упрощающее рассмотрение схем с его использованием:

То есть выполняется равенство:

V+−V−= V_+ — V_- = 0~

(2)

Легко убедиться в справедливости равенства (2). Допустим, (2) нарушено — имеет место небольшая разность напряжений. Тогда входное дифференциальное напряжение, усиленное в ОУ, вызвало бы (вследствие бесконечного коэффициента усиления) бесконечно большое выходное напряжение, которое, в соответствии с определением ООС, ещё уменьшило бы разность входных напряжений. И так до тех пор, пока равенство (2) не будет выполнено. Заметим, что выходное напряжение может быть любым — оно определяется видом обратной связи и входным напряжением.

Эффекты насыщения входного усилителя

Рассмотрим случай, когда выход усилителя A1 насыщается до уровня «земли». Иными словами, V_IN+ > V_IN–, и синфазное напряжение находится в области, обозначенной как X на рис. 4 (V_DIFF превышает допустимое на ширину серой области).

Поскольку A1 насыщен (V_OUT1 = 0), он переходит в компараторный (нелинейный) режим работы, и напряжение на его инвертирующем входе более не будет обязательно равным напряжению на неинвертирующем входе (V_IN–). Усилитель A2 в этом случае действует как неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным 1+R1/(R1+R_G) для напряжений на его неинвертирующем входе (V_IN+). Для усилителя с высоким коэффициентом усиления R_G << R1, и поэтому усилитель A2 действует просто как неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 2:

Выходное напряжение дифференциального усилителя второго каскада A3 равняется просто разности входных напряжений V_OUT1 и V_OUT2:

Аналогичным образом, если A2 насыщается до уровня «земли»:

Этот режим работы потенциально опасен для инструментального усилителя на базе трех ОУ. Инструментальный усилитель не только прекращает усиливать дифференциальное входное напряжение, но к тому же вместо плавного ухудшения характеристик по некоторому закону начинает усиливать синфазное входное напряжение относительно дифференциального входного напряжения. Дело усугубляется еще тем, что синфазные напряжения обычно не контролируются и, скорее всего, являются нежелательным шумом, который искажает представляющие интерес сигналы. Это серьезная проблема, поскольку инструментальный усилитель используется главным образом как раз для того, чтобы устранить такой шум.