0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Дифференциальный усилитель; схема на ОУ и его предназначение

Дифференциальный усилитель — схема на ОУ и его предназначение

Дифференциальный усилитель - схема на ОУ и его предназначение

В тех случаях, когда требуется получить не абсолютное значение напряжения в некоторой точке (относительно уровня земли), а требуется разность напряжений между двумя точками, применяется дифференциальный усилитель. Чаще всего такая необходимость возникает при работе с датчиками, а так же микрофонами.

Дифференциальный усилитель — это усилитель, обладающий двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных сигналов, умноженный на константу. Константа в данном случае — это коэффициент усиления дифференциального усилителя.

Фишкой данного типа усилителей является то, что сигнал приходящий на оба входа одновременно не усиливается. Т.е. если к полезному сигналу примешаны синфазные помехи или постоянные уровни, то усилен будет только полезный сигнал. Помимо этого такие усилители обладают высоким коэффициентом усиления, высоким входным полным сопротивлением и большим Коэффициентом Ослабления Синфазного Сигнала (КОСС).

Эти свойства делают дифференциальный усилитель невероятно полезным и даже незаменимым при усилении очень маленьких по величине сигналов, например, от различных датчиков.

Помимо этого дифференциальный усилитель используется в симметричных линиях передачи данным, например, при симметричном подключении микрофона. Т.к. длина микрофонного кабеля может быть значительной (более 50м), на него отлично наводятся различные помехи. В случае применения симметричного включения микрофона помехи приходят на оба входа дифференциального усилителя в фазе, и не усиливаются им.

Виды и обозначения на схеме

С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.

Классификация по сферам применения:

  1. Индустриальные — дешевый вариант.
  2. Презиционные (точная измерительная аппаратура).
  3. Электрометрические (малое значение Iвх).
  4. Микромощные (потребление малого I питания).
  5. Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
  6. Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
  7. Низковольтные (работают при U<3 В).
  8. Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
  9. Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
  10. С низким уровнем шума.
  11. Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
  12. Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
  13. Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
  14. Усилительные каскады готового типа.
  15. Специализированные.

Что такое операционный усилитель?

По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:

  1. С 2 входами.
  2. С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.

Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

  1. V+ — неинвертирующий вход.
  2. V- — инвертирующий вход.
  3. Vout — выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) — плюсовая клемма ИП.
  4. Vs- (Vss, Vee, Vcc-) — минус ИП.

Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.

Выводы для питания необязательно обозначать, т.к. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.

П-, ПИ-, ПД-, ПИД — регуляторы

В данном разделе приведены описания алгоритмов работы и законы регулирования непрерывных П-, ПИ-, ПД-, ПИД-регуляторов с различными структурами выходного сигнала — аналоговым выходом, дискретным (импульсным) выходом или ШИМ-выходом (широтно импульсным модулированным сигналом).

Типовые регуляторы и регулировочные характеристики

Д ля регулирования объектами управления, как правило, используют типовые регуляторы, названия которых соответствуют названиям типовых звеньев (описание типовых звеньев представлено в разделе 2.4):

    1. П-регулятор, пропорциональный регулятор
      Передаточная функция П-регулятора: Wп(s) = K1. Принцип действия заключается в том, что регулятор вырабатывает управляющее воздействие на объект пропорционально величине ошибки (чем больше ошибка Е, тем больше управляющее воздействие Y).
    2. И-регулятор, интегрирующий регулятор
      Передаточная функция И-регулятора: Wи(s) = К/s. Управляющее воздействие пропорционально интегралу от ошибки.
    3. Д-регулятор, дифференцирующий регулятор
      ПередаточнаяфункцияД-регулятора: Wд(s) = К2*s. Д-регуляторгенерирует управляющее воздействие только при изменении регулируемой веричины: Y= K2 * dE/dt.

    В зависимости от выбранного вида регулятор может иметь пропорциональную характеристику (П), пропорционально-интегральную характеристику (ПИ), пропорционально-дифференциальную характеристику (ПД) или пропорционально-интегральную (изодромную) характеристику с воздействием по производной (ПИД-регулятор).

    1. ПИ-регулятор, пропорционально-интегральный регулятор (см. рис.3.18.а)
      ПИ-регулятор представляет собой сочетание П- и И-регуляторов. Передаточная функция ПИ-регулятора: Wпи(s) = K1 + K/s.
    2. ПД-регулятор, пропорционально-дифференциальный регулятор (см. рис.3.18.б)
      ПД-регулятор представляет собой сочетание П- и Д-регуляторов. Передаточная функция ПД-регулятора: Wпд(s) = K1 + K2 s.
    3. ПИД-регулятор, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (см. рис.3.18.в)

    ПИД-регулятор представляет собой сочетание П-, И- и Д-регуляторов. Передаточная функция ПИД-регулятора: Wпид(s) = K1 + K / s + K2 s.

    Наиболее часто используется ПИД-регулятор, поскольку он сочетает в себе достоинства всех трех типовых регуляторов.

    Структурные схемы непрерывных регуляторов

    В данном разделе приведены структурные схемы непрерывных регуляторов с аналоговым выходом -рис.2, с импульсным выходом — рис.3 и с ШИМ (широтно импульсным модулированным) выходом -рис.4.

    В процессе работы система автоматического регулирования АР (регулятор) сравнивает текущее значение измеряемого параметра Х, полученного от датчика Д, с заданным значением (заданием SP) и устраняет рассогласование регулирования E (B=SP-PV). Внешние возмущающие воздействия Z также устраняются регулятором. Работа приведенных структурных схем отличается методом формирования выходного управляющего сигнала регулятора.

    Непрерывный регулятор с аналоговым выходом

    Структурная схема непрерывного регулятора с аналоговым выходом приведена на рис.2.

    Выход Y регулятора АР (например, сигнал 0-20мА, 4-20мА, 0-5мА или 0-10В) воздействует через электропневматический преобразователь Е/Р сигналов (например, с выходным сигналом 20-100кПа) или электропневматический позиционный регулятор на исполнительный элемент К (регулирующий орган).

    где:
    АР — непрерывный ПИД-регулятор с аналоговым выходом,
    SP — узел формирования заданной точки,
    PV=X- регулируемый технологический параметр,
    Е — рассогласование регулятора,
    Д — датчик,
    НП — нормирующий преобразователь (в современных регуляторах является входным устройством)
    Y — выходной аналоговый управляющий сигнал Е/Р — электропневматический преобразователь,
    К — клапан регулирующий (регулирующий орган).

    Непрерывный регулятор с импульсным выходом

    Структурная схема непрерывного регулятора с импульсным выходом приведена на рис.3.

    Выходные управляющие сигналы регулятора — сигналы Больше и Меньше (транзистор, реле, симистор) через контактные или бесконтактные управляющие устройства (П) воздействуют на исполнительный элемент К (регулирующий орган).

    где:
    АР — непрерывный ПИД-регулятор с импульсным выходом,
    SP — узел формирования заданной точки,
    PV=X- регулируемый технологический параметр,
    Е — рассогласование регулятора,
    Д — датчик,
    НП — нормирующий преобразователь (в современных регуляторах является входным устройством) ИМП — импульсный ШИМ модулятор, преобразующий выходной сигнал Y в последовательность импульсов со скважностью, пропорциональной выходному сигналу: Q=Y/100. Сигналы Больше и Меньше — управляющие воздействия,
    П — пускатель контактный или бесконтактный,
    К — клапан регулирующий (регулирующий орган).

    Непрерывный регулятор с ШИМ (широтно импульсным модулированным) выходом

    Структурная схема непрерывного регулятора с ШИМ (широтно импульсным модулированным) выходом приведена на рис.4.

    Выходной управляющий сигнал регулятора (транзистор, реле, симистор) через контактные или бесконтактные управляющие устройства (П) воздействуют на исполнительный элемент К (регулирующий орган).

    Непрерывные регуляторы с ШИМ выходом широко применяются в системах регулирования температуры, где выходной управляющий симисторный элемент (или твердотельное реле, пускатель) воздействуют на термоэлектрический нагреватель ТЭН, или вентилятор.

    АР — непрерывный ПИД-регулятор с импульсным ШИМ выходом,
    SP — узел формирования заданной точки,
    PV=X- регулируемый технологический параметр,
    Е — рассогласование регулятора,
    Д — датчик,
    НП — нормирующий преобразователь (в современных регуляторах является входным устройством) ШИМ — импульсный ШИМ модулятор, преобразующий выходной сигнал Y в последовательность импульсов со скважностью, пропорциональной выходному сигналу: Q=Y/100.
    П — пускатель контактный или бесконтактный,
    К — клапан регулирующий (регулирующий орган).

    Согласование выходных устройств непрерывных регуляторов

    В ыходной сигнал регулятора должен быть согласован с исполнительным механизмом и исполнительным устройством.

    В соответствии с видом привода и исполнительным механизмом необходимо использовать выходное устройство непрерывного регулятора соответствующего типа, см. таблицу 1.

    Таблица 1 — Согласование выходных устройств непрерывных регуляторов

    Выходное устройство непрерывного регулятораТип выходного устройстваЗакон регулированияИсполнительный механизм или устройствоВид приводаРегулирующий орган
    Аналоговый выходЦАП с выходом 0-5мА, 0-20мА, 4-20мА, 0-10ВП-, ПИ-,ПД-, ПИД-законПреобразователи и позиционные регуляторы электро-пневматические и гидравлическиеПневматические исполнительные приводы (с сжатым воздухом в качестве вспомогательной энергии) и электропневматические преобразователи сигналов или электропневматические позиционные регуляторы, электрические (частотные привода)
    Импульсный выходТранзистор, реле, симисторП-, ПИ-, ПД-, ПИД-законКонтактные (реле) и бесконтактные (симисторные) пускателиЭлектрические приводы (с редуктором), в т. ч. реверсивные
    ШИМ выходТранзистор, реле, симисторП-, ПИ-, ПД-, ПИД-законКонтактные (реле) и бесконтактные (симисторные) пускателиТермоэлектрический нагреватель(ТЭН) и др.

    Реакция регулятора на единичное ступенчатое воздействие

    О дной из динамических характеристик обьекта управления является его переходная характеристика -реакция обьекта на единичное ступенчатое воздействие (см. Динамические характеристики), например, изменение заданной точки регулятора.

    В данном разделе приведены переходные процессы системы управления при единичном ступенчатом изменении заданной точки при использовании регуляторов с различным законом регулирования.

    Если на вход регулятора подается скачкообразная функция изменения заданной точки — см. рис. 5, то на выходе регулятора возникает реакция на единичное ступенчатое воздействие в соответствии с характеристикой регулятора в функции времени.

    П-регулятор, реакция на единичное ступенчатое воздействие

    П араметрами П-регулятора являются коэффициент усиления Кр и рабочая точка Y. Рабочая точка Y определяется как значение выходного сигнала, при котором рассогласование регулируемой величины равно нулю. При влиянии возмущающих воздействий возникает, в зависимости от Y, отклонение регулирования.

    Рисунок 6 — П-регулятор. Реакция на единичное ступенчатое воздействие

    ПИ-регулятор, реакция на единичное ступенчатое воздействие

    В отличие от П-регулятора у ПИ-регулятора, благодаря интегральной составляющей, исключается отклонение регулирования.

    Параметром интегральной составляющей является время интегрирования Ти.

    ПД-регулятор, реакция на единичное ступенчатое воздействие

    У ПД-регуляторов пропорциональная составляющая накладывается на затухающую дифференциальную составляющую.

    Д-составляющая определяется через усиление упреждения Уд и время дифференцирования Тд.

    ПИД-регулятор, реакция на единичное ступенчатое воздействие

    Б лагодаря дополнительному подключению Д-составляющей ПИД-регулятор достигает улучшения динамического качества регулирования.

    Какие есть аналоги?

    Существует немало аналогов у микросхемы LM358. Схема включения у них точно такая же, но все равно лучше свериться с даташитом, чтобы не ошибиться. Среди полных аналогов микросхемы можно выделить такие:

    • NE532;
    • ОР221;
    • ОР04;
    • ОР290;
    • ОРА2237;
    • UPC358C;
    • ОР295;
    • ТА75358Р.

    Также можно выделить аналоги элемента LM358D – это UPC358G, KIA358F, TA75358CF, NE532D. Существует немало похожих микросхем, которые отличаются от 358-й незначительно. Например, LM258, LM158, LM2409 полностью аналогичные характеристики имеют, но вот диапазон рабочих температур немного отличается.

    Назначение

    Зачем нужен компаратор и как его использовать без усилителя? В большинстве случаев, этот прибор применяется в несложных компьютерных схемах, где нужно сравнивать сигналы входящего напряжения. Это может быть зарядное устройство для ноутбука или телефона, весы (определитель массы), датчик сетевого напряжения AVR, таймер (компоратор типа lm 358, микроконтроллер и т. д. Также его применяют различные интегральные микросхемы для контроля входных импульсов, обеспечивая связь между источником сигнала и его центром назначения.

    компараторы для компьютера

    Фото — компараторы для компьютера

    Наиболее популярным примером является компаратор триггер (регулятор) Шиммера. Он работает в режиме многоканальности, соответственно, может сравнивать большое количество сигналов. В частности, данный триггер применяется для того, чтобы восстановить цифровой сигнал, который искажает связь в зависимости от уровня напряжения и расстояния источника питания.

    Это аналог стандартного компаратора, просто с более расширенным функционалом, который обеспечивает измерение нескольких входящих сигналов.

    ОУ компаратор

    Фото — ОУ компаратор

    Также есть компаратор шероховатости. Это устройство, которое помогает визуально определить состояние поверхности, которая уже подвергалась обработке. Применение этого приспособления обосновано необходимостью определять допуски обработанных ранее поверхностей.

    Схемы предусилителей-корректоров

    Схем таких существует великое множество но все они одинаковые по принципу и схемотехнике и различаются лишь номиналами частотозадающих цепей и применяемой элементной базой. Далее приведу кусочек текста из справочной литературы «прошлых» времён:

    «Качество воспроизведения механической записи сильно зависит от параметров магнитной головки звукоснимателя и характеристик предусилителя-корректора. Корректор, предназначенный для работы в составе высококачественной аппаратуры, должен иметь хорошие технические характеристики: низкий уровень собственных шумов и коэффициент гармоник, большой динамический диапазон и амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), обратную АЧХ канала записи при «изготовлении» винилового диска. Входное и выходное сопротивления также должны обеспечивать нормальное согласование магнитной головки и основного усилителем 3Ч. По крайней мерее ранее, для большинства выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью магнитных головок звукоснимателей был унифицирован средний уровень выходного сигнала на частоте l000 Гц при амплитуде колебательной скорости иглы 10 см/с в пределах 2,5 мВ. Оптимальное сопротивление нагрузки — 47 кОм.

    При таком сопротивлении для большинства головок гарантируется отсутствие заметных электрических резонансов в рабочем диапазоне частот и максимальное отношение сигнал-шум. Искажения и шумы, вносимые головкой звукоснимателя в общий тракт звуковоспроизведения, невелики, поэтому степень искажений и шумов в тракте в основном определяется характеристиками корректора. Поэтому «стандартными» считаются схемы предусилителей-корректоров, согласованных по входу с выходом магнитных звукоснимателей, работающих на нагрузку сопротивлением 47 кОм. Для всех корректоров номинальный уровень входных сигналов 2,5 мВ, выходное сопротивление 1 кОм.»

    Самый простой корректор можно собрать всего на двух транзисторах, однако это не значит, что он «плохой» — такой усилитель при хорошо подобранных малошумящих транзисторах с высоким коэффициентом усиления обеспечивает вполне пристойное звучание. По субъективным оценкам «транзисторный» звук гораздо приятнее и «мягче» микросхемного. Технические характеристики такого усилителя:

    • Максимальное входное напряжение…….. 40 мВ
    • Максимальное выходное напряжение…….. 4 В
    • Перегрузочная способность, не менее …….. 24 дБ
    • Коэффициент усиления на частоте 1 кГц……. 100
    • Отклонение АЧХ от стандартной……… ± 1 дБ
    • Отношение сигнал-шум (не взвешенное)……. 65 дБ
    • Коэффициент гармоник, не более……… 0,1%
    • Напряжение питания………… 15 В
    • Ток потребления………….. 1,5 мА

    Схема ниже приведена для примера и взята из справочной литературы по схемотехнике усилителей:

    ПРЕДУСИЛИТЕЛИ-КОРРЕКТОРЫ ДЛЯ «ВИНИЛА»

    Однако схемы корректоров на современных микросхемах-ОУ также имеют высокие технические параметры и при этом меньшее количество пассивных элементов, не нуждаются в тщательной настройке отдельных каскадов, то есть – проще в изготовлении. К тому же транзисторные схемы имеют тенденцию к росту нелинейных искажений с понижением частоты воспроизводимого сигнала и хоть это и устраняется введения глубокой обратной связи, но значительно снижает уровень выходного сигнала и требует применения дополнительных промежуточных каскадов усиления. Поэтому за основу изготовляемых мной предусилителей-корректоров была взята стандартная классическая схема на ОУ:

    ПРЕДУСИЛИТЕЛИ-КОРРЕКТОРЫ ДЛЯ «ВИНИЛА»

    Микросхема включена по схеме неинвертирующего усилителя с корректирующей цепочкой R3C3R4C4 в цепи ООС. Входное сопротивление самого ОУ велико, а сопротивление входного каскада определяется практически резистором R1. Входной конденсатор С1 обеспечивает развязку по постоянному току и. Кроме того, вместе с резистором R1 образует фильтр нижних частот, ослабляющий нежелательные сигналы сверхнизкой частоты, создаваемые механическими движущимися частями электрофона. Резистор R2 определяет коэффициент усиления каскада и позволяет при необходимости его регулировать. При использовании деталей с номиналами, указанными на схеме, усиление корректора на частоте 1000 Гц составляет 80 (38 дБ).

    «Родная» исходная схема собиралась в своё время ещё на «древних» ОУ К153УД2, К.140УД7, К140УД8, К140УД6, К153УД1, К153УДЗ, сейчас же можно с успехом применить любые современные микросхемы При подключении корректора к источнику питания (двуполярный, стабилизированный, напряжением ±12…18 В) он, как правило, начинает нормально работать при условии исправности всех элементов и отсутствии ошибок монтажа. Никакой настройки не требуется, но можно, подбирая сопротивление резистора R2 регулировать коэффициент передачи усилителя. А подбором конденсаторов С3, С4 регулировать подъем либо подавление высоких и низких составляющих АЧХ. Коэффициент гармоник корректора на частоте 1 кГц не превышает 0,03%.

    Подобная схема собиралась и в варианте с однополярным питанием (+15…18 вольт):

    ПРЕДУСИЛИТЕЛИ-КОРРЕКТОРЫ ДЛЯ «ВИНИЛА»

    Но всё же вариант с двуполярным питанием предпочтительнее для нормальной работы микросхемы.

    Для желающих поэкспериментировать предлагаю ещё одну схему из справочной литературы — корректор на одном ОУ с малошумящим транзисторным каскадом на входе. В этом корректоре для уменьшения шума на входе установлен дифференциальный каскад на малошумящих транзисторах, чем позволяет сочетать простоту корректора на микросхеме с возможностью получения малого шума за счет использования такого входного каскада. Корректор имеет следующие основные технические характеристики:

    • Максимальное входное напряжение …….. 120 мВ
    • Максимальное выходное напряжение . . . … … 9,5 В
    • Перегрузочная способность, не менее …….. 33 дБ
    • Коэффициент усиления на частоте 1 кГц……. 80
    • Отклонение АЧХ от стандартной……… ± 1 дБ
    • Отношение сигнал-шум (не взвешенное)……. 66 дБ
    • Коэффициент гармоник, не более . . . ….. 0,08%
    • Напряжение питания………… ±15 В
    • Ток потребления…………. . 10 мА

    Для получения минимального шума вход¬ного каскада коллекторный ток транзисторов VT1 и VT2 установлен также минимальным — около 50 мкА. Конденсатор С2 обеспечивает стабильность работы корректора по ВЧ. Других особенностей корректор не имеет и может быть собран на современной элементной базе без каких-либо изменений:

    ПРЕДУСИЛИТЕЛИ-КОРРЕКТОРЫ ДЛЯ «ВИНИЛА»

    ↑ Примечания переводчика

    Я не гарантирую абсолютную точность перевода. Практических опытов подтверждающих измерения автора я не делал. Вместе с тем, материал интересный и здесь собраны вместе технические решения, которые встречаются в разных конструкциях и статьях.

    Логарифмические потенциометры нужного размера и номинала найти весьма непросто, что и стало одной из причин данного перевода.
    Вместе с тем, большинство современных источников сигнала и самодельных предварительных усилителей имеет весьма низкое выходное сопротивление, что позволяет использовать описанный улучшенный регулятор громкости.

    голоса
    Рейтинг статьи
    Читать еще:  Синхронизация почты яндекса с the bat
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector