Pomiary analogowe
Jednokanałowy wzmacniacz odwracający na podwójnym wzmacniaczu operacyjnym Texas Instruments LM358 o wzmocnieniu w pętli zamkniętej -3.6 V/V z zasilaniem symetrycznym ±12 V.
Przegląd układu
Kliknij dowolny element na schemacie powyżej, aby zobaczyć jego parametry elektryczne i rolę w układzie.
Układ stanowi implementację klasycznego wzmacniacza odwracającego z rysunku 8-1 oficjalnej karty katalogowej Texas Instruments LM358 SLOS068AB. Zasilany z symetrycznych szyn ±12 V, zapewnia wzmocnienie napięciowe w pętli zamkniętej Av = -RF / RI = -36 kΩ / 10 kΩ = -3.6 V/V. Symetryczne zasilanie umożliwia wzmacnianie sygnałów bipolarnych (wejście ±0.5 V daje wyjście ∓1.8 V) względem masy. Bardzo duże wzmocnienie w otwartej pętli utrzymuje wejście odwracające na potencjale wirtualnej masy (0 V), a ujemne sprzężenie zwrotne zapewnia wysoką liniowość, stabilną charakterystykę częstotliwościową do 152 kHz oraz niską impedancję wyjściową.
| Wzmocnienie w pętli zamkniętej (Av) | -3.6 V/V (-11.13 dB, odwrócenie fazy o 180°) |
|---|---|
| Rezystor wejściowy (RI / R1) | 10 kΩ, 1%, 0.125 W |
| Rezystor sprzężenia zwrotnego (RF / R2) | 36 kΩ, 1%, 0.125 W |
| Zakres sygnału wejściowego (VI) | ±0.5 V nominalnie (1.0 V międzyszczytowo) |
| Zakres sygnału wyjściowego (VO) | ∓1.8 V nominalnie (3.6 V międzyszczytowo) |
| Szyny zasilania (V+ / V-) | ±12 V symetryczne (zakres pracy od ±1.5 V do ±16 V) |
| Pasmo małosygnałowe (-3 dB) | ≈ 152 kHz (GBW = 0.7 MHz, wzmocnienie szumowe = 4.6) |
| Impedancja wejściowa (ZIN) | 10 kΩ (wyznaczona przez R1) |
Wzmacniacz operacyjny LM358 jest zasilany z symetrycznych szyn ±12 V (+12 V podłączone do pinu 8 V+, -12 V do pinu 4 V-). Szyny symetryczne pozwalają wewnętrznemu komplementarnemu stopniowi wyjściowemu klasy AB pracować bez zniekształceń w obu kierunkach względem masy (0 V), co umożliwia czyste wzmacnianie sygnałów zmiennych i stałych dwubiegunowych.
Wejście nieodwracające (IN+ / pin 3) jest połączone bezpośrednio z masą układu (0 V). Wewnętrzny stopień różnicowy i bardzo duże wzmocnienie napięciowe wzmacniacza (A_OL ≈ 100 dB) wymuszają poprzez pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego spadek różnicy napięć wejściowych V_ID = V+ - V- niemal do zera. W rezultacie węzeł wejścia odwracającego na pinie 2 utrzymuje potencjał 0 V, tworząc wirtualną masę.
Ponieważ tranzystory wejściowe PNP Darlingtona w LM358 pobierają znikomy prąd polaryzacji (IB ≈ 20 nA typowo), prąd sygnału płynący przez rezystor wejściowy R1 przepływa w całości przez rezystor sprzężenia zwrotnego R2. Zgodnie z I prawem Kirchhoffa w węźle wirtualnej masy:
IIN = (VIN - 0V) / (RI) = (0V - VOUT) / (RF)Wyznaczenie napięcia wyjściowego V_OUT daje klasyczne równanie wzmacniacza odwracającego:
VOUT = -VIN × (RF) / (RI) = -VIN × (36kΩ) / (10kΩ) = -3.6 × VINSygnał wejściowy o amplitudzie ±0.5 V jest odwracany w fazie o 180° i wzmacniany do ∓1.8 V.
Obecność wirtualnej masy na wejściu odwracającym sprawia, że impedancja wejściowa układu jest zdefiniowana wyłącznie przez rezystor szeregowy R1:
ZIN = RI = 10kΩW przeciwieństwie do stopni nieodwracających o impedancji rzędu gigaomów, wzmacniacz odwracający pobiera ze źródła prąd I_IN = ±0.5 V / 10 kΩ = ±50 µA. Źródła sygnału sterującego muszą charakteryzować się niską impedancją wyjściową (< 10 Ω), aby uniknąć tłumienia wzmocnienia.
LM358 charakteryzuje się iloczynem wzmocnienia i pasma (GBW) równym 0.7 MHz (700 kHz) oraz szybkością narastania napięcia (slew rate) rzędu 0.3 V/µs. Przy wzmocnieniu szumowym w pętli zamkniętej A_N = 1 + RF / RI = 1 + 3.6 = 4.6 V/V pasmo małosygnałowe (-3 dB) wynosi:
f-3dB ≈ (GBW) / (1 + (RF) / (RI)) = (700kHz) / (4.6) ≈ 152 kHzDla sygnałów o dużej amplitudzie (3.6 V międzyszczytowo) pasmo pełnej mocy jest ograniczone przez slew rate 0.3 V/µs do około 26.5 kHz, powyżej której sygnał sinusoidalny ulega zniekształceniu trójkątnemu.
Oblicza odwrócone napięcie wyjściowe na podstawie stosunku rezystancji sprzężenia do wejściowej.
| Oznaczenie | Parametr | Wartość typowa |
|---|---|---|
| VOUT | Wzmocnione napięcie wyjściowe | -1.8V |
| VIN | Napięcie sygnału wejściowego | 0.5V |
| RF | Rezystor sprzężenia zwrotnego | 36kΩ |
| RI | Rezystor wejściowy | 10kΩ |
Oblicza częstotliwość graniczną -3 dB na podstawie iloczynu GBW i wzmocnienia szumowego.
| Oznaczenie | Parametr | Wartość typowa |
|---|---|---|
| f_{ − 3dB} | Częstotliwość graniczna -3 dB | 152.2kHz |
| GBW | Iloczyn wzmocnienia i pasma (GBW) | 700kHz |
| RF | Rezystor sprzężenia zwrotnego | 36kΩ |
| RI | Rezystor wejściowy | 10kΩ |
Oblicza maksymalną częstotliwość dla szczytowej amplitudy wyjściowej bez zniekształceń narastania.
| Oznaczenie | Parametr | Wartość typowa |
|---|---|---|
| fFPBW | Pasmo pełnej mocy | 26.5kHz |
| SR | Szybkość narastania napięcia (slew rate) | 0.3V/µs |
| VP | Szczytowa amplituda napięcia wyjściowego | 1.8V |
Wszystkie elementy potrzebne do zbudowania tego układu. Wybierz oznaczenie, aby obejrzeć element na schemacie.
| Oznacz. | Komponent | Wartość | Obudowa | Rola w układzie | Dokumentacja |
|---|---|---|---|---|---|
| Podwójny wzmacniacz operacyjny Texas Instruments LM358P, SLOS068AB Rev. AB; wyprowadzenie 1 OUT1, wyprowadzenie 2 IN1-, wyprowadzenie 3 IN1+, wyprowadzenie 4 GND/V-, wyprowadzenie 8 V+. | LM358P | PDIP-8 | Wzmacniacz operacyjny odwracający (wykorzystany kanał A) | Podwójny wzmacniacz operacyjny: pinout i nota katalogowa | |
| Szeregowy rezystor wejściowy Rezystor metalizowany 10 kΩ, 1%, 0.125 W. Ustala impedancję wejściową na poziomie 10 kΩ. | 10kΩ | Axial / 0805 | Skalowanie sygnału wejściowego i wyznaczenie impedancji | — | |
| Rezystor sprzężenia zwrotnego Rezystor metalizowany 36 kΩ, 1%, 0.125 W. Ustala wzmocnienie na poziomie -3.6 V/V. | 36kΩ | Axial / 0805 | Ujemne sprzężenie zwrotne w pętli zamkniętej | — |
Pułapki spotykane przy prawdziwym montażu wraz z rozwiązaniem każdej z nich.
Podczas zmiany kierunku prądu wyjściowego przez potencjał 0 V między wypływaniem a wpływaniem prądu komplementarny stopień wyjściowy LM358 wchodzi w strefę martwą, co wywołuje szpilki zniekształceń skrośnych w przebiegach sinusoidalnych.
Dołącz zewnętrzny rezystor pull-down (od 2 kΩ do 10 kΩ) od wyjścia (pin 1) do szyny ujemnej (-12 V). Wymusi to ciągłą pracę górnego tranzystora NPN w czystej klasie A.
Wejściowe tranzystory PNP Darlingtona LM358 wykazują prąd polaryzacji (IB ≈ 20 nA do 100 nA) wypływający z obu wejść. Bezpośrednie uziemienie IN+ rezystancją 0 Ω wywołuje asymetrię spadku napięcia na równoległym połączeniu RI || RF (7.83 kΩ), wzmacniając stałoprądowe napięcie niezrównoważenia na wyjściu.
Włącz rezystor kompensacyjny RP = RI || RF ≈ 7.5 kΩ do 8.2 kΩ szeregowo między wejście nieodwracające IN+ (pin 3) a masę w celu wyrównania rezystancji stałoprądowych obu wejść.
Niewielka szybkość narastania 0.3 V/µs sprawia, że wysterowanie sygnałów o dużej amplitudzie (3.6 V p-p) powyżej 26 kHz powoduje obcinanie szybkościowe i deformację sinusoidy w przebieg trójkątny.
Ogranicz częstotliwość sygnałów o dużej amplitudzie poniżej 25 kHz lub zastosuj szybszy kompatybilny wzmacniacz operacyjny, np. TL072 (13 V/µs) lub OPA2134 (20 V/µs).
Ponieważ impedancja wejściowa układu zależy wyłącznie od RI (10 kΩ), rezystancja wewnętrzna źródła sygnału R_źródła dodaje się do RI, obniżając rzeczywiste wzmocnienie do -RF / (RI + R_źródła).
Steruj stopień odwracający z bufora o niskiej impedancji wyjściowej (< 10 Ω) lub skoryguj wartość R1, odejmując znaną rezystancję źródła.
Zbudowałeś, zasymulowałeś lub przejrzałeś ten obwód? Potwierdź go albo zgłoś błędną część, wartość lub połączenie.
Otwiera publiczny formularz na GitHubie z już wpisaną tą stroną; potrzebne jest bezpłatne konto GitHub. Jak działają zgłoszenia i potwierdzenia
Podwójny komparator różnicowy Texas Instruments LM393 w nieodwracającej konfiguracji przerzutnika Schmitta z histerezą 48.5 mV dzięki dodatniemu sprzężeniu zwrotnemu, progiem 2.5 V i wyjściem typu otwarty kolektor.
Dyskretny układ klucza dolnego na bipolarnym tranzystorze NPN do sterowania przekaźnikiem 12V z diodą gaszącą 1N4007, nasyceniem bazy i filtracją zasilania dla MCU 3.3V/5V.
Dyskretny generator relaksacyjny z dwoma tranzystorami w układzie ze sprzężeniem skrośnym, sterujący naprzemiennie diodami LED bez układów scalonych.