Аналогові вимірювання
Одноканальний інвертувальний підсилювач на здвоєному операційному підсилювачі Texas Instruments LM358 із коефіцієнтом підсилення -3.6 В/В від двополярного живлення ±12 В.
Огляд схеми
Клікніть на будь-який компонент схеми вище, щоб переглянути його параметри, номінал і призначення.
Схему побудовано за рисунком 8-1 офіційного даташиту Texas Instruments LM358 SLOS068AB як класичний інвертувальний підсилювач. Працюючи від симетричних ліній живлення ±12 В, він забезпечує коефіцієнт підсилення за напругою Av = -RF / RI = -36 кОм / 10 кОм = -3.6 В/В. Симетричне живлення дає змогу підсилювати двополярні сигнали (вхідний розмах ±0.5 В формує вихідний розмах ∓1.8 В) відносно нульового потенціалу землі. Високий коефіцієнт підсилення без зворотного зв'язку утримує інвертувальний вхід у режимі віртуального нуля (0 В), а глибокий від'ємний зворотний зв'язок забезпечує високу лінійність, стабільну частотну характеристику до 152 кГц та низький вихідний опір.
| Коефіцієнт підсилення (Av) | -3.6 В/В (-11.13 дБ, інверсія фази 180°) |
|---|---|
| Вхідний резистор (RI / R1) | 10 кОм, 1%, 0.125 Вт |
| Резистор зворотного зв'язку (RF / R2) | 36 кОм, 1%, 0.125 Вт |
| Діапазон вхідного сигналу (VI) | ±0.5 В номінально (1.0 В розмах) |
| Діапазон вихідного сигналу (VO) | ∓1.8 В номінально (3.6 В розмах) |
| Шини напруги живлення (V+ / V-) | ±12 В двополярне (робочий діапазон від ±1.5 В до ±16 В) |
| Смуга малого сигналу (-3 дБ) | ≈ 152 кГц (GBW = 0.7 МГц, підсилення шуму = 4.6) |
| Вхідний імпеданс (ZIN) | 10 кОм (визначається R1) |
Операційний підсилювач LM358 живиться від симетричних джерел ±12 В (+12 В підведено до виводу 8 V+, -12 В — до виводу 4 V-). Двополярні шини дають змогу внутрішньому двотактному вихідному каскаду класу AB формувати як додатні, так і від'ємні півхвилі напруги відносно системного нуля (0 В), усуваючи зрізання гармонік змінного та двополярного постійного струму.
Неінвертувальний вхід (IN+ / вивід 3) з'єднано безпосередньо із землею схеми (0 В). Завдяки колосальному власному коефіцієнту підсилення ОП (A_OL ≈ 100 дБ) та від'ємному зворотному зв'язку різниця напруг між входами V_ID = V+ - V- зводиться практично до нуля. Відповідно, інвертувальний вхідний вузол на виводі 2 утримується під нульовим потенціалом, утворюючи віртуальну землю.
Оскільки вхідний каскад LM358 на PNP-транзисторах Дарлінгтона має вкрай малий струм зміщення (IB ≈ 20 нА типово), практично весь струм від вхідного резистора R1 спрямовується через резистор зворотного зв'язку R2. За першим законом Кірхгофа для вузла віртуального нуля:
IIN = (VIN - 0V) / (RI) = (0V - VOUT) / (RF)Виразивши вихідну напругу V_OUT, отримуємо класичне рівняння інвертувального масштабування:
VOUT = -VIN × (RF) / (RI) = -VIN × (36kΩ) / (10kΩ) = -3.6 × VINВхідний сигнал розмахом ±0.5 В інвертується за фазою на 180° і підсилюється до ∓1.8 В.
Через фіксацію вузла інвертування на віртуальному нулі вхідний опір схеми визначається виключно резистором R1:
ZIN = RI = 10kΩНа відміну від неінвертувальних схем із гігаомним вхідним опором, інвертувальний підсилювач споживає від джерела струм I_IN = ±0.5 В / 10 кОм = ±50 мкА. Джерела вхідного сигналу повинні мати низький вихідний імпеданс (< 10 Ом), щоб уникнути похибки послаблення коефіцієнта передачі.
LM358 має добуток підсилення на смугу пропускання (GBW) близько 0.7 МГц (700 кГц) і типову швидкість наростання 0.3 В/мкс. За коефіцієнта підсилення шуму A_N = 1 + RF / RI = 1 + 3.6 = 4.6 В/В смуга пропускання за малим сигналом (-3 дБ) становить:
f-3dB ≈ (GBW) / (1 + (RF) / (RI)) = (700kHz) / (4.6) ≈ 152 kHzДля сигналів великої амплітуди (3.6 В від піку до піку) максимальна частота без спотворень обмежується швидкістю наростання до приблизно 26.5 кГц, після чого синусоїдальний сигнал перетворюється на трикутний.
Розрахунок інвертованої вихідної напруги за відношенням опорів зворотного зв'язку та входу.
| Символ | Параметр | Типове значення |
|---|---|---|
| VOUT | Підсилена вихідна напруга | -1.8V |
| VIN | Вхідна напруга сигналу | 0.5V |
| RF | Резистор зворотного зв'язку | 36kΩ |
| RI | Вхідний резистор | 10kΩ |
Розрахунок частоти зрізу -3 дБ за добутком підсилення на смугу (GBW) та підсиленням шуму.
| Символ | Параметр | Типове значення |
|---|---|---|
| f_{ − 3dB} | Високочастотна межа зрізу -3 дБ | 152.2kHz |
| GBW | Добуток підсилення на смугу (GBW) | 700kHz |
| RF | Резистор зворотного зв'язку | 36kΩ |
| RI | Вхідний резистор | 10kΩ |
Розрахунок максимальної частоти вихідного сигналу повної амплітуди без спотворень наростання.
| Символ | Параметр | Типове значення |
|---|---|---|
| fFPBW | Смуга повної потужності | 26.5kHz |
| SR | Швидкість наростання напруги ОП | 0.3V/µs |
| VP | Пікова амплітуда вихідної напруги | 1.8V |
Усі деталі, потрібні для складання цієї схеми. Оберіть позиційне позначення, щоб переглянути елемент на схемі.
| Позн. | Компонент | Номінал | Корпус | Роль у схемі | Довідка |
|---|---|---|---|---|---|
| Здвоєний операційний підсилювач Texas Instruments LM358P, SLOS068AB Rev. AB; Вивід 1 OUT1, Вивід 2 IN1-, Вивід 3 IN1+, Вивід 4 GND/V-, Вивід 8 V+. | LM358P | PDIP-8 | Інвертувальний операційний підсилювач (використано канал A) | Здвоєний операційний підсилювач: розпіновка та даташит | |
| Вхідний послідовний резистор 10 кОм, 1%, 0.125 Вт металоплівковий резистор. Задає вхідний імпеданс 10 кОм. | 10kΩ | Axial / 0805 | Масштабування вхідного сигналу та формування вхідного імпедансу | — | |
| Резистор зворотного зв'язку 36 кОм, 1%, 0.125 Вт металоплівковий резистор. Задає коефіцієнт підсилення -3.6 В/В. | 36kΩ | Axial / 0805 | Від'ємний зворотний зв'язок масштабування | — |
Пастки, на які натрапляють під час реального складання, і як їх уникнути.
При зміні напрямку вихідного струму через 0 В між режимами витоку та втікання струму комплементарний вихідний каскад LM358 класу AB потрапляє в мертву зону, утворюючи високочастотні імпульсні викиди спотворень.
Підключіть зовнішній резистор підтяжки (від 2 кОм до 10 кОм) між виходом (вивід 1) та від'ємною шиною живлення (-12 В). Це змусить верхній NPN-транзистор безперервно віддавати струм, переводячи вихідний каскад у чистий режим класу A.
Вхідні PNP-транзистори Дарлінгтона мікросхеми LM358 мають струм зміщення (IB ≈ 20 нА..100 нА), що витікає з обох входів. Пряме заземлення виводу IN+ опором 0 Ом створює нескомпенсоване падіння напруги на паралельній комбінації RI || RF (7.83 кОм), яке підсилюється на виході.
Встановіть компенсувальний резистор RP = RI || RF ≈ 7.5 кОм..8.2 кОм послідовно між неінвертувальним входом IN+ (вивід 3) та землею для вирівнювання еквівалентних опорів джерел.
Через невелику швидкість наростання 0.3 В/мкс робота з сигналами повної амплітуди (3.6 В розмаху) на частотах понад 26 кГц спричиняє швидкісне обмеження, спотворюючи синусоїду до трикутної форми.
Обмежте робочу частоту сигналів повної амплітуди рівнем 25 кГц або застосуйте швидкісний операційний підсилювач із сумісною цоколівкою (наприклад, TL072 зі швидкістю 13 В/мкс або OPA2134 зі швидкістю 20 В/мкс).
Оскільки вхідний імпеданс схеми визначається виключно резистором RI (10 кОм), внутрішній опір джерела сигналу R_source додається до RI, зменшуючи реальний коефіцієнт передачі до значення -RF / (RI + R_source).
Подавайте сигнал від джерел із низьким вихідним опором (< 10 Ом) або зменшуйте номінал R1 на величину відомого опору джерела, щоб сумарний опір дорівнював 10 кОм.
Зібрали, змоделювали чи переглянули цю схему? Підтвердьте її або повідомте про неправильний компонент, номінал чи з’єднання.
Відкриває публічну форму на GitHub, де цю сторінку вже вказано; потрібен безкоштовний акаунт GitHub. Як працюють звіти й підтвердження
Здвоєний диференціальний компаратор Texas Instruments LM393 у неінвертуючій конфігурації тригера Шмітта з гістерезисом 48.5 мВ додатної петлі зворотного зв'язку, порогом 2.5 В і виходом із відкритим колектором.
Дискретний ключ нижнього плеча на NPN-біполярному транзисторі для комутації котушки реле з демпферним діодом 1N4007, насиченим базовим керуванням та фільтрацією живлення для логіки 3.3V/5V.
Дискретний перехресно зв'язаний релаксаційний генератор на двох транзисторах, що забезпечує почергове блимання світлодіодів без інтегральних мікросхем.