Электронный усилитель

Устройство операционного усилителя

Итак, операционный усилитель – это усилитель электрических сигналов, чаще всего постоянного тока, с высоким коэффициентом усиления в широкой полосе частот, предназначенный для выполнения различных математических операций над аналоговыми величинами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

Операционные усилители в настоящее время выпускаются различного назначения и для выполнения различных функций и хотя электрическая схема усилителей даже одного класса может различаться, но структурная схема, которая лежит в основе всех операционных усилителей остается единой. Изображение структурной схемы выполнено ниже

.
Структурная схема операционного усилителя

Таким образом, операционный усилитель представляет собой схему из последовательно соединённых трёх частей: входной усилитель на основе дифференциального каскада (иногда может быть несколько дифференциальных каскадов), каскад согласования уровней и выходной каскад.

Дифференциальный входной каскад, имея большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление, обеспечивает согласование операционного усилителя с источником сигнала. Довольно часто усиления одного входного каскада недостаточно, поэтому используется несколько дифференциальных усилителей на входе соединённых последовательно с симметричными входами и несимметричным выходом.

Каскад согласования уровней предназначен для согласования уровней напряжения между входным и выходным каскадами операционного усилителя. Кроме того данный каскад выполняет функцию усиления напряжения переменного тока и меет небольшое выходное сопротивление.

Выходной каскад операционного усилителя, обычно, не усиливает напряжение, но позволяет отдавать в нагрузку усилителя максимальное напряжение и ток, имеет небольшое выходное сопротивление, а мощность выделяемая на нём в случае отсутствия сигнала минимальна.

На изображении ниже показана принципиальная электрическая схема одного из первых операционных усилителей, выполненных по интегральной технологии, который разработал в 1963г. Роберт Видлар, инженер Fairchild Semiconductor

Электрическая принципиальная схема операционного усилителя μА702 (отечественный аналог К140УД1).

Данная схема содержит 9 транзисторов, 12 резисторов и 1 интегральный диод, в схеме отсутствуют конденсаторы, что даёт достаточно широкую полосу пропускания. В качестве входного усилителя используется дифференциальный каскад на транзисторах VT1VT2 с генератором стабильного тока на транзисторах VT3VT6. Дифференциальный каскад на транзисторах VT4VT5 совместно с транзисторами VT7VT8 выполняют роль каскада согласования уровней, а транзистор VT9 используется в качестве выходного каскада с небольшим выходным сопротивлением.

На принципиальных электрических схемах операционные усилители в интегральном исполнении обозначаются следующим образом

Обозначение операционных усилителей на принципиальных электрических схемах (слева иностранное, а справа отечественное изображение).

Виды усилителей по полосе пропускания

По ширине полосы пропускания усилители делятся на:

Усилители низкой частоты

Также их еще называют усилители звуковой частоты (УЗЧ). Они предназначенные для усиления сигналов с частотой от десятков Герц и до 20 кГц. 20 кГц – это предел частоты, которая может быть воспринята человеческим ухом. Поэтому, такой тип усилителей очень любят меломаны и радиолюбители.

Широкополосные усилители

Они позволяют  усиливать широкую полосу частот (например, от десятков герц до нескольких мегагерц). Здесь, думаю, все понятно.

Узкополосные усилители

Они усиливают узкую полосу частот. Это могут быть  резонансные фильтры, а также фильтры, которые строятся на основе УВЧ и УНЧ.

Усилители постоянного тока

Усиливают сколь угодно медленные электрические колебания, начиная с частоты, равной нулю герц (постоянный ток).

Если вы желаете больше знать об усилителях, то читайте статью основные параметры усилителя.

Звук

Внушительная мощность и отличная энергооснащенность усилителя дали в звучании вполне ожидаемое ощущение легкости и непринужденности при работе с любой акустикой и практически на любых уровнях громкости. Если выкрутить ручку громкости посильнее, можно услышать небольшую компрессию, а бас словно отодвигался на задний план, но это были очевидные признаки того, что НЧ-динамики приблизились к пределу своих возможностей, в то время как усилитель только начал разогреваться и был очень далек от состояния перегрузки.

В то же время на малых и средних уровнях громкости Atoll AM200 Signature показывал себя наилучшим образом. Середина была выразительна, детальность превосходна, а сцена — четко очерчена, с хорошо ощутимой глубиной и шириной. При прямом сравнении с усилителями класса А последние давали чуть более свободную и безграничную сцену и чуть тоньше отрабатывали мелкие детали в тихой камерной музыке.

Характер, свойственный классу АВ, наиболее ярко проявлялся у Atoll AM200 Signature на динамичной рок-музыке. Он выдавал очень собранный, быстрый и четкий бас, хорошо справляясь с резкими перепадами громкости и крупными штрихами. На джазе и классической музыке, требующих сочетать динамичность и мощь со способностью воспроизводить тонкие оттенки и нюансы, усилитель вел себя чуть менее уверенно

Казалось, что он слегка упрощает звучание, укрупняя музыкальные образы и уводя внимание от тонких оттенков к основной мелодической линии

Однако все это можно заметить лишь в прямом сравнении с гораздо более дорогими представителями других классов. По общему впечатлению Atoll AM200 Signature был скорее всеяден и универсален. Являясь примером грамотной реализации класса АВ, когда разработчики приложили массу усилий чтобы минимизировать слабые места и максимально раскрыть потенциал данной схемотехники, он вполне конкурентен на фоне лучших представителей других классов.

Усилители сигналов на транзисторах (для МК)

Сигналы, поступающие от датчиков, как правило, имеют малую амплитуду, недостаточную для непосредственной обработки в МК. Требуются входные усилители напряжения. Простейшие из них строятся на маломощных транзисторах общего применения. Их конкретные названия и частотные свойства особой роли не играют. Это связано с тем, что параметры современных кремниевых транзисторов примерно одинаковы у разных фирм-изготовителей, а быстродействие — на порядок-два выше, чем может обработать МК.

На Рис. показаны схемы входных транзисторных усилителей. При большом уровне сигналов они превращаются в формирователи прямоугольных импульсов с высокой крутизной фронтов.

Рис. 3

а) диоды VDI, VD2ограничивают входной сигнал по амплитуде. Цепочки RI,CI и R3, L1 служат для коррекции фронтов сигнала. Чувствительность 200 мВ, максимальная входная частота 10…30 МГц. Чтобы понизить частоту сигнала, вместо резистора R4ставят цифровой делитель;

б) резистором R1 плавно регулируется чувствительность. Допустимая частота до 1 МГц;

в) входной сигнал £/вх проходит через два противофазных канала на две линии МК;

Рис. 3.18. Схемы входных транзисторных усилителей (продолжение):

г) широкополосный усилитель с диапазоном частот 30 Гц… 100 МГц. Входное сопротивление не менее 1 МОм на частоте 1 кГц, чувствительность 75 мВ;

д) усилитель напряжения С.Чекчеева. Особенности: высокая линейность и низкий уровень гармоник. Коэффициент усиления определяется числом последовательно включённых диодов, в данном случае Ку = 4;

е) широкополосный усилитель-ограничитель. Чувствительность 50 мВ, диапазон частот до 40 МГц. Для ВЧ-сигналов (более 1…5 МГц) на входе МК надо ставить цифровой делитель;

ж) аналогично Рис. 3.18, д, но коэффициент усиления определяется числом последовательно включённых транзисторов, в данном случае Ку = 3;

з) элементы RI, R2, С1…C3 корректируют АЧХ в области низких и высоких частот. Резистором R3 выбирается оптимальная рабочая точка транзистора VT1. Диод VD1 — защитный;

Рис. 3.18. Схемы входных транзисторных усилителей {продолжение):

и) транзисторы VT2, VT3 включены по схеме «токовое зеркало». Диоды VDI, VD2 ограничивают входной сигнал по амплитуде «сверху» и «снизу». Диод VD3отсекает шумы и помехи;

к) дифференциальный импульсный усилитель на транзисторах VTI, VT2

л) на вход МК поступает усиленный аналоговый сигнал и цифровая последовательность (U[iX2). Элементы С1, С2, R4, R5, VD1 служат для развязки каналов;

м) усилитель с простейшим полосовым фильтром на транзисторе VT1. Конденсатор С1 «срезает» амплитуду сигналов на низких, а конденсатор С2 — на высоких частотах;

н) через резистор RI подаётся питание +5 В на внешнее устройство, подключаемое к разъёму XS1. ВЧ-сигнал от внешнего устройства усиливается транзистором VTI. Входное сопротивление со стороны разъема XS1 по высокой частоте составляет примерно 100 Ом (это номинал резистора /?/), при этом условно считается, что конденсатор С1 по переменному току закорочен; О

Рис. 3.18. Схемы входных транзисторных усилителей (окончание):

о) транзистор VTI находится в режиме отсечки и открывается только положительной полуволной входного сигнала. При больших номиналах элементов R2, С2 и высокой частоте приёма, на входе МК будет постоянно удерживаться НИЗКИЙ уровень (детектор наличия сигнала);

п) транзисторный усилитель с повышенным входным сопротивлением (определяется резистором /?5и параметром h2]3 транзисторов VTI, VT2). Резистором RI задаётся чувствительность.

Типы усилителей

Усилители можно разделить на три группы:

Усилитель напряжения

Усилитель напряжения (УН) усиливает входное напряжение в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по напряжению и вычисляется по формуле:

где

KU – это коэффициент усиления по напряжению

Uвых – напряжение на выходе усилителя, В

Uвх – напряжение на входе усилителя, В

Выходное усиленное напряжение не должно меняться от тока нагрузки, а следовательно, и от сопротивления нагрузки. В идеале, выходное сопротивление Rвых должно быть равно нулю, что недостижимо на практике. Поэтому, УН стараются проектировать так, чтобы минимизировать выходное сопротивление Rвых .

В таком режиме усилитель работает, если выполняются условия, что Rвх намного больше, чем Rвых т. е.  Rвх >>Rи  и Rн намного больше, чем Rвых    (Rн >>Rвых ). Чем больше номинал Rн , тем лучше для усилителя напряжения, так как нагрузка не будет просаживать выходное напряжение Uвых.  Здесь все просто: чем меньше сопротивление нагрузки, тем бОльшая сила тока будет течь по цепи Eвых —> Rвых —> Rн , тем больше будет падение напряжения на выходном сопротивлении Rвых , исходя из формулы ЭДС: Eвых =IвыхRвых +IвыхRн . Об этом можно более подробно прочитать в статье Закон Ома для полной цепи.

Усилитель тока

Усилитель тока (УТ) усиливает входной ток в заданное число раз. Этот коэффициент называется коэффициентом усиления по току и вычисляется по формуле:

где KI   – коэффициент усиления по току

Iвых  – сила тока в цепи нагрузки, А

Iвх  – сила тока во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх , А

Смысл работы усилителя тока такой:  при определенной силе тока во входной цепи, на выходе в цепи нагрузки мы получаем силу тока, бОльшую в KI раз, независимо от того, какое значение принимает номинал нагрузки. Здесь уже работает простой закон Ома I=U/R.

Если сила тока должна быть постоянной, а  значение сопротивления у нас может быть плавающим, то для поддержания постоянной силы тока в цепи нагрузки у нас усилитель автоматически изменяет напряжение Uвых на нагрузке. В результате, ток как был постоянной величиной, так и остался. Или буквами: Rн =var, Iвых= const.

Объяснение выше вы будете рассказывать своему преподу по электронике, а теперь объяснение для полных чайников. Итак, во входной цепи Eи —>Rи —>Rвх  пусть у нас течет сила тока в 10 мА. Коэффициент KI =100, следовательно, на выходе в цепи нагрузки Eвых —>Rвых —> Rн будет течь ток с силой в 1 А (10мА х 100). Но сам по себе такой ток не будет ведь гулять по этой цепи. Ему надо создать условия для протекания. Допустим,  у нас нагрузка 10 Ом. Какое тогда напряжение должно быть в этой цепи для получения силы тока в этой цепи в 1 А? Вспоминаем дядюшку Ома: I=U/R. 1=Uвых /10, получаем U=10 В. Вот такое напряжение нам будет выдавать усилитель тока на выходе.

Но что, если нагрузка поменяет свое значение? Ток должен остаться таким же, не забывайте, то есть 1 А, так как это у нас усилитель тока. В этом случае, чтобы сила тока в цепи оставалась 1 А  усилитель автоматически поменяет свое значение напряжения на выходе Uвых на 1=Uвых /5. Uвых =5/1=5 В. То есть на выходе у нас уже будет 5 Вольт.

Но также не забываем еще об одном параметре, который у нас находится в выходной цепи усилителя тока. Это выходное сопротивление Rвых . Поэтому, нам необходимо, чтобы выполнялось условие: Rвх << Rи и Rн << Rвых  при которых обеспечивается заданный ток в нагрузке при малом значении напряжения.

Усилитель мощности

Раньше было очень круто и модно собирать усилители мощности (УН) своими руками, включить Ласковый Май и вывернуть громкость на всю катушку. Сейчас же УМ может собрать или купить каждый, благо интернет и Алиэкпресс всегда под рукой.

Чем же УМ отличается от УН и УТ?

Если в УТ  мы увеличивали только силу тока, в УН – напряжение, то в УМ мы увеличиваем в кратное число раз ток и напряжение.

Формула мощности для постоянного и переменного тока при активной нагрузке выглядит вот так:

где

P – мощность, Вт

I – сила тока, А

U – напряжение, В

Следовательно, коэффициент усиления по мощности запишется как:

где

KP – коэффициент усиления по мощности

Pвых  – мощность на выходе усилителя, Вт

Pвх  – мощность на входе усилителя, Вт

Для усилителя мощности условия согласования входной цепи с источником входного сигнала и выходной цепи с нагрузкой для передачи максимальной мощности имеют вид: Rвх ≈ Rи и Rн ≈ Rвых .

Также не забывайте, что нагрузки могут быть как чисто активными (типа лампочки накаливания, резистора, различных нагревашек), так и иметь реактивную составляющую (катушки индуктивности, конденсаторы, двигатели и тд).

Обзор видов

На сегодняшний день в продаже можно встретить предусилители трех видов: инструментальные, микрофонные и универсальные. Каждый тип изделий имеет свои особенности. Любой предусилитель имеет минимум 1 вход и линейный выход. Предварительный стереоусилитель способен менять тембр звука. Благодаря использованию воспроизводящей аппаратуры удается достичь линейности практически без искажения звука. Иные модификации позволяют добиться нового звучания известных музыкальных инструментов. При этом каждая отдельная модель устройства отличается своим собственным характером звука. Ввиду этого выбирать прибор приходится с учетом подходящего для конкретного человека звучания. Однако характеристики моделей различны.

Например, для микрофонов покупают одни изделия, для гитар нужны другие. В ассортименте ведущих производителей можно найти модификации на лампах, с темброблоком, на полевых транзисторах, стереоусилители, дифференциальные устройства с высокими эксплуатационными характеристиками.

Инструментальные

Измерительный усилитель отличается наличием массы полезных характеристик. Он обладает возможностью регулировки усиления посредством 1 резистора. Это позволяет варьировать коэффициент усиления в зависимости от потребности. Данные системы можно скрестить с цифровыми устройствами, что открывает больше возможностей.

Симбиозом аналогово-цифровой техники являются приборы с регулируемым коэффициентом управления. В продаже можно найти системы интегрированного типа, комбинируемые с микроконтроллером. Инструментальные предусилители способны в автоматическом режиме менять усиление и диапазоны, что улучшает разрешение при измерении. Эти устройства имеют высокое входное сопротивление и высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала.

Микрофонные

Данные устройства усиливают сигнал с микрофона до линейного уровня. Отдельные микрофонные варианты улучшают качество звука в значительной мере. Большинство таких устройств оснащено микросхемой INA 217. Благодаря ей обеспечивается минимальный уровень искажения звука и низкий шумовой тракт на входе. Такие устройства хороши для низкоомных микрофонов с характерным слабым уровнем сигнала.

Эти приборы актуальны для студийных и динамичных микрофонов. Данные устройства могут иметь 1, 2 либо 3 транзистора. Кроме того они бывают гибридными и ламповыми. Изделия первого типа созданы для улучшения качества звука, включая удаление постороннего шума. Ламповые аналоги хороши тем, что делают звучание бархатистым и теплым. Однако цена у данных модификаций высокая.

Универсальные

Универсальные модели предусилителей имеют свои особенности. Если инструментальные аналоги позволяют напрямую подключать инструменты, а микрофонные нужны при работе с микрофонами, то универсальные устройства объединяют обе опции. При работе с ними можно менять режим работы с инструментального на микрофонный и обратно.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как +U и -U, VCC и VEE, Vc и VE. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять – двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть “плюс” и есть “минус”. В этом случае “минус” батарейки принимают за ноль, и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Роли

Инструментальные усилители имеют другое назначение, чем стереоусилители Hi-Fi (высокого качества воспроизведения) в радиоприемниках и домашних стереосистемах. Домашние стереофонические усилители Hi-Fi стремятся точно воспроизводить сигналы предварительно записанной музыки с минимальными гармоническими искажениями. Напротив, инструментальные усилители добавляют дополнительную тональную окраску к исходному сигналу или подчеркивают определенные частоты. Для электрических инструментов, таких как электрогитара, усилитель помогает создать тон инструмента, увеличивая усиление входного сигнала и искажая сигнал, а также подчеркивая частоты, которые считаются желательными (например, низкие частоты), и уменьшая частоты, которые считаются нежелательными (например, очень высокие частоты).

Размер и номинальная мощность

В 1960-х и 1970-х годах большие, тяжелые усилители с высокой выходной мощностью были предпочтительнее для инструментальных усилителей, особенно для больших концертов, потому что системы громкой связи обычно использовались только для усиления вокала. Более того, в 1960-х годах в акустических системах обычно не использовались мониторные акустические системы для усиления музыки для музыкантов на сцене. Вместо этого музыканты должны были иметь инструментальные усилители, достаточно мощные, чтобы обеспечить усиление сцены и аудитории. В конце 1960-х — начале 1970-х на рок-концертах группы часто использовали большие стеки акустических кабинетов, питаемых от тяжелых ламповых усилителей, таких как усилитель Super Valve Technology (SVT) , который часто использовался с восемью 10-дюймовыми динамиками.

Однако в последующие десятилетия системы PA значительно улучшились и использовали различные подходы, такие как рупорные «басовые бункеры» (в 1980-е годы) и сабвуферы (1990-е и 2000-е годы) для усиления низких частот. Кроме того, в 1980-х и 1990-х годах системы мониторов существенно улучшились, что помогло звукорежиссерам обеспечить музыкантам на сцене лучшее воспроизведение звука их инструментов.

В результате усовершенствований систем громкой связи и мониторов музыкантам 2000-х годов больше не нужны огромные мощные усилители. Достаточно небольшого комбо-усилителя, подключенного к PA. В 2000-х практически весь звук, доходящий до аудитории на больших площадках, исходит из системы громкой связи . Сценические инструментальные усилители, скорее всего, будут работать с низкой громкостью, потому что высокие уровни громкости на сцене затрудняют звукорежиссеру управление звуковым миксом.

В результате на многих крупных площадках большая часть сценического звука, доходящего до музыкантов, теперь исходит от внутриканальных мониторов , а не от инструментальных усилителей. Хотя на концертах до сих пор используются стеки огромных кабинетов с динамиками и усилители (особенно в хэви-металле), это часто используется в основном для эстетики или для создания более аутентичного звука. Переход на инструментальные усилители меньшего размера облегчает музыкантам транспортировку оборудования на выступления. Кроме того, это упрощает управление концертной площадкой в ​​крупных клубах и на фестивалях, где несколько групп выступают последовательно, потому что группы можно быстрее перемещать на сцену и выходить из нее.

Основные производители

Audient Ltd.Audient ASP 800
Компания из Великобритании Audient Ltd., основанная в 1997 году, представляет восьмиканальный микрофонный предусилитель модели ASP880. Все параметры, о которых говорилось выше, здесь весьма подробно описывает спецификация: аппарат имеет восемь каналов высококачественных микрофонных предусилителей. Каждый из них построен на дискретных элементах, они работают в режиме класса A. Это позволяет получить расширенную полосу пропускания с границей шумового диапазона, близкой к теоретическому пределу Джонсона. Назван он так в честь Джона Джонсона, который в 1928 году впервые открыл и описал шумы в проводниках. Еще одна модель, этой компании — ASP800.
Manley Laboratories, Inc.Manley Force Four Channel Mic Preamp​

Компания из США Manley Laboratories, Inc. особо выделяет, что все исследования и разработки, сборка, тестирование и контроль качества выполняются с «точностью и гордостью» на заводе Manley, расположенном в 35 милях к востоку от Лос-Анджелеса. Из ее линейки предусилителей посмотрим модель Manley Force Four Channel Mic Preamp, уже название которого сообщает, что аппарат имеет четыре входа с отдельным усилителем на каждый и выполнен на лампах. Так что истинные любители «мягкого» лампового звука будут довольны.
Universal Audio, Inc.Universal audio 4-710d

Компанию Universal Audio, Inc. основал инженер студийной записи и звукорежиссер Билл Патнэм в 1958 году в США. Она остается одной из ведущих фирм, производящих продукцию для звукозаписи: с аппаратурой Universal Audio работают профессиональные звукорежиссеры по всему миру.
Prism Media Products Ltd.Prism Sound Maselec MMA-4XR Four Channel Mic Pre

У одного из аппаратов британской компании Prism Media Products Ltd. довольно длинное название — Prism Sound Maselec MMA-4XR Four Channel Mic Pre. Эта модель имеет четыре микрофонных входа и выполнена на полупроводниках.
Forusrite Audio Engineering Ltd.Восьмиканальный микрофонный предусилитель Forusrite ISA 828
Еще одна британская компания — Forusrite Audio Engineering Ltd. предлагает восьмиканальный микрофонный предусилитель Forusrite ISA 828. В аннотации говорится, что он может буквально все — подарить «вторую жизнь» старым моделям микрофонов или достойно и с высоким качеством передать все лучшее от современных моделей.

Электроника для всех

Иногда в системе приходится замерять не только напряжение, но и ток. И если с напряжением все просто — подаем на АЦП, если необходимо, пропускаем через делитель, то с током ситуация куда более хитрая.

Прямого способа просто замерить ток нет, не пихать же стрелочный прибор (сила Ампера, отклоняющая стрелку имеет прямую зависимость от тока) в схему, но можно замерить падение напряжения на известном сопротивлении и по закону Ома (I = U/R) вычислить искомую величину. Такое сопротивление зовется шунтом.

Но и тут возникают вилы. Чтобы получить сколько нибудь заметное для АЦП микроконтроллера напряжение (в идеале в пике до Vref АЦП контроллера) надо иметь довольно большое сопротивление. Скажем, для получения 5 вольтового падения на токе в 5А нам потребуется резистор в 1Ом. Что очень много, ведь в этом случае на нем высадится P = I2R тепловых потерь. Тебе нужна двадцатипятиваттная грелка в системе? Наверное нет. Можно, конечно, уменьшить сопротивление шунта в десять раз. Скажем до 0.1 Ом, тогда можно уложиться в такую вот бандуру:

Он пропустит через себя 7А, выдав падение в 0.7Вольта. Не шик, конечно, но уже ощутимо. А то и еще меньше, 0.01 Ома, тогда все будет совсем крошечным. Достаточно вместо шунта обычного кусочка проволочки или дорожки на плате. Но напряжение с него тогда будет еще меньше. 0.07 вольта. Что уже задолбаешься замерять и отделять от шумов АЦП.

Что делать? Однозначно усиливать. Можно собрать небольшую схемку на операционном усилителе (обычный ОУ с отрицательной обратной связью, включенный по схеме неинвертирующего усиления), но лучше взять специализированный девайс — усилитель токового шунта. Благо сейчас их делают все подряд. У меня вот в закромах нашелся какой-то MAX4372F. Его и применим.

Итак, это козявка в SOT-23-5, мелкая и никаких лишних выводов. В общем, то что доктор прописал. Эта микруха бывает трех видов, отличается только коэффициентом усиления.

  • MAX4372T — 20V/V
  • MAX4372F — 50V/V
  • MAX4372H — 100V/V

Схема включения проще некуда. Никаких внешних элементов, ну разве что конденсаторчик на питание:

Собрал себе такой небольшой модульчик, чтобы при случае иметь усиленый шунт:

Подключил к своему блоку питания, способному выдать до трех ампер. Да к амперметру и вольтметру. Питание самого усилка взял пятивольтовое, с Pinboard. В качестве нагрузки взял батарею из трех 5 Ом резисторов, соединенных параллельно.

В качестве шунта взял ножку от светодиода, первое что под руку попалось. Сопротивление шунта нам не известно, знаем только то, что оно чертовски мало. А замерить его в домашних условиях без микроомметра нереально. Даже мой, весьма неплохой, мультиметр видит его на грани статистической погрешности. Но в нашем случае можно обойтись банальной калибровкой, загоняя в него известный ток и замеряя выходное значение. А там можно построить график, вычислить коэффициенты и по нему уже высчитывать любой ток.

При практически нулевом токе (50мА, меньше мой БП не дает) напряжение на выходе усилка 0.138 вольта. Примем его за ноль, чтобы не мозолило глаза. Начинаем повышать ток, попутно глядим на напряжение:

В общем, до десятка ампер вполне можно промерять на данном шунте, а если надо замерять большие токи, то можно взять либо шунт потолще, либо микросхемку с меньшим усилинием. Для меньших токов аналогично. Хорошая микросхемка, мне нравится

MAX4372

З.Ы.

О хитростях прецезионного подключения разных токоизмерительных резисторов я уже выкладывал статью «Измерительные цепи».

Классификация ОУ[править | править код]

По области примененияправить | править код

Выпускаемые промышленностью операционные усилители постоянно совершенствуются, параметры ОУ приближаются к идеальным. Однако улучшить все параметры одновременно технически невозможно или нецелесообразно из-за дороговизны полученного чипа. Для того, чтобы расширить область применения ОУ, выпускаются различные их типы, в каждом из которых один или несколько параметров являются выдающимися, а остальные на обычном уровне (или даже чуть хуже). Это оправдано, так как в зависимости от сферы применения от ОУ требуется высокое значение того или иного параметра, но не всех сразу. Отсюда вытекает классификация ОУ по областям применения.

  • Индустриальный стандарт. Так называют широко применяемые, очень дешевые ОУ общего применения со средними характеристиками. Пример: LM324.
  • Прецизионные ОУ имеют очень малые напряжения смещения, применяются в точных измерительных схемах. Обычно ОУ на биполярных транзисторах по этому показателю несколько лучше, чем на полевых. Также от прецизионных ОУ требуется долговременная стабильность параметров. Исключительно малыми смещениями обладают стабилизированные прерыванием ОУ. Пример: AD707 с напряжением смещения 15 мкВ.
  • С малым входным током (электрометрические) ОУ. Все ОУ, имеющие полевые транзисторы на входе, обладают малым входным током. Но среди них существуют специальные ОУ с исключительно малым входным током. Чтобы полностью реализовать их преимущества, при проектировании устройств с их использованием необходимо даже учитывать утечку тока по печатной плате. Пример: AD549 с входным током 6·10-14 А.
  • Микромощные и программируемые ОУ потребляют малый ток на собственное питание. Такие ОУ не могут быть быстродействующими, так как малый потребляемый ток и высокое быстродействие — взаимоисключающие требования. Программируемыми называются ОУ, для которых все внутренние токи покоя можно задать с помощью внешнего тока, подаваемого на специальный вывод ОУ.
  • Мощные (сильноточные) ОУ могут отдавать большой ток в нагрузку.
  • Высоковольтные ОУ. Все напряжения для них (питания, синфазное входное, максимальное выходное) значительно больше, чем для ОУ широкого применения.
  • Быстродействующие ОУ имеют высокую скорость нарастания и частоту единичного усиления. Такие ОУ не могут быть микромощными.

Возможны также комбинации данных категорий, например, прецизионный быстродействующий ОУ.

Что это такое?

Ламповый усилитель используется для увеличения мощностных характеристик переменных электросигналов при помощи радиоламп.

Радиолампы, как и многие другие электронные элементы, имеют очень богатую историю. За годы от их создания до наших дней произошла серьезная эволюции технологии. Началось всё в самом начале XX столетия, а закат так называемой «ламповой эры» пришелся на 60-е годы, именно тогда свет увидела самая последняя разработка, а вскоре радиорынок повсеместно начали завоевывать более современные и дешевые транзисторы.

Самым первым видом ламп, созданных специально для усилителей, стали триоды. Цифра три в их названии появилась не просто так — именно такое число активных выходов они имеют. Принцип действия элементов очень прост: между катодом и анодом радиолампы последовательно подключается источник электрического тока и производится первоначальная обмотка трансформатора, к следующей за ней вторичной уже будет подключаться акустика. Звуковая волна подаётся на сетку радиолампы, в момент, когда напряжение подаётся к резисторам, между анодом и катодом проходит поток электронов. Сетка, размещенная между ними, выводит данный поток и, соответственно, изменяет направление, уровень и мощность входного сигнала.

В процессе эксплуатации триодов в самых разных сферах возникла потребность в улучшении их технико-эксплуатационных характеристик. В частности, одной из них была проходная емкость, параметры которой существенно ограничивали возможную частоту работы радиоламп. Для того чтобы решить эту проблему, инженеры создали тетроды — радиолампы, которые имели внутри своей конструкции четыре электрода, в качестве четвертого была использована экранирующая сетка, вставленная между анодом и основной управляющей сеткой.

Это вполне удовлетворило на тот момент разработчиков, основной целью их было создать устройство, которое позволит приемникам функционировать в коротковолновом частотном диапазоне. Однако ученые продолжили работу над оборудованием, они использовали точно такой же подход — то есть добавили в рабочую конструкцию радиолампы еще одну, пятую, сетку и разместили ее между анодом и экранирующей сеткой. Это было нужно для того, чтобы погасить обратное движение электронов в направлении от анода к самой сетке. Благодаря введению этого дополнительного элемента процесс был приостановлен, таким образом выходные параметры лампы стали более линейными, а мощность возросла. Именно так и появились пентоды. Именно они и использовались в дальнейшем.

Основные характеристики

ОУ, как и другие радиодетали, имеют ТХ, которые можно разделить на типы:

  1. Усилительные.
  2. Входные.
  3. Выходные.
  4. Энергетические.
  5. Дрейфовые.
  6. Частотные.
  7. Быстродействие.

Коэффициент усиления является основной характеристикой ОУ. Он характеризуется отношением выходного сигнала ко входному. Его еще называют амплитудной, или передаточной ТХ, которая представлена в виде графиков зависимости. К входным относятся все величины для входа ОУ: Rвх, токи смещения (Iсм) и сдвига (Iвх), дрейф и максимальное входное дифференциальное U (Uдифмакс). Iсм служит для работы ОУ на входах. Iвх нужен для функционирования входного каскада ОУ. Iвх сдвига — разность Iсм для 2 входных полупроводников ОУ.

Во время построения схем нужно учитывать эти I при подключении резисторов. Если Iвх не учитывать, то это может привести к созданию дифференциального U, которое приведет к некорректной работе ОУ. Uдифмакс — U, которое подается между входами ОУ. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников каскада дифференциального исполнения.

Для надежной защиты между входами ОУ подключаются встречно-параллельно 2 диода и стабилитрона. Дифференциальное входное R характеризуется R между двумя входами, а синфазное входное R — величина между 2 входами ОУ, которые объединены, и массой (земля). К выходным параметрам ОУ относятся выходное R (Rвых), максимальное выходное U и I. Параметр Rвых должен быть меньшим по значению для обеспечения лучших характеристик усиления.

Для достижения маленького Rвых нужно применять эмиттерный повторитель. Iвых изменяется при помощи коллекторного I. Энергетические ТХ оцениваются максимальной мощностью, которую потребляет ОУ. Причина некорректной работы ОУ — разброс ТХ полупроводников дифференциального усилительного каскада, зависящего от температурных показателей (температурный дрейф). Частотные параметры ОУ являются основными. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (быстродействие).

В ИМС ОУ общего и специального вида включается конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы обладают большим коэффициентом Kу без обратной связи (ОС). При ОС используется неинвертирующее включение. Кроме того, в некоторых случаях, например при изготовлении инвертирующего усилителя, ОС не используется. Кроме того, у ОУ есть динамические характеристики:

  1. Скорость нарастания Uвых (СН Uвых).
  2. Время установления Uвых (реакция ОУ при скачке U).