Операционный усилитель для чайников: схема и принцип работы

Что такое операционный усилитель

ОУ — это интегральная микросхема (ИС), основное назначение которой — усиление величины постоянного тока. У него только один выход, который называется дифференциальным. Этот выход имеет высокий коэффициент усиления сигнала (Ku). Операционные усилители в основном используются при построении цепей отрицательной обратной связи (OOS), которые в случае основного TX с точки зрения усиления определяют Ku исходной схемы. ОА используются не только в виде отдельных интегральных схем, но и в различных блоках сложных устройств.

Операционный усилитель имеет 2 входа и 1 выход, а также клеммы для подключения источника питания (PS). Принцип работы операционного усилителя прост. Есть 2 основных правила. Правила описывают простые процессы работы ИС, которые происходят в операционной системе, а принцип работы ИС понятен даже для чайников. На выходе разность напряжений (U) равна 0, а входы операционного усилителя почти не потребляют ток (I). Один вход называется неинвертирующим (V +), а другой — инвертирующим (V-). Кроме того, входы операционного усилителя имеют высокое сопротивление (R) и практически не потребляют I.

Чип сравнивает значения U на входах и генерирует сигнал, предварительно усиливая его. Операционный усилитель Ku имеет высокое значение, достигающее 1000000. Если на вход подается низкий U, на выходе может быть получено значение, равное U источника питания (Uip). Если U на входе V + больше, чем V-, то на выходе будет максимальное положительное значение. Когда положительный U инвертирующего входа находится под напряжением, на выходе будет максимальное значение отрицательного напряжения.

Основное требование к работе операционного усилителя — использование биполярного МП. Можно использовать однополюсный блок питания, но при этом возможности операционного усилителя сильно ограничены. Если вы используете батарею и принимаете ее положительную сторону за 0, при измерении значений вы получаете 1,5 В. Если вы возьмете 2 батареи и соедините их последовательно, будет добавлено U, то есть измеритель покажет 3 В.

Если мы возьмем отрицательную клемму батареи за ноль, устройство покажет 3 В. В другом случае, если мы возьмем положительную клемму как 0, получится -3 В. При использовании точки между двумя батареями в качестве нуля мы получится примитивный биполярный МП. Работоспособность операционной системы можно проверить только при ее подключении к цепи.

Виды и обозначения на схеме

С развитием электрических схем постоянно совершенствуются операционные усилители и появляются новые модели.

Классификация приложений:

1. Индустриал — вариант экономичный.
2. Рецепт (прецизионные измерители).
3. Электрометрический (малое значение Iin).
4. Микромощность (потребляемая мощность малая I).
5. Программируемый (токи устанавливаются через внешний I).
6. Сильный или большой ток (возврат потребителю значения больше I).
7. Низкое напряжение (работает при U <3В).
8. Высокое напряжение (рассчитано на высокие значения U).
9. Быстрый отклик (высокая скорость нарастания и частота усиления).
10. Тихий шум.
11. Тип звука (низкие гармонические искажения).
12. Для биполярного и униполярного источника питания.
13. Дифференциальный (может измерять низкий U при высоком уровне шума). Они используются в шунтах.
14. Усилительные каскады готового типа.
15. Специализированный.

По входным сигналам операционные усилители делятся на 2 типа:

1. С 2 входами.
2. С 3-мя подъездами. 3 входа используются для расширения функциональности. Имеет внутреннюю OOS.

Схема операционного усилителя достаточно сложная и изготавливать ее нет смысла, а радиолюбителю достаточно знать только правильную схему включения операционного усилителя, а для этого следует разбираться в расшифровке ее выводов.

Основные обозначения выводов ИМС:

1. V + — неинвертирующий вход.
2. V- — инвертирующий вход.
3. Vout — Vs + output (Vdd, Vcc, Vcc +) — положительный вывод источника питания.
4. Vs- (Vss, Vee, Vcc-) — минус PI.

Практически во всех операционных усилителях есть 5 контактов. Однако у некоторых разновидностей может отсутствовать V-. Есть модели, у которых есть дополнительные контакты, расширяющие возможности операционного усилителя.

Контакты для блока питания не нужно маркировать, так как это увеличивает читаемость схемы. Вывод питания с клеммы или положительного полюса источника питания расположен в верхней части схемы.

Правильное питание ОУ

Вероятно, не будет секретом, что для работы операционного усилителя он должен быть запитан, например, подключить его к источнику питания. Но есть интересный момент, как мы убедились чуть ранее, операционный усилитель может выдавать на выходе напряжение как положительной, так и отрицательной полярности. Как это может быть?

И это может быть! Это связано с использованием биполярного источника питания, очевидно, что можно использовать и униполярный источник, но в этом случае возможности операционного усилителя будут ограничены.

В общем, при работе с блоками питания многое зависит от того, что мы взяли за отправную точку, например, для 0 (ноль). Давайте разберемся.

Пример на батарейках

Обычно примеры проще дать на пальцах, но и в электронике, думаю, подойдут и пальчиковые батарейки

Допустим, у нас есть обычная пальчиковая батарейка (батарейка АА). У него два полюса: положительный и отрицательный. Когда мы принимаем отрицательный полюс за ноль, мы считаем его нулевой точкой отсчета, поэтому в результате положительный полюс батареи будет показывать + 5В (значение с плюсом).

Мы можем убедиться в этом с помощью мультиметра (кстати, статья о мультиметрах в помощь), просто подключите черный отрицательный щуп к минусу батареи, а красный щуп к плюсу и вуаля. Здесь все просто и логично.

Теперь немного усложним задачу и возьмем точно такую ​​же вторую батарею. Подключаем батареи последовательно и рассматриваем, как меняются показания измерительных приборов (мультиметров или вольтметров) в зависимости от различных точек приложения щупов.

Если мы возьмем отрицательный полюс крайнего аккумулятора за ноль и подключим измерительный щуп к положительному полюсу аккумулятора, мультиметр покажет нам значение +10 В.

Если за точку отсчета взять положительный полюс аккумулятора и измерительный щуп был подключен к минусу, любой вольтметр покажет нам -10 В.

Но если за точку отсчета взять точку между двумя батареями, то в результате мы можем получить простой биполярный источник питания. И вы можете убедиться в этом, мультиметр подтвердит, что это действительно так. У нас будет напряжение как положительной полярности + 5В, так и напряжение отрицательной полярности -5В.

Схемы источников двуполярного питания

Я привел примеры батарей в качестве примера, чтобы было понятнее. Теперь давайте взглянем на несколько примеров простых схем раздельного питания, которые вы можете использовать в своих проектах радиолюбителей.

Схема с трансформатором, с отводом от «средней» точки

И первая схема питания для операционного усилителя перед вами. Это довольно просто, но я немного объясню, как это работает.

Схема питается от нашей знакомой домашней сети, поэтому неудивительно, что на первичную обмотку трансформатора поступает переменный ток 220В. Затем трансформатор преобразует переменный ток 220 В в такой же переменный ток, но уже 30 В. Вот как мы хотели произвести трансформацию.

Да, на вторичной обмотке будет переменное напряжение 30В, но обратите внимание на отвод от середины вторичной обмотки. На вторичной обмотке делается ответвление, и количество витков перед этим ответвлением равно количеству витков после ответвления.

Благодаря этой ветви мы можем получить переменное напряжение 30 В и изменение 15 В на выходе вторичной обмотки. Мы используем эти знания.

Далее нам нужно выпрямить смену и превратить ее в постоянную, тогда диодный мост нам поможет. Диодный мост с этой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянную 30В. Это напряжение нам покажет мультиметр, если мы подключим щупы к выходу диодного моста, но мы должны помнить ответвление на вторичной обмотке.

Мы проводим эту ветвь дальше и подключаем ее между электролитическими конденсаторами, а затем между следующей парой высокочастотных конденсаторов. Чего мы этим добились?

Мы достигли нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. В итоге на выходе имеем достаточно стабильное напряжение как + 15В, так и -15В. Конечно, эту схему можно еще улучшить, если добавить интегральные стабилитроны или стабилизаторы, но тем не менее указанная схема уже справляется с задачей питания операционных усилителей.

Читайте также: Устройство и принцип действия электромагнитного реле: внешний вид мультиметра

Подводные камни проектирования схем с ОУ

В этой части инструкции перечислены типичные проблемы, связанные с работой операционных усилителей, установленных на печатной плате. Эти проблемы делятся на четыре категории:

• общий совет;
• входные фазы;
• полоса пропускания операционного усилителя;
• Rail-to-rail класс OA с однополярным питанием.

Общие советы

• Будьте осторожны при выборе напряжений, подаваемых на выводы питания операционного усилителя. Не превышайте спецификации операционного усилителя и, в то же время, не делайте их слишком маленькими. Высокое напряжение повредит компонент, а низкое напряжение не сможет обеспечить необходимое смещение транзисторов на микросхеме операционного усилителя, которое необходимо для нормальной работы усилителя.
• Убедитесь, что отрицательный кабель питания (обычно заземляющий) действительно подключен к шине с низким потенциалом. Кроме того, убедитесь, что источник положительного напряжения действительно подает необходимое напряжение по отношению к отрицательной стороне источника питания операционного усилителя. Для проверки подключите вольтметр между отрицательным и положительным выводами питания операционного усилителя.
• Внимательно проверьте шину заземления, особенно если на плате есть цифровые узлы. Тщательно продумайте маршрут наземного автобуса. Если ваша схема содержит много цифровых схем, рассмотрите возможность использования отдельных уровней заземления и мощности. Очень сложно, а часто просто невозможно удалить шум, вызванный работой цифровых компонентов, из аналогового сигнала.
• Используйте блокирующие конденсаторы, чтобы изолировать цепи питания операционного усилителя, размещая их как можно ближе к операционному усилителю. Для КМОП-усилителей обычно рекомендуются конденсаторы 0,1 мкФ. Также изолируйте сам источник питания с помощью конденсатора 10 мкФ.
• Используйте короткие выводы ко входам операционного усилителя. Если вы используете беспаечные макеты для создания прототипов, имейте в виду, что они могут вызывать паразитные шумы и колебания в цепи. Надеюсь, эти проблемы не возникнут, когда схема будет реализована на печатной плате.
• Операционные усилители чувствительны к статическому электричеству. При повреждении микросхемы ОУ просто перестанет работать или возникнут непонятные ошибки (например, изменится входное напряжение смещения или ток смещения), которые со временем будут только увеличиваться.

Входные каскады

• Учитывайте диапазон входного напряжения вашего операционного усилителя. Если напряжение на каком-либо из входов усилителя выходит за пределы допустимого диапазона, выход, скорее всего, будет устанавливать напряжение одной из линий питания.
• Если ваша схема имеет большой коэффициент усиления, помните о напряжении смещения операционного усилителя. Это напряжение усиливается вместе с полезным сигналом и может «забивать» полезный сигнал на выходе усилителя.
• Не используйте операционные усилители с входами Rail-to-Rail без крайней необходимости. Обратите внимание, что такие операционные усилители обычно необходимы только для буферных усилителей и, в некоторых случаях, для реализации инструментальных усилителей. Если в схеме есть усиление, ограничение на выходе все равно произойдет до того, как возникнет проблема с входом.

Ширина полосы пропускания ОУ

• Учитывайте полосу пропускания операционного усилителя. Если у вас есть усилитель с коэффициентом усиления 10, а выходная мощность переменного тока намного ниже, чем ожидалось, вам может потребоваться усилитель с более широкой полосой пропускания.
• Чтобы обеспечить стабильность работы операционного усилителя, обычно достаточно установить конденсатор параллельно резистору в цепи обратной связи усилителя. Но это не всегда помогает. Если усилитель теряет стабильность, быстрый расчет укажет на проблему и, возможно, предложит способы ее устранения.

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

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может быть разным. Но что, если они такие же? Что в этом случае покажет нам Протей? Хм, показал + Упит.

Что покажет Фалстад? Нулевое напряжение.

Кому верить? Никто! В реальной жизни этого нельзя сделать для подачи абсолютно равных напряжений на два входа. Следовательно, это состояние операционного усилителя будет нестабильным, и выходные значения могут принимать значения -E Volt или + E Volt.

На неинвертирующий вход подаем синусоидальный сигнал амплитудой 1 вольт и частотой 1 килогерц, а инвертирующий заземляем, то есть на ноль.

Посмотрим, что у нас на виртуальном осциллографе:

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

Принцип работы операционного усилителя

Давайте посмотрим, как работает операционный усилитель

Принцип работы операционного усилителя очень прост. Сравните два напряжения, и на выходе он уже излучает отрицательный или положительный потенциал источника питания. Все зависит от того, какой вход имеет наибольший потенциал. Если потенциал на неинвертирующем входе U1 больше, чем на неинвертирующем входе U2, то на выходе будет + Upit, но если потенциал на инвертирующем входе U2 больше, чем на неинвертирующем U1, то на выходе будет -Upit. В этом весь принцип ;-).

Давайте посмотрим на этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

Мы подаем 2 Вольта на неинвертирующий вход и 1 Вольт на инвертирующий вход. Поскольку на неинвертирующем входе потенциал больше, то на выходе мы должны получить + Usup. У нас 13,5 вольт, что близко к этому значению

Но почему не 15 вольт? За все отвечает внутренняя схема операционного усилителя. Максимальное значение операционного усилителя не всегда может быть равно положительному или отрицательному напряжению питания. Оно может составлять от 0,5 до 1,5 вольт, в зависимости от типа операционного усилителя.

Но, как говорится, в семействе не обошлось без невменяемых, и поэтому на рынке давно появились операционные усилители, способные выдавать на выходе приемлемое напряжение питания, то есть в нашем случае это значения, близкие к + 15 и -15 Вольт. Эта функция называется Rail-to-Rail, что дословно переводится с английского. «С рельса на рельс», а языком электроники «с одного силового автобуса на другой».

Теперь мы подаем потенциал на инвертирующий вход больше, чем на неинвертирующий. Подаем 2 Вольта на инвертирующий и 1 Вольт на неинвертирующий:

Как вы можете видеть, в то время выход «пошел» на -Upit, поскольку на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на неинвертирующем входе.

Чтобы не загружать заново программный пакет Proteus, можно смоделировать работу идеального операционного усилителя в режиме онлайн с помощью программного обеспечения Falstad. Для этого выберите вкладку Circuits — Op-Amp-> OpAmp. В результате на экране появится следующая диаграмма:

На правой панели управления вы увидите ползунки для добавления напряжения на входы операционного усилителя, и вы уже можете визуально увидеть, что происходит с выходом операционного усилителя при изменении напряжения на входах.

Основные характеристики

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

1. Усиление.
2. Вход.
3. Выходные.
4. Сила.
5. Это происходит.
6. Частота.
7. Высокая скорость работы.

Коэффициент усиления — основная характеристика операционного усилителя. Он характеризуется соотношением между выходным и входным сигналами. Это также называется амплитудой или передачей TX, которая представлена ​​в виде графиков зависимостей. Вход включает все значения для входа операционного усилителя: Rin, токи смещения (Icm) и смещения (Iin), дрейф и максимальный дифференциальный вход U (Udifmax).
Icm предназначен для работы операционного усилителя на входах. Iin требуется для работы входного каскада операционного усилителя. Iin shift — разница Icm для двух входных полупроводников ОУ.

При построении схем это нужно учитывать при подключении резисторов. Если не учитывать Iin, это может привести к созданию дифференциала U, что приведет к некорректной работе операционного усилителя.
Udifmax — U, который подается между входами операционного усилителя. Его величина характеризует исключение повреждения полупроводников дифференциального каскада.

Для надежной защиты 2 диода и стабилитрон включены встречно параллельно между входами операционного усилителя. Дифференциальный вход R характеризуется R между двумя входами, а вход синфазного режима R — это значение между двумя входами операционного усилителя, которые объединены, и землей (землей). Выходные параметры операционного усилителя включают выход R (Rout), максимальный выход U и I. Параметр Rout должен быть меньше по значению, чтобы обеспечить лучшие характеристики усиления.

Чтобы пройти небольшой курс, нужно использовать эмиттер-повторитель. Iout модифицируется с помощью коллектора I. Энергия TX оценивается по максимальной мощности, потребляемой операционным усилителем. Причина некорректной работы операционного усилителя — разброс полупроводников TX каскада дифференциального усилителя, который зависит от температурных показателей (температурного дрейфа). Частотные параметры операционного усилителя являются базовыми. Они способствуют усилению гармонических и импульсных сигналов (скорости отклика).

В ИС операционного усилителя общего и специального типа включен конденсатор, предотвращающий генерацию высокочастотных сигналов. На частотах с низким значением схемы имеют большой коэффициент Ku без обратной связи (ОС). В операционной системе используется неинвертирующее включение. Также в некоторых случаях, например, при производстве инвертирующего усилителя, обратная связь не используется. Кроме того, операционный усилитель обладает динамическими характеристиками:

1. Скорость увеличения Uout (CH Uout).
2. Время установления Uout (реакция OU при скачке U).

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Чтобы понять суть работы операционного усилителя, рассмотрим его идеальные и реальные модели.

• Входное сопротивление идеального операционного усилителя бесконечно велико.

В реальных операционных усилителях значение входного сопротивления зависит от назначения операционного усилителя (универсальный, видео, прецизионный и т.д.), Типа используемого транзистора и схемы входного каскада и может варьироваться от сотен до Ом до десятков МОм. Типичное значение для операционных усилителей общего назначения составляет несколько МОм.

• Второе правило следует из первого. Поскольку входное сопротивление идеального операционного усилителя бесконечно велико, входной ток будет нулевым.

Действительно, это предположение вполне верно для операционного усилителя с полевыми транзисторами на входе, входные токи которого могут быть меньше пикоампер. Но есть еще операционные усилители с биполярными транзисторами на входе. Здесь входной ток уже может составлять десятки микроампер.

• Выходное сопротивление идеального операционного усилителя равно нулю.

Это означает, что напряжение на выходе операционного усилителя не изменится при изменении тока нагрузки. В настоящих операционных усилителях общего назначения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Также выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

• Коэффициент усиления идеального операционного усилителя бесконечно велик. Фактически, оно ограничено внутренней схемой операционного усилителя, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.
• Поскольку коэффициент усиления бесконечно велик, поэтому разница напряжений между входами идеального операционного усилителя равна нулю. В противном случае, даже если потенциал входа, по крайней мере, больше или меньше заряда электрона, выход будет бесконечно большим.
• Коэффициент усиления идеального операционного усилителя не зависит от частоты сигнала и является постоянным на всех частотах. В реальных операционных усилителях это условие выполняется только для низких частот до определенной частоты среза, которая индивидуальна для каждого операционного усилителя. Обычно считается, что частота среза является уменьшением усиления на 3 дБ или 0,7 раза от усиления на нулевой частоте (DC).

Схема простейшего операционного усилителя на транзисторах выглядит так:

Применение базовых схем

Инструментальный усилитель

Инструментальные усилители используются в самых разных приложениях, от медицинских устройств до промышленных контроллеров. Инструментальный усилитель похож на дифференциальный усилитель в том, что он также вычитает один аналоговый сигнал из другого, но его входной каскад полностью отличается. Классическая схема инструментального усилителя с тремя операционными усилителями показана на рисунке 9.

Рис. 9. Инструментальный усилитель на трех операционных усилителях

В этой схеме оба входных сигнала отправляются на высокоомные неинвертирующие входы операционных усилителей. Поэтому, в отличие от дифференциального усилителя, эту схему можно использовать, если выходные сопротивления источников сигнала большие и / или разные. Коэффициент усиления входного каскада определяется сопротивлением резистора RG.

Второй каскад — обычный дифференциальный усилитель. Этот каскад подавляет синфазное напряжение входных сигналов и вычитает один сигнал из другого. Выходные сопротивления источников сигналов, поступающих на вход дифференциального усилителя, невелики, имеют одинаковое значение и их легко контролировать.

Напряжение смещения дифференциального каскада инструментального усилителя можно изменять в широких пределах. В однополярных цепях питания напряжение смещения обычно устанавливается равным половине напряжения питания. Для формирования напряжения смещения можно использовать делитель мощности, схема которого показана на рисунке 5. Выходное напряжение инструментального усилителя определяется по формуле 6:

$$ V_ {OUT} = left (V_ {1} -V_ {2} right) times left (1+ frac {2R_ {2}} {R_ {G}} right) times left ( frac {R_ {4}} {R_ {3}} right) + V_ {REF} qquad { mathrm {(}} {6} { mathrm{)}}$

Другая схема инструментального усилителя показана на рисунке 10. В этой схеме оба операционных усилителя служат для изоляции нагрузки и усиления сигнала. Кроме того, второй операционный усилитель действует как дифференциальный усилитель.

Рис. 10. Инструментальный усилитель на двух операционных усилителях. Эта схема лучше всего подходит, когда требуется высокое усиление (более 3 В / В)

Первый операционный усилитель можно запитать напряжением смещения. Обычно в схемах униполярного питания напряжение смещения выбирается равным половине напряжения источника питания. Выходное напряжение этой цепи определяется уравнением 7:

$$ V_ {OUT} = left (V_ {1} -V_ {2} right) times left (1+ frac {R_ {1}} {R_ {2}} + frac {2R_ {1) }} {R_ {G}} right) + V_ {REF} qquad { mathrm {(}} {7} { mathrm{)}}$

Плавающий источник тока

Источник плавающего тока может быть полезен для настройки тока, протекающего через элемент переменного сопротивления, такой как резистивный датчик температуры (RTD). Схема, показанная на рисунке 11, является источником тока 1 мА для RTD, хотя можно установить любой другой ток.

Рис. 11. Источник плавающего тока, состоящий из двух операционных усилителей и прецизионного источника опорного напряжения

В этой схеме наличие резистора R1 уменьшает VREF на VR1. Следовательно, напряжение на неинвертирующем входе верха в схеме операционного усилителя равно VREF — VR1. Это напряжение после двукратного усиления подает на выход операционного усилителя напряжение, равное 2 × (VREF — VR1). В этом случае выходное напряжение нижнего операционного усилителя схемы составляет VREF — 2 × VR1. Вычитая выходное напряжение верхнего операционного усилителя из напряжения на неинвертирующем входе нижнего операционного усилителя, мы получаем:

2 (VREF — VR1) — (VREF — 2VR1), что равно VREF.

Сила тока, генерируемого этой схемой, определяется по формуле 8:

$$ I_ {OUT} = frac {V_ {REF}} {R_ {L}} qquad { mathrm {(}} {8} { mathrm{)}}$

Фильтры

На входе любого АЦП крайне желательно иметь полосовой фильтр или фильтр нижних частот для удаления нежелательных составляющих сигнала. Фильтр нижних частот, схематически показанный на рисунке 12, имеет два полюса, которые можно настроить для создания фильтра Баттерворта. Фильтры Баттерворта имеют плоскую частотную характеристику в полосе пропускания и хорошие общие характеристики.

Рис. 12. Двухполюсные активные фильтры нижних частот легко реализовать на одном операционном усилителе

С другой стороны, на переходной характеристике этого типа фильтра наблюдается небольшой выброс и гул. Это может быть, а может и не быть проблемой — все зависит от требований вашего конкретного приложения. Коэффициент усиления этого фильтра определяется сопротивлением резисторов R3 и R4.

Обратите внимание на сходство уравнений для усиления этого фильтра и неинвертирующего усилителя, показанных на рисунке 3.

Фильтры этого типа также называют сглаживанием, если они используются для устранения компонентов сигнала, которые составляют более половины частоты Найквиста конкретной дискретной системы. Это удаляет высокочастотные помехи из спектра сигнала, которые в противном случае были бы наложены на полезный сигнал.

Коэффициент усиления по постоянному току схемы, показанной на рисунке 12, определяется уравнением 9:

$$ frac {V_ {OUT}} {V_ {IN}} = left (1+ frac {R_ {4}} {R_ {3}} right) qquad { mathrm {(}} {9 } { mathrm{)}}$

Полосовой фильтр, схема которого показана на рис. 13, имеет АЧХ с одним нулем и двумя полюсами и предназначен для обработки речевых сигналов. Фильтр верхних частот первого порядка реализован с помощью конденсатора C1 и резисторов R1 и R2, соединенных параллельно. Обратите внимание, что резисторы R1 и R2 также образуют делитель, который генерирует напряжение смещения на неинвертирующих входах операционных усилителей. Это гарантирует, что оба операционных усилителя работают в линейной области. Второй операционный усилитель U2 и компоненты R3, R4, C3 и C4 имеют фильтр нижних частот второго порядка.

Рис. 13. Полосовой фильтр может быть реализован на двух операционных усилителях: первый операционный усилитель будет действовать как фильтр верхних частот, а второй как фильтр нижних частот

Этот фильтр подавляет высокочастотный шум, который в противном случае был бы наложен на полезный сигнал во время аналого-цифрового преобразования. Выходное напряжение этой цепи определяется по формуле 10:

$$ V_ {OUT} = V_ {IN} times left ( frac {R_ {3}} {R_ {4}} right) times left ( frac {R_ {2}} {R_ {1 } + R_ {2}} right) qquad { mathrm {(}} {10} { mathrm{)}}$

Дополнительные сведения о фильтрах нижних частот см. В примечании к применению AN699, Аналоговые фильтры сглаживания для систем сбора данных»).

Соединяем все вместе

Схема, показанная на рисунке 14, представляет собой законченный измеритель температуры с однополярным источником питания. В этой схеме используются четыре операционных усилителя и 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь. Датчик RTD используется в качестве датчика температуры, который требует возбуждения тока. Этот ток генерируется источником плавающего тока, схема которого показана на рисунке 11. Усилительный каскад и фильтр сглаживания реализованы по схеме, показанной на рисунке 13.

Рис. 14. Полная схема с однополярным источником питания для измерения температуры

Сигнал от датчика RTD поступает на каскад усилителя, который представляет собой комбинацию инвертирующих и неинвертирующих усилителей.

С выхода этого каскада усилителя сигнал проходит на фильтр нижних частот второго порядка с коэффициентом усиления 6 В / В. Это усиление было выбрано в соответствии с входным диапазоном аналого-цифрового преобразователя. Предполагая, что частота дискретизации АЦП, также известная как частота Найквиста, составляет 75 кГц, частота среза фильтра сглаживания (U4) была установлена ​​на 10 кГц. Такой ширины полосы фильтра достаточно для эффективного подавления компонентов сигнала с частотами ниже половины частоты Найквиста. В качестве аналого-цифрового преобразователя используется 12-битный АЦП последовательного приближения, выход которого подключен к микроконтроллеру PIC12C509.