Skip to content
АЦУ · Тема 8 · Мощност и операционни усилватели

Операционният усилвател – микрофонният предусилвател

Микрофонът дава само няколко миливолта – толкова тихо, че нищо не може да го ползва. В целия урок строим един предусилвател за думата „Здравей“ с операционен усилвател и гледаме какво го прави добър и какво го ограничава. Всяка графика е истинска симулация на схемата.

≈ 7 мин четене∿ 7 живи уредаСамопроверка: 5 въпроса

Операционният усилвател ​

Операционният усилвател (ОУ) е готов усилвател в чип. Има два входа – неинвертиращ (+) и инвертиращ (−) – и един изход. Усилва разликата между тях, и то огромно много: стотици хиляди пъти. Сам по себе си е като буен кон – при най-малкото докосване изходът „препуска“ до захранването.

Тук входът е бавен синус с амплитуда 20 μV – милионни части от волта. На изхода излизат 3,71 V. Изходът не може да мине захранването (тук ±13 V), затова при повече от ~70 μV синусът се реже и става правоъгълник.

ОУ без обратна връзка
∿uвх−+входизход
Входът, mV
02004006008001000−0,0200,02t – време, msu, mV
входът
Изходът, V
02004006008001000−10010t – време, msu, V
изходът
Фигура 1.

Горе входът в миливолтове, долу изходът във волтове. Под ~70 μV изходът е синус, около 190 000 пъти по-голям. Над това се удря в ±13 V – ОУ без обратна връзка може само да каже „+“ или „−“ (това е компаратор).

Диференциалният вход и бръмченето ​

Защо два входа? Защото ОУ чува само разликата. Микрофонният кабел е дълъг и събира бръмчене от електрическата мрежа (50 Hz) – тук с амплитуда 100 mV, десет пъти повече от гласа. Професионалният (балансиран) кабел праща гласа по два проводника наобратно (+½ и −½), а бръмченето влиза еднакво и в двата. Усилвателят взима разликата: гласът се удвоява, бръмченето се изважда.

Балансиран кабел
∿провод AR1 10 kΩR2 100 kΩ∿провод BR1 10 kΩR2 100 kΩ−+ABизход
010203040−0,100,1t – време, msu, V
проводник A проводник B изход
Входът: звукът, както е записан
020040060080010001200−101t – време, msx
входът x(n)
Изходът: звукът след усилвателя
020040060080010001200−101t – време, msy
изходът y(n)
Фигура 2.

Горе тон 1 kHz вместо гласа, за да се вижда: в проводниците бръмченето (бавната вълна) е много по-голямо от гласа (ситните трептения), а на изхода остава само гласът, усилен 10 пъти. Сега изходът се люлее с 100 mV, а самият глас дава 100 mV. Превключи на обикновен кабел и пусни думата: бръмченето също се усилва и заглушава гласа.

Инвертиращ усилвател и виртуалната маса ​

Юздите на коня са отрицателната обратна връзка (ООВ): част от изхода се връща на входа „−“ през резистор R2. Сега усилването зависи само от двата резистора: K = −R2/R1. Минусът значи, че изходът е обърнат.

R1 = 10 kΩ, R2 = 100 kΩ → по формулата K = −10, а симулацията мери K = −10. Входът „−“ е свързан с масата само през резистори, но ООВ го държи почти на нула: люлее се само с 5 mV при вход 500 mV. Това е виртуалната маса.

Инвертиращ усилвател
∿uвхR1 10 kΩR2 100 kΩ−+входu₋изход
00,511,522,53−10010t – време, msu, V
вход u₋ (виртуалната маса) изход
Отвори схемата в лабораториятаCircuitJS – свободен симулатор: токът тече като точки, щракаш върху елемент и сменяш стойността ↗
Фигура 3.

Синьото (входът, 1 kHz) и зеленото (изходът) са в противофаза. Жълтото – входът „−“ – почти не мърда. Дай R2/R1 над 26: изходът ще поиска повече от 13 V и ще се отреже.

Неинвертиращ усилвател и повторител ​

Сега сигналът влиза направо в „+“. Усилването е K = 1 + R2/R1, без обръщане. Голямото предимство е, че входът „+“ почти не взима ток: входното съпротивление е огромно.

Защо е важно? Микрофонът не е идеален – вътре в него има съпротивление 100 kΩ. С инвертиращия усилвател то и R1 = 10 kΩ правят делител, и до усилвателя стигат 9,09 % от гласа. На изхода излизат 9,09 mV.

Микрофон със съпротивление
∿uвхRвътр 100 kΩR1 10 kΩR2 100 kΩ−+входu₋изход
00,511,522,53−10010t – време, msu, mV
микрофонът дава до входа стига изход
Фигура 4.

Микрофонът дава 10 mV. С пиезо (1 MΩ) инвертиращият чува едва 1 %, а неинвертиращият – всичко. Затова предусилвателите са неинвертиращи или с повторител на входа.

Захранването реже: изкривяване ​

Изходът на ОУ не може да излезе от захранването. С ±15 V стига до около ±13 V. Пускаме думата с връх 20 mV през неинвертиращ усилвател с K = 100. Нужни са 2 V, а изходът стига до ±13 V. Ако не стигат, върховете се отрязват и се появяват нови честоти – нелинейни изкривявания. Чуват се като хриптене.

Отрязани върхове
Входът: звукът, както е записан
020040060080010001200−101t – време, msx
входът x(n)
Изходът: звукът след усилвателя
020040060080010001200−101t – време, msy
изходът y(n)
Фигура 5.

Изходът е показан в своя мащаб. При K = 100 думата е чиста. При K = 2000 върховете са плоски и звукът хрипти. С батерия ±5 V се реже още при K ≈ 150.

Усилване × лента (GBW) ​

Огромното усилване на ОУ важи само за бавни сигнали. При μA741 то пада 10 пъти на всяка декада честота над ~5 Hz и стига 1 при 1 MHz. Тази честота е GBW – произведението усилване × лента, и то е постоянно. С ООВ избираш точка от тази права: при K = 100 лентата стига до f = GBW/K = 10 kHz.

Усилване срещу лента
1101001 k10 k100 k1 M10 M050100f – честота, Hz (логаритмична скала)K, dBfв = GBW/K
ОУ без ОВ с ООВ, K = 100
Входът: звукът, както е записан
020040060080010001200−101t – време, msx
входът x(n)
Изходът: звукът след усилвателя
020040060080010001200−101t – време, msy
изходът y(n)
Фигура 6.

Пунктирът е ОУ без обратна връзка: огромно усилване, но само до ~5 Hz, после надолу. Зелената крива е усилвателят с ООВ – плосък до fв, после се слива с пунктира. Чуй думата при K = 1000 с 741: лентата е 1 kHz и гласът звучи „през възглавница“. С TL071 (3 MHz) е по-ясен.

Скорост на нарастване (slew rate) ​

Има и второ ограничение: изходът не може да се мени по-бързо от SR волта на микросекунда (741: 0,5 V/μs). Повторителят трябва да повтори синус с амплитуда 10 V и честота 20 kHz. Най-стръмното място на синуса изисква 2π·f·Uₘ; ОУ издържа до f_max = SR/(2πUₘ) = 7,96 kHz. Над нея синусът се изкривява към триъгълник; сега изходът стига 6,32 V.

Скорост на нарастване
∿uвх−+входизход
00,050,10,15−10010t – време, msu, V
какво трябва какво излиза
Фигура 7.

Синьото е желаният синус, зеленото – изходът. При 741 и 10 V над ~8 kHz изходът изостава и се изкривява, а над ~12,5 kHz е чист триъгълник и не стига до върховете. Намали амплитудата или включи TL071 – и пак е синус.

Какво има вътре ​

БлокРабота
Диференциален усилвател (вход)два еднакви транзистора с общ емитер; усилва разликата, потиска синфазното. Вместо R_E – генератор на стабилен ток за по-добро CMRR
Междинно стъпалоосновното усилване
Транслатор на нивосваля постоянното напрежение, за да е изходът около 0 V
Крайно стъпалодвутактно (тема 7) – дава тока към товара

Пример за такава структура: LM308. Каталожните параметри са захранване, консумация, K, CMRR, входно и изходно съпротивление, напрежение и ток на несиметрия, подтискане на промените на захранването.

Захранването е симетрично (±E) или несиметрично (+E и изкуствена средна точка от два резистора). Входните токове на ОУ дават малко лъжливо напрежение; компенсира се с резистор R3 = R1∥R2 от „+“ към масата.

Неинвертиращият усилвател в лабораториятаCircuitJS – свободен симулатор: токът тече като точки, щракаш върху елемент и сменяш стойността ↗

Самопроверка ​

1. Инвертиращ с R1 = 10 kΩ, R2 = 100 kΩ. Какво е K и с какъв резистор се симетрират входовете?

K = −10; R3 = R1∥R2 = 9,1 kΩ. Неинвертиращ със същите резистори → K = 11.

2. GBW = 1 MHz, K = 100. Каква е лентата?

fв = GBW/K = 10 kHz.

3. SR = 0,5 V/μs. До каква честота синус с амплитуда 10 V е неизкривен?

f_max = SR/(2πUₘ) = 0,5·10⁶/(2π·10) ≈ 8 kHz.

4. Защо предусилвателят за пиезо микрофон е неинвертиращ?

Защото входното му съпротивление е огромно и не образува делител с голямото вътрешно съпротивление на микрофона. Инвертиращият има Rвх = R1.

5. Какво е CMRR и защо е важно за дълъг кабел?

Колко пъти диференциалният сигнал се усилва повече от синфазния. По дълъг кабел смущенията влизат еднакво в двата проводника и с голямо CMRR се изваждат.