Jump to content
paxac

Почему нельзя использовать ОУ для ослабления?

Recommended Posts

В разных умных книжках, статьях иногда пишут, что ОУ нельзя использовать для ослабления, потому что (компенсированные) ОУ стабильны при коэффициенте усиления не менее 1. Но в то же время в умных книжках и статьях пишут, что стабильность ОУ определяется коэффициентом усиления шума (noise gain, я точно не знаю, как это по-русски), а не сигнала. При этом noise gain не может быть меньше 1 по определению (он всегда считается по формуле неинвертирующего усилителя). А если так, то можно смело использовать ОУ для ослабления. Противоречие. Покажите, пожалуйста, где ошибка?

Edited by paxac

Share this post


Link to post
Share on other sites

Потому, что бессмысленно. Проще ослабить сигнал делителем. А уже после него поставить ОУ в виде повторителя (преобразователя сопротивлений).


Я не раздаю рыбу. Я раздаю удочки.

ПРОСТОТА - ХУЖЕ ВОРОВСТВА!!!

Share this post


Link to post
Share on other sites

Вебинар «Экосистема MEAN WELL. Решения для любых задач электропитания» (20.05.2021)

Приглашаем 20 мая на вебинар, посвященный линейке поставок компании MEAN WELL и ее подходу к производству источников питания — как экосистемы продукции и услуг, которая позволяет подобрать оптимальный источник питания для любых задач электропитания. Рассмотрим весь спектр выпускаемой продукции MEAN WELL в области AC/DC-, DC/DC- и DC/AC-преобразователей с подробным разбором интересных и уникальных новинок, их применении и многое другое.

Подробнее

5 hours ago, Falconist said:

Потому, что бессмысленно. Проще ослабить сигнал делителем. А уже после него поставить ОУ в виде повторителя (преобразователя сопротивлений).

Меня на осмысленность интересует, а принципиальная возможность. (Если нужен осмысленный вариант, пусть будет инвертирующий усилитель, где потенциометром я могу изменять КУ, проходя через единицу.)

Edited by paxac

Share this post


Link to post
Share on other sites

Барьерные силовые клеммы от Degson – расширение складского ассортимента Компэл

Обновленная линейка барьерных клеммных блоков Degson, поступивших на склад Компэл, содержит широкий ряд клемм, подходящих для соединения проводников различного сечения (от 22AWG до 10AWG). Барьерные клеммные колодки сочетают в себе удобство, простоту и надежность соединения. Это достигается за счет ответственного производства и использования высококачественных материалов. Винтовые клеммные блоки барьерного типа Degson предназначены в первую очередь для коммутации в сильноточных цепях, например, в распределительных и измерительных системах.

Подробнее

Материалы вебинара «Решения Analog Devices для гальванической изоляции. Обзор технологий и новинок»

Опубликованы материалы вебинара, посвященного решениям Analog Devices для гальванической изоляции. На вебинаре рассказали о: технологии гальванической изоляции iCoupler, цифровых изоляторах, технологии isoPower, гальванически изолированных интерфейсах (RS-485, CAN, USB, I2C, LVDS) и многом другом. Материалы вебинара будут интересны разработчикам промышленной автоматики и медицинской техники.

Подробнее

1 час назад, paxac сказал:

Меня на осмысленность интересует, а принципиальная возможность.

Вам нечем заняться? Так же, как в теме: Гетеродин с кварцевым опорным генератором?

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 hour ago, LazyEd said:

Информация к размышлению.

Да, собственно поэтому и возник вопрос. В данной статье также говорится, что ОУ стабилен при КУ сигнала меньше 1, потому что КУ шума не может быть меньше 1. Но например, те же ковбои в книжке "Opamps for everyone", параграф 25.2 говорят, что не используйте ОУ при КУ меньше 1, иначе возможно возбуждение. Либо кто-то не прав, либо правда посредине, но я ее не вижу. 

Edited by paxac

Share this post


Link to post
Share on other sites

Хм-м-м... А почему это нельзя использовать ОУ для ослабления? Он же "операционный" - т.е., операцию вычитания он делает также легко, как сложение. Имеем два входа и один из них инверсный. Зачем его сделали, как Вы думаете?


Андрей

Share this post


Link to post
Share on other sites
2 часа назад, paxac сказал:

ОУ стабилен при КУ сигнала меньше 1

Либо в самой статье пропущено, либо Вы пропустили отрицание "не". В действительности ОУ НЕстабилен при КУ сигнала меньше 1, поскольку для подобного изврата он не скорректирован. Если глянуть на параметры частично скорректированных ОУ (вырезки из справочника "180 аналоговых микросхем" приаттачены под спойлером), то видно, что чем меньше усиление, тем большая емкость корректирующего конденсатора требуется.

Как по мне - этого достаточно, чтобы вопросов не возникало.

Скрытый текст

588096336_1541.PNG.19877d4028d3790c722ce9d72b3c347f.PNG

1082439390_14014.PNG.e0145785a8208929532de6aaf5979ec2.PNG

2071559854_1531.PNG.07169fef39b758815f23ce2dce978ba5.PNG

 


Я не раздаю рыбу. Я раздаю удочки.

ПРОСТОТА - ХУЖЕ ВОРОВСТВА!!!

Share this post


Link to post
Share on other sites
9 часов назад, Falconist сказал:

В действительности ОУ НЕстабилен при КУ сигнала меньше 1

В действительности немного не так. Например, инвертирующая схема включения ОУ на самом деле управляется вообще током. Чтобы сразу отсечь возражения, напомню про существование схемы подключения фотодиода. Входной резистор в таком инвертирующем усилителе может быть произвольного сопротивления. Для сопротивлений по 1 кОм на входе и в ООС "усиление" будет равно единице (выходное по модулю равно входному). Если на вход подать 1 В, на выходе будет -1 В. А если сопротивление входного резистора изменить на 100 кОм, а на вход подать 100 В, то режим работы ОУ от этого не изменится от слова "совсем". На выходе будет тот же -1 В, входной ток - тот же 1 мА, хотя "усиление" будет 0,01. :D

Ну, а в схеме сумматора с разными весовыми коэффициентами на инвертирующем ОУ какое усиление? По какому из входов считать?

А есть ещё сумматор-вычитатель, у которого есть и инвертирующие, и неинвертирующие входы...

Edited by Lexter

Share this post


Link to post
Share on other sites

Удивительно, как разделились мнения в таком "простом" вопросе.

 

Analog Devices, MT-033 "Voltage Feedback Op Amp Gain and Bandwidth":

Quote

Closed-loop gain has two forms: signal gain and noise gain. [...]

Signal gain is the gain applied to the input signal with the feedback loop connected. [...] Signal gain can be positive (non-inverting mode) or negative (inverting mode), and can be less than unity for the inverting case.

Noise gain is the gain seen by a noise source (input voltage noise) or voltage source (input offset voltage) connected in series with an op amp input. [...] Noise gain is equal to the signal gain of a non-inverting amp. Noise gain is also the same for either an inverting or non-inverting stage. It is the noise gain that is used to determine op amp stability.

Короче, стабильность ОУ определяется КУ шума, который не может быть меньше 1 (неинвертирующая схема).

 

Texas Instruments, "Opamps for Everyone", параграф 6.4 (1-е изд):

Quote

First, the transfer functions for the non-inverting and inverting Equations, 6–13 and 6–18, are different. For a common set of ZG and ZF values, the magnitude and polarity of the gains are different. Second, the loop gain of both circuits, as given by Equations 6–15 and 6–19, is identical. Thus, the stability performance of both circuits is identical although their transfer equations are different. This makes the important point that stability is not dependent on the circuit inputs.

Короче, стабильность ОУ не зависит от входов. Например, стабильность инвертирующего усилителя с КУ = 0.1 такая же, как у неинвертирующего с КУ = 1.1. Крайний случай: повторитель (неинвертирующий усилитель с КУ = 1) это то же, что инвертирующий с КУ = 0.

 

Интересный и познавательный пост leoniv в своём ЖЖ (ссылка):

Quote

Этот дифференциальный усилитель имеет коэффициент усиления 0.0833, что значительно меньше единицы. [...]
Иногда считают, что шумовое напряжение ОУ, приведенное ко входу, усиливается вместе с полезным сигналом в такое же число раз. Здесь усиление каскада на ОУ значительно меньше единицы, получается, нужно ожидать ослабления шумов? На самом деле это не так. Несмотря на то, что инвертирующий или дифференциальный усилитель на ОУ может иметь коэффициент усиления сигнала меньше единицы, для шума коэффициент усиления меньше единицы быть не может. [...]

Иногда меня спрашивают: «А будет ли устойчивым ОУ, скорректированный для единичного усиления, если на нем собрать инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления -0.5?» В учебниках не всегда четко сказано, что при анализе устойчивости используется усиление шума (noise gain), а не усиление полезного сигнала. А усиление шума никогда не может быть меньше единицы, поэтому насчет устойчивости беспокоиться не надо.

Тот факт, что усиление полезного сигнала и усиление шума могут быть разными, составляет почву для трюков. Например, можно добиться устойчивости ОУ, увеличив усиление шума и не повлияв при этом на усиление полезного сигнала. Такой трюк называется «noise gain compensation» и используется, например, при работе ОУ на емкостную нагрузку (Apex Application Note 20). Изредка в схемах можно видеть абсурдную на первый взгляд RC-цепочку между двумя входами ОУ. Для полезного сигнала эта RC-цепочка влияния не оказывает (сплошная горизонтальная линия на графике). Но она влияет на усиление шума. Для вычисления усиления шума нужно мысленно заземлить входы, тогда данная цепочка оказывается подключенной параллельно заземленному резистору делителя ОС. Усиление шума на высоких частотах возрастает (штриховая линия на графике), что делает усилитель устойчивым.

 

P. S. Lexter, действительно, инвертирующий усилитель "не знает", какого размера резистор перед ним стоит (и резистор ли это вообще), он "знает" только ток. 

Edited by caxap

Share this post


Link to post
Share on other sites
3 часа назад, Lexter сказал:

не так

Так, @Lexter , так! ВСЕ приведенные Вами возражения - "мимо кассы". Аргументацию своей точки зрения я привел, У Вас же - исключительно "диванные размышления",


Я не раздаю рыбу. Я раздаю удочки.

ПРОСТОТА - ХУЖЕ ВОРОВСТВА!!!

Share this post


Link to post
Share on other sites

Просимулировал в SPICE. На выход добавил небольшую ёмкость. Смотрю реакцию на ступеньку амплитудой +1 В, фронт 1 нс.

sim.png.b03a2564551bee1e53bf52f2072f6045.png

КУ = -1 (резистор в ОС = 10к):

10k.png.7f91b68dd206004b6196c538d5595d6a.png

КУ = -0.1 (резистор в ОС = 1к):

1k.png.e5ae818feb1f8c6507ff3a615f4bcf56.png

Как видно, оба варианта примерно одинаково стабильны.

Edited by caxap

Share this post


Link to post
Share on other sites

Привожу пример, доказывающий, что стабильность ОУ определяется коэффициентом усиления шума, а не сигнала.

Инвертирующий усилитель с КУ = 2. На вход подаём ступеньку 1 В. На выходе ёмкость 1 нФ. Усилитель на такой ёмкости возбуждается. Запомним между делом, что коэффициент усиления шума здесь равен 3 (он считается по формуле неинвертирующего усилителя, заземляя входной сигнал).

unstable_sch.png.067048f5b7e7a01d235bc0c539f28d1a.png

unstable.png.97ecfe9b0399903d9d8f354dd4d9bcfd.png

 

Теперь инвертирующий усилитель с КУ = 0.5. На выходе та же ёмкость 1 нФ. Ещё какой-то резистор (R3) стоит между входами, но, можно наивно подумать, что ни на что не влияет, ведь у него с обоих сторон земля. 

stable_sch.png.e570de4441cc8b7b886bab3fc36b9d47.png

Подаём ступеньку 1 В. Ну если уж с КУ = 2 усилитель возбудился, то с КУ = 0.5 будёт ещё хуже. Но нет -- усилитель стабилен:

stable.png.941e9135769e828ddb3fb553b32175fc.png

 

В чём же дело? А в том, что во втором случае, при КУ сигнала равном 0.5, КУ шума равен 6.5. Стабильность ОУ определяется КУ шума, а не сигнала, а данный усилитель при КУ равном 6.5 стабилен на нагрузку 1 нФ. "Бесполезный" резистор R3, действительно, никак не влияет на полезный сигнал. Он увеличивает КУ шума. Кому интересно, это техника компенсации ОУ называется (по-буржуйски) "noise gain compensation" (в практических реализациях к R3 добавляется ещё последовательно конденсатор). Например,  вот старая лекция MIT, где разбирается эта техника. 

 

Мораль: ОУ, компенсированные для единичного усиления, можно использовать для ослабления сигнала. Не бойтесь, КУ шума не может быть меньше 1.

Edited by caxap

Share this post


Link to post
Share on other sites
11.01.2021 в 21:16, caxap сказал:

инвертирующий усилитель "не знает", какого размера резистор перед ним стоит

Я эту мысль пытался донести до некоторых еще 6 лет назад

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

LazyEd, если быть точным, входной резистор участвует в формуле КУ шума. Источник сигнала при этом заземляется, получается делитель, как в случае неинвертирующего усилителя. Но важно то, что этим входным резистором мы можем только увеличить КУ шума, а значит стабильность, но никак не уменьшить. В предельном (худшем) случае, когда входной резистор имеет бесконечное сопротивление, мы имеем просто повторитель (для шума), и КУ шума равен 1.

Edited by caxap

Share this post


Link to post
Share on other sites

Пока старпёры показывают пальцем "а-та-та", видя аттенюаторы на ОУ, реальные инженеры HP/Agilent не ссут использовать их в дорогущем лабораторном оборудовании. Вот примеры из Agilent 6063B:

Инвертирующий усилитель с коэффициентом 1/6:

6060_2.png.6dc66d05aa8a88f914bd964fc853fe7d.png

 

Диф. усилитель с коэффициентом 1/6:

6060_1.png.c5ea3e41676787e9d305d5255b9cf4e4.png

 

Edited by paxac

Share this post


Link to post
Share on other sites

Лет 20 назад пришлось мне ремонтировать старый отечественный микшер (какой-то из множества "Электроник" - точного названия сейчас не припомню). В его входной каскад, с переменным резистором регулировки усиления в ООС меньше единицы, "реальные инженеры" поставили ОУ К544УД2. Причиной ремонта была жалоба на "песок" в звуке. Послушал - действительно, звук какой-то "грязный". Глянул осциллографом - и обалдел: с выхода этого каскада буквально "прёт" самовозбуждение с частотой более 1 МГц и амплитудой около 1 В, модулированное входным звуковым сигналом. Дальше стоит темброблок, обрезающий это самовозбуждение, поэтому на выходе последнего сигнал, казалось бы, "чистый". Причем, с обратной стороны линеек, прямо к дорожкам, были напаяны корректирующие конденсаторы фантастического номинала - по 430 пФ!!! Т.е., "реальные инженеры" пытались задавить это самовозбуждение еще при изготовлении, но у них ничего так и не получилось. 

А теперь давайте глянем на особенности применения данного ОУ: http://www.texnic.ru/data/ims1554/ims065.html

http://www.texnic.ru/data/ims1554/img/057-3.gif . При усилении менее 3 (ПЛЮС ТРЁХ, Карл!) ему требуется корректирующий конденсатор номиналом 30 пФ/Кос. Подставив в эту формулу реальный номинал 430 пФ получаем Кос = 0,07.

Вышел я из ситуации, заменив ОУ на полностью скорректированный К140УД22, прекрасно заработавший без самовозбуждения и корректировки. И звук сразу же стал чистым - отслушал уже переделанный канал по сравнению с не переделанным, - разница заметная. То, что сам микшер фекальный - другой вопрос.

Мне глубоко пофиг, что там и куда ставят "реальные инженеры", у меня имеется личный опыт, стОящий годов "диванного теоретизирования". Как пишет в подписи под своими постами  глубоко уважаемый мною dr.West:

Цитата

"Я не знаю, какой там коэффициент. Я просто паять умею".

Симулируйте, что хотите, громоздите псевдопроблему на псевдопроблему, идите сложными путями, игнорируя простые - я откланиваюсь.


Я не раздаю рыбу. Я раздаю удочки.

ПРОСТОТА - ХУЖЕ ВОРОВСТВА!!!

Share this post


Link to post
Share on other sites

кстати почему нет резистора на неин входе? ,вроде его заземляют через резистор равный в ос

Share this post


Link to post
Share on other sites

Какой то странный вопрос. В принципе такое включение это по факту дифф усилитель а он может быть и меньше 1 усиление хоть сколько, может всё дело в современных ОУ которые по умолчанию не возбуждаются, а старые совковые ясно дело хер еще задавишь возбуд, хотя дело с совковыми не имею к 2000 годам с микрами дело имел уже с импортом да и детали тоже.


Если наука бессильна значит работает магия!
Поиски лёгкого пути это самый трудный путь!
Когда говно перестаёт вонять значит себя задушило!

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 час назад, blak566 сказал:

его заземляют через резистор равный в ос

Этим уменьшается смещение от входных токов. Для ОУ с полевыми транзисторами на входах бесполезно.

@paxac , усиление в плане устойчивости - это отношение сигнала с выхода усилителя к пришедшему через ООС на вход (-). Без дополнительного усиления это отношение всегда ≥ 1. Но, к примеру, для обеспечения устойчивости КР1407УД3 требуется ≥ 10. Парадокс инвертирующего усилителя в том, что в нем входной сигнал неявно ослабляется в КВХ = RОС/(RВХ + RОС) и потом усиливается в КУ = - (1 + RОС/RВХ) раз. Произведение КВХ* КОС дает видимое усиление инвертирующего усилителя KИУ = - (RОС/RВХ). А вот усиление входного шума, не ослабляемого в обвязке, - правильное для оценки устойчивости. Скрытое ослабление может быть полезным для того же КР1407УД3:

Stab_OP_Amp.PNG.0a992d62f23cee6fd4b0dc9c35b680e4.PNG

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

@Falconist, инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления k (по абсолютной величине) имеет такую же стабильность, как неинвертирующий с коэффициентом усиления 1+k (я имею в виду стандартные схемы, без компенсации КУ шума). Это не диванные размышления, а наука, на которую выше было приведено множество ссылок. То, что советские инженеры в каком-то микшере применили неподходящий ОУ, приводивший к возбуждению, никак не противоречит возможности использования ОУ в схемах с ослаблением -- тот ОУ так же возбуждался бы и в схеме с КУ > 1.

12 часов назад, blak566 сказал:

кстати почему нет резистора на неин входе? ,вроде его заземляют через резистор равный в ос

Его заземляют через сопротивление, которое видит второй вход, если хотят убрать ошибку, вызванную током смещения. Во многих случаях этой ошибкой можно пренебречь. В данном случае она равна 4 мВ макс. В сервисном мануале написано, что этот каскад имеет выход от 0 до -10 В, пропорциональный напряжению на входных терминалах, и видимо эта ошибка несущественна (либо съедается при окончательной калибровке).  

32 минуты назад, J_Ohm сказал:

Скрытое ослабление может быть полезным для того же КР1407УД3:

Да, это как раз то, что в западной литературе называют "noise gain compensation". Выше я также приводил SPICE симуляцию этого.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.
Note: Your post will require moderator approval before it will be visible.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Restore formatting

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

Loading...

×
×
  • Create New...