Схемотехника микросхемы LM324


Под узлами на основе ОУ понимаются любые схемотехнические решения, обеспечивающие выполнение тех или иных задач по обработке сигналов. ОУ — это прежде всего “решающий/операционный” усилитель, в задачу которого входит обработка по заданной функции входных сигналов и получение требуемых выходных.

Классы узлов, которые мы попробуем максимально подробно рассмотреть в этой статье:

— усилители постоянного тока;
— усилители переменного тока;
— функциональные преобразователи (нелинейные схемы);
— генераторы;
— модуляторы и демодуляторы;
— источники опорного напряжения;
— источники питания (линейные и импульсные);
— преобразователи вида сигналов (DC-AC; AC-DC; смесители, умножители).


Какой либо последовательности в описании узлов не будет — как пойдет по возможностям и времени.

Напоминаем, что ОУ LM324 — это весьма посредственный ОУ по сумме параметров и, вместе с тем, мы будем пробовать «вытащить» из схем на его основе максимальное качество.

Источник тока, однополярный

Во многих случаях, простейшие источники тока (ИТ) не обеспечивают хороших точностных характеристик даже на уровне (1..2)%. Кроме того, часто требуется электронное и точное управление током от задатчика тока (микроконтроллер, к примеру).

Предлагается следующая схема прецизионного ИТ (можно и даже нужно заменить биполяры на полевые, но это показательная схема).

Рис.1. Схема прецизионного однополярного ИТ.

Параметры схемы:

— напряжение питания нагрузки: VCC <= 25 (28) V (ограничено LM324);
— однополярное питание ОУ: VP = 30 V;
— максимальный ток ИТ: Imax = 100 mA;
— максимальное напряжение управления: Vdc = 5 V;
— крутизна преобразования ИТ: S = 20 mA/V;
— абсолютная погрешность задания тока: dI <= ± 25 uA;
— диапазон сопротивлений нагрузки, при котором обеспечивается указанная погрешность: RL = 0..140 Ohm;
— температурный диапазон с сохранением указанной погрешности: минус 20..+70 C;

График изменения абсолютной погрешности dI [uA] в зависимости от сопротивления нагрузки RL = 0..140 Ohm и при крайних температурах 0 С и 50 С в диапазоне управляющего напряжения Vdc = 0..5 V.

Рис.2. График абсолютной погрешности установки тока.

Пояснения к схеме.

Схема состоит из двух, последовательно включенных ИТ.
Первый ИТ выполнен на DA1 и VT1 и обеспечивает ток через сопротивление нагрузки R3 около 5 mA. Резисторы R3 (a,b,c) — это подстройка коэффициента передачи для компенсации всяких разбалансов и выполняется на основе главного постоянного резистора и вспомогательного подстроечного многооборотного.
Основная функция первого каскада — обеспечить стабильный ток и перевести управляющее напряжение для второго каскада относительно VCC, как общего.

Второй каскад (DA2, VT2, VT3) — основной и мощный, для него применено включение двух транзисторов по схеме Дарлингтона. Максимальная мощность, рассеиваемая на VT3 доходит до 2 W. В зависимости от напряжения питания VCC, требуется подстройка R5 для обеспечения минимальной погрешности. Обычно это делается однократно, поскольку VCC постоянно, как правило.
Резистор R7a, R7b — это токо-задающий резистор для второго каскада. В некоторых случаях может потребоваться его подстройка, поэтому он выполнен в виде двух резисторов.

Сравнение АЧХ двух структур усилителей на основе ОУ

В основной статье было показано на расчетах и примерах, что расширение полосы полосы пропускания одиночного ОУ возможно только путем каскадирования схемы из нескольких ОУ.

Интересное на схемафоруме:
QUASAR F-3. Кому есть что сказать

Однако, есть еще одна структура из двух ОУ, на которую возлагаются большие надежды на улучшение суммарных характеристик.
Называется структура из двух ОУ: «композитный» или «составной» ОУ.

Да, все так, но — есть небольшое исключение.
Такая структура создавалась для того, чтобы из двух разных по качествам ОУ создать составной ОУ, в котором бы сочетались лучшие параметры каждого из ОУ.

Например: входной ОУ — прецизионный, с FET транзисторами на входе, с высоким входным сопротивлением. Второй ОУ — высоковольтный, с мощным токовым выходом. Да, такая связка работает и хорошо работает.

Однако, если попытаться из двух одинаковых ОУ составить составную схему — что мы получим? Все параметры — одинаковы. Все, на что можно рассчитывать — расширение полосы пропускания. Но, так ли это? Увы – не так и это докажем симуляцией двух структур на одинаковых ОУ LM324.

Рис.3. Схема сравнения АЧХ составной и каскадной структур на основе ОУ.
Рис.5. АЧХ двух структур.

Очевидно, что каскадная структура имеет большие возможности по настройке АЧХ (значения конденсаторов физически реализуемы).
В составной структуре — все очень неоднозначно и корректирующий конденсатор имеет очень малое значение, сравнимое с паразитными емкостями монтажа.

ОУ — как компаратор

Скажем сразу — эта затея не очень хорошая, т.к. типовой ОУ плохо работает в переключательном режиме, когда выходной каскад входит в насыщение.
Тем не менее, в любительских конструкциях такие решения используются.

Компаратор — это электронное устройство, сравнивающее два сигнала, поступающие на два входа его входа (P и N) и выдающее сигнал высокого (H) или низкого (L) уровня в зависимости от того, какой из сигналов больше или меньше другого.

Из определения компаратора очевидно, что дифференциальный усилитель, к которому относятся любые операционные усилители, может являться компаратором.

Что же не так с ОУ, что признание его компаратором наталкивается на трудности?

Прежде всего — это тот факт, что схемотехника ОУ строится на принципе максимальной линейности обработки входных сигналов. При этом, к сожалению, возникают неприятности, связанные с ограниченной скоростью нарастания выходного сигнала и перехода ОУ в насыщение, когда обратная связь уже не действует.

Для начала, изучим схему “компаратора” на основе неинвертирующего усилителя с принудительно заданным коэффициентом усиления Ku = 10.

Рис.6. Схема неинвертирующего усилителя с Ku = 10.

Передаточная характеристика на DC:

Рис.7. Передаточная характеристика при Ku=10.

Да, при Ku=10 и при уровне входного сигнала Uin = 2 [V], эта схема работает как компаратор, переводя выходной сигнал в насыщение с уровнями минус 15 [V] и плюс 13 [V].

А, в промежутке, между Uin = +/- 1.5 [V] — это обычный линейный усилитель, а не компаратор.

Что нужно сделать, чтобы сузить зону компарирования? Выход только один — увеличение коэффициента усиления схемы на ОУ.

Увеличиваем усиление до Ku = 1000:

Рис.8. Схема неинвертирующего усилителя с Ku = 1000.

Передаточная характеристика при Ku = 1000:

Рис.9. ПХ при Ku = 1000.

Как видим, зона переключения составляет уже +/- 14 [mV].

Плохо это или хорошо? Все зависит от задачи. При условно DC-сигнале — это нормальный компаратор. А, вот если входной сигнал синусоидальный с относительно высокой частотой для данного ОУ или, что хуже, прямоугольный?

Интересное на схемафоруме:
Самый популярный дрон L600 PRO MAX

Почему прямоугольный сигнал хуже, чем синусоидальный?

Придется обращаться к такому параметру ОУ, как максимальная скорость нарастания выходного напряжения (Slew Rate). Этот параметр обязательно приводится в даташите на любой ОУ. Для ОУ LM324: SR = 0.5 [V/us].

Параметр SR означает, что при подаче на вход идеального прямоугольного сигнала, сигнал на выходе достигнет уровня Uout = 10 [V] через T = Uout/SR = 10/0.5 = 20 [us].

При симуляции с моделью LM324 уровень Uout = 10 [V] достигнут через 24 [us], что близко к теоретическому значению 20 [us].

Рис.10. Slew Rate LM324/

Работа “компаратора” при условии не насыщения ОУ.

Для этого эксперимента выберем уровень входного сигнала Uin = 5 [mV], что при Ku = 1000 обеспечит работу ОУ в условно переключательном режиме при выходном уровне TTL Uout <= 5 [V] и без насыщения.

Рис.11. Выходной TTL-уровень компаратора.

Увы и ах.. Более-менее прямоугольный характер выходного сигнала наблюдается при частоте входного сигнала Fin <= 300 [Hz].
На графике рис.3 сигнал с Fin = 100 [Hz].

Преобразование «ток-напряжение»

Для передачи аналоговых сигналов по двухпроводной линии на некоторое расстояние существует много разных методов — от передачи напряжения и до тех или иных способов модуляции.

Передача напряжения — это не самый лучший способ, т.к. влияют помехи, длина провода (импеданс) и проблемы с передачей сигналов вблизи нуля тоже из-за помех. Обычно дальность передачи ограничивается 30 м и полоса пропускания до 1 MHz.

Однако, давно был придуман способ передачи аналогового сигнала – током, причем несимметричным, например 4..20 mA. Многие протоколы передачи данных были основаны на таком физическом способе

Основные преимущества:
— низкий импеданс линии связи и нагрузки;
— минимальный сигнал смещен значительно выше нуля.

Для токовой передачи характерны дальности до 300 м, но и полоса до десятков kHz.

Рассмотрим классическую схему преобразователя «ток-напряжение».
Это схема RX — приемник.

В данной схеме использован ОУ LM324. Для улучшения точностных показателей могут использоваться иные ОУ.

Частотная характеристика.

Как видим, по уровню -3 dB частота среза составляет 85 kHz, что достаточно для передачи звукового сигнала.

6. Преобразование «напряжение-ток».

Рассмотрим классическую схему преобразователя «напряжение-ток».
Это схема TX — передатчик.

Для данной схемы выбор ОУ LM324 — не лучший выбор. Почему?

По условию максимальный выходной ток равен 20 mA, а при таком токе возникает нелинейность выходного напряжения от входного в конце диапазона. Если Imin еще можно поправить до 4.00 mA, то нелинейность на предельном токе— это данность.
Выход есть — использовать буферный каскад на ОУ или транзисторах, которые смогут обеспечить ток более 25-30 mA.

Частотная характеристика.
АЧХ преобразователя представлена на графике при C1 = 100 pF:

Как видим, частота среза по уровню -3 dB составляет 106 kHz. Для большинства применений в диапазоне звуковых частот — этого достаточно. Если нужна более высокая частота среза, то надо выбирать более высокочастотный ОУ. Продолжение темы про 324.