Чтобы увеличить амплитуду очень слабых входных сигналов, применяют микросхемы интегральных ОУ. Коэффициент усиления и питающие напряжения ОУ выбираются такими, чтобы на вход МК поступали сигналы в диапазоне цифровых (НИЗКИЙ/ВЫСОКИЙ) или аналоговых (+0.05... Vcc – 0.05 В) уровней.
Из широкораспространённых ОУ часто используют «классические» LM358, LM324, LM2902, TL062, допускающие работу как при однополярном питании +3...+30 В, так и при двухполярном питании ±(1.5...15) В. Типовой ток потребления 1...2 мА; ток нагрузки до 40...50 мА; коэффициент усиления не менее 100000.
Для снижения амплитудных искажений рекомендуется выбирать специальные типы ОУ, допускающих размах сигналов «rail-to-rail» по входу и (или) «rail-to-rail» по выходу. Для справки, «rail» в переводе с английского – это «перила, поручни, рельсы», в электронике – это пороговые напряжения вблизи GND и Ус с-
На Рис. 1, а...ц показаны схемы усилителей сигналов на одиночных ОУ, а на Рис. 2, а...ж – усилителей сигналов, состоящих из нескольких ОУ.
Рис. 1. Схемы усилителей сигналов на одиночных ОУ
а) высокое входное сопротивление за счёт повторителя напряжения на микросхеме DA1;
б) прямое соединение ОУ DA1 с МК применяется, если они питаются от единого источника положительного напряжения +3...+5 В при отсутствии отрицательного питания ОУ;
в) защитный диод VD1 может отсутствовать, если ток, протекающий через резистор R4 при отрицательном напряжении на выходе ОУ, меньше 1 мА. Это ток через внутренний диод МК;
г) делитель на резисторах R2, R3 снижает максимальное напряжение, подаваемое на линию МК с выхода ОУ DA1, с +12 до +5 В (резисторное согласование уровней);
д) резистор R2 регулирует усиление каскада на микросхеме DA1. Цепочка R3, С2 сглаживает «шорохи», возникающие при механическом вращении движка резистора R2;
е) ОУ на микросхеме DA1 не имеет обратных связей и выполняет функцию компаратора. Порог регулируется резистором R3, элементы защиты – R2, VD1, VD2, С1;
ж) резистор R1 – это нагрузка выхода интегрального компаратора DA1, имеющего открытый коллектор. Возможные замены – LM392N, LM311;
з) ОУ DA1 выполняет функцию компаратора, сравнивающего входной сигнал с напряжением +2.5 В (делитель R1, R2). Конденсатор С1 устраняет самовозбуждение на высоких частотах;
и) резистор R1 обязателен при питании ОУ DA1 от напряжений больше, чем +5 В, и меньше, чем – 5 В. Этот резистор ограничивает ток, протекающий через внутренние защитные диоды МК при большом положительном и при большом отрицательном напряжении на выходе ОУ;
к) преобразователь уровней: на входе –5...+5 В, на выходе 0...+5 В. Резисторами R3, R4 подбирается точная центровка и коэффициент ослабления сигнала, приходящего к МК;
л) резистором R5 регулируется постоянная составляющая на входе МК;
м) сигнал верхнего входа от датчика скорости «привязан» к уровню +2.5 В через делитель R3, R4. Диоды VD1, VD2 – защитные, конденсаторы С1, С2 фильтрующие;
н) резистор R2 защищает МК от отрицательного напряжения -5 В, которое может появиться на выходе DA1. Если движок резистора R1 перевести в крайнее правое положение, то DA1 из интегратора превращается в повторитель напряжения;
о) входной сигнал проходит через активный ФНЧ с частотой среза 22 кГц. Если амплитуда на входе АЦП МК больше, чем 0...+5 В, то надо последовательно поставить резистор 1...10 кОм;
п) входной усилитель выполнен на высокоскоростном ОУ DA1 и имеет защиту от всплесков напряжения с помощью диодов Шоттки VD1, VD2. Диапазон частот до 10 МГц; р) регулировка чувствительности (усиления) переменным резистором R2, а диод VD1 не пропускает отрицательную полуволну напряжения. Резистор R2ограничивает ток через внутренний диод МК при амплитуде на выходе DA1 больше, чем +5 В;
т) резистор обратной связи R1, в отличие от аналогичных схем, соединяется с защитным резистором R2 на входе МК, а не на выходе ОУ DA1;
у) трёхполосный регулятор тембра с коррекцией АЧХ на низких (R4), средних (R5) и верхних (R6) частотах. Напряжение +2.5 В может подаваться от ИОН МК;
ф) усилитель DA1 является компаратором, порог срабатывания которого определяется резистором R4. На выводе 3 микросхемы DA1 суммируются отрицательное (резистор R1) и положительное (резисторы R4, R6) напряжения. Конденсатор С1 сглаживает пульсации сигнала ШИМ, генерируемого с выхода МК;
х) активный ФНЧ на микросхеме DA1 дополняется пассивным ФНЧ на элементах R3, С3. Делитель R3, согласует уровни сигналов, поскольку у DA1 и МК разное питание;
ц) защита входа МК стабилитроном VDI и резисторами R2, R3, что необходимо при высоком двухполярном напряжении питания ОУ DA1.
Рис. 2. Схемы усилителей сигналов на нескольких ОУ
а) на входы МК поступают сигналы, сдвинутые противофазно левой и правой половинами ОУ DA1. Входной сигнал UBX поступает с линейного выхода звуковой карты компьютера;
б) DA1 – это точный дифференциальный усилитель, который принимает сигналы с двух датчиков кардиографа. На ОУ DA2 выполнен активный ФНЧ;
в) активный ФНЧ с характеристикой Бесселя и частотой среза 3.4 кГц. Особенность – повторитель напряжения DA1.2 снижает импеданс в средней точке ОУ DA1.1, DA 1.3;
г) DA1.1 – это буфер, DA1.2 – инвертирующий компаратор с порогом включения около +4 В (определяется делителем R4, R5). При срабатывании компаратора открывается диод VD4;
д) усилитель звуковых сигналов от звукоснимателя электрогитары (R13 – симметрия);
е) на верхний, средний и нижний входы МК поступают, соответственно, исходный сигнал, прошедший одну ступень фильтрации и прошедший две ступени фильтрации. Частота среза ФНЧ регулируется элементами R3...R6, С2...С5, при этом должны выполняться условия: R3 = R4 = R5 = R6 и С2 = 2С3, С5 = 2С4;
ж) измеритель пульсаций входного напряжения. Для повышения точности следует использовать АЦП МК в дифференциальном режиме.
Источник: 1000 и одна микроконтроллерная схема. С. М. Рюмик. Вып. 1
