Каскадный усилитель AOP для многократного усиления сигнала | упражнение 6 - Видео 1/2

Анализ набора из двух операционных усилителей, AOP1 и AOP2, соединенных последовательно или каскадно, рассматривая их как идеальные усилители с бесконечным коэффициентом усиления, A1 = A2 = бесконечность.
Метод:
Мы рассматриваем AOP1 и AOP2 как идеальные усилители с бесконечным коэффициентом усиления, A1 = A2 = бесконечным, и поскольку A1 = A2 = бесконечным, входной импеданс каждого AOP, расположенный между двумя его входами (V+) и (V-), бесконечен.
Для первого усилителя AOP1 входной импеданс Zi1 между (V1+) и (V1-) бесконечен, Zi1 = infinite, что означает, что внутреннее соединение между (V1+) и (V1-) прервано. Аналогичные рассуждения для второго усилителя AOP2, где Zi2 = бесконечность, приводят к тому, что внутренняя связь между (V2+) и (V2-) прерывается.

Перерисуем цепь, переведя Zi1 = Zi2 = бесконечность в пространство без проводников, что означает бесконечный импеданс.
Мы видим, что ток I1+ не может течь, он не может идти по какому-либо пути, то есть I1 = 0.
Iout1 не попадает в AOP2, потому что внутренняя связь AOP2 прервана, поэтому он проходит через R1.
С другой стороны, для идеального AOP, поскольку A1 = A2 = A = бесконечность, мы имеем (V+) = (V-) .
Таким образом, для АОП1 мы имеем (V1+) = (V1-)
а для АОП2 имеем (V2+) = (V2-).
Из этих двух равенств мы можем сделать вывод:
V1 = (V1+), V2 = (V1-), V3 = (V2+) и V4 = (V2-).
Применив закон Ома, мы получим все токи и напряжения в цепи.

Примечание:
Каскадный усилитель, состоящий из нескольких каскадов с использованием ОУ, позволяет усилить сигнал в несколько раз, так как общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления каждого каскада.

Принцип умножения коэффициента усиления: у двух каскадных усилителей с коэффициентами усиления G₁ и G₂ общий коэффициент усиления будет равен G_total = G₁ × G₂. Это позволяет достичь очень высокого усиления без чрезмерно большого коэффициента усиления каждого каскада, что поможет ограничить проблемы со стабильностью и полосой пропускания.

Распределяя усиление по нескольким каскадам, каждый усилитель можно сконфигурировать с умеренным коэффициентом усиления. Это позволяет избежать перегрузки одного каскада, которая может привести, например, к преждевременному насыщению или ограничению полосы пропускания. Каждый каскад усиливает сигнал, уже усиленный предыдущим каскадом, что не только обеспечивает прогрессивное и контролируемое усиление, но и повышает стабильность.

Основным недостатком каскадной схемы является то, что накопление шумов и ошибок смещения (например, смещения напряжения), генерируемых каждым OP AMP, многократно увеличивает общий коэффициент усиления. Поэтому очень важно использовать высококачественные OP AMP с низким уровнем шума и смещения.

Чтобы каждый каскад работал правильно, между ними должна быть соответствующая связь (проблемы с импедансом и связью). Иногда между двумя каскадами устанавливают буфер (последователь напряжения), чтобы выходной импеданс одного усилителя не нагружал вход следующего. Это обеспечивает эффективную передачу сигнала без ослабления или искажения.

Наконец, общая полоса пропускания каскадной схемы определяется каскадом с самой низкой частотной характеристикой. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы дополнительное усиление не вносило частотных ограничений, которые могут повлиять на сигнал в целом.

В целом, каскад операционных усилителей - это эффективный метод многократного усиления сигнала, поскольку общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Однако при проектировании такой схемы необходимо учитывать такие аспекты, как шум, смещение, согласование импеданса и полоса пропускания, чтобы обеспечить качественное усиление сигнала без искажений и нестабильности.