Усилитель на операционном усилителе с однополярным питанием

Q: Можно ли питать операционный усилитель от одного источника 5 или 3,3 В?

Да, но переменный сигнал тогда усиливают вокруг середины питания: на неинвертирующий вход подают VCC/2 от делителя, а вход подключают через разделительный конденсатор (TI SLOD006B, прил. A.3.18). Выход в покое стоит на VCC/2 и может качаться в обе стороны. Постоянный сигнал от нуля усиливают неинвертирующим усилителем, и ОУ должен работать с входами и выходом у самого нуля.

Q: Подойдёт ли LM358 для питания 3,3 В?

Плохо. LM358 работает от 3 В, но его входы — только до V+ − 1,5 В при 25 °C и V+ − 2 В в диапазоне температур, а выход не поднимается выше V+ − 1,5 В. При 3,3 В это 1,3–1,8 В сверху — середина питания 1,65 В уже на границе. Для 3,3 В берут ОУ с входами и выходом rail-to-rail, например MCP6002.

Q: Как рассчитать полосу пропускания усилителя на ОУ?

Произведение усиления на полосу (GBW) делят на шумовое усиление 1 + R2/R1 — оно одинаково для инвертирующей и неинвертирующей схем. У MCP6002 GBW 1 МГц: при усилении 10 в инвертирующей схеме шумовое усиление 11, полоса около 91 кГц. Для больших сигналов проверьте ещё скорость нарастания: 0,6 В/мкс ограничивает размах 1 В частотой около 95 кГц.

Q: Зачем конденсатор на делителе середины питания?

Делитель из двух резисторов по 100 кОм — источник с сопротивлением 50 кОм, на нём наводятся помехи и пульсации питания, которые попадают на вход и усиливаются. Конденсатор 10 мкФ шунтирует среднюю точку на общий провод по переменному току. Для нескольких каскадов среднюю точку буферизуют отдельным ОУ-повторителем.

Учебные схемы на операционном усилителе рисуют с питанием ±15 В, а у микроконтроллера есть только 3,3 или 5 В. С однополярным питанием выход не может уйти ниже нуля, поэтому переменный сигнал усиливают вокруг середины питания, а ОУ выбирают по тому, насколько близко к шинам работают его входы и выход. Разбираем две схемы на MCP6002 и чем в них плох LM358.

Обновлено 22 октября 2026 г.Редакция GAW

Содержание

Инвертирующий усилитель переменного тока
Неинвертирующий усилитель для АЦП
Как выбрать ОУ
Детали
Почему не работает

Однополярное питание ограничивает выход ОУ диапазоном от нуля до напряжения питания: отрицательное напряжение получить нельзя (TI SLOD006B, разд. 4.1). Схема с входом относительно общего провода, привычная по учебникам с двуполярным питанием, при положительном входном сигнале работать перестаёт — выход должен был бы уйти ниже нуля (SLOA030A, рис. 4). Решение — сместить всё относительно середины питания и выбрать ОУ, который работает у самых шин.

Коротко

Инвертирующий: K = −R2 / R1
Неинвертирующий: K = 1 + R2 / R1
Середина питания: делитель VCC/2 с конденсатором
Полоса: ≈ GBW / (1 + R2/R1)
MCP6002: 1,8–6 В, rail-to-rail, 1 МГц
LM358: вход до V+ − 1,5 В, выход тоже

Инвертирующий усилитель переменного тока

Неинвертирующий вход подключён к середине питания: делитель R3–R4 даёт 1,65 В, конденсатор C2 шунтирует его по переменному току. Для постоянного тока C1 разрывает входную цепь, и усилитель работает повторителем: выход в покое — те же 1,65 В. Для переменного сигнала усиление −R₂/R₁ (SLOD006B, уравнение 3-5), а вместе со смещением (прил. A.3.18, уравнение A-25):

U_{вых} = \frac{U_{пит}}{2} - U_{вх}\,\frac{R_2}{R_1},

в примере U_вых = 1,65 В − 10 U_вх.

Расчёт

Усиление. R2/R1 = 100 кОм / 10 кОм = 10. Входной сигнал с амплитудой 0,1 В даёт на выходе 1,65 ± 1,0 В — от 0,65 до 2,65 В.
Размах выхода. MCP6002 выдаёт напряжение до 25 мВ от каждой шины (при 5,5 В, DS20001733L), а входы работают от VSS − 0,3 до VDD + 0,3 В — запас по обоим с избытком. Если нужен больший сигнал, предел — около 1,6 В амплитуды на выходе.
Разделительная цепь. C1 с R1 образуют фильтр верхних частот с частотой среза 1/(2πR₁C₁) = 1/(2π · 10 кОм · 10 мкФ) = 1,6 Гц. TI рекомендует ставить срез на две декады ниже самой низкой частоты сигнала (уравнение A-26) — здесь это сигналы от 160 Гц.
Полоса. Произведение усиления на полосу MCP6002 — 1 МГц; у ОУ, устойчивого при единичном усилении, оно равно полосе единичного усиления (Microchip AN723). Раз GBW = AVD · f (TI SLOA011B, уравнение 37), обратная связь перестаёт держать усиление там, где собственное усиление ОУ падает до шумового усиления 1 + R₂/R₁ = 11: полоса около 1 МГц / 11 = 91 кГц. Для больших сигналов предел ставит скорость нарастания: из производной синусоиды 0,6 В/мкс позволяют амплитуду 1 В до 0,6 В/мкс/(2π · 1 В) ≈ 95 кГц.
Постоянная составляющая. C1 не пропускает постоянный ток, поэтому по постоянному току каскад — повторитель с усилением 1: смещение нуля MCP6002 (до ±4,5 мВ) попадает на выход как есть, а не умноженным на 11. Входной ток MCP6002 — 1 пА типично, на R2 = 100 кОм это 0,1 мкВ. У LM358 входной ток до 250 нА вытекает из обоих входов: на R2 он даёт 25 мВ, но на сопротивлении делителя середины питания (R3 ∥ R4 = 50 кОм) поднимает и неинвертирующий вход на 12,5 мВ, так что на выходе остаётся около 12 мВ.

Калькулятор открыт с этим примером — усиление −10 на MCP6002. Он считает каскад так же, как в схеме с двуполярным питанием; в однополярной схеме добавьте к результату середину питания. Блок ошибок по постоянному току в калькуляторе относится к каскаду без C1 и умножает смещение на шумовое усиление 11 — в схеме с разделительным конденсатором на выход попадает в 11 раз меньше: до 4,5 мВ вместо 49,5 мВ.

Исходные данные

Схема включения

ИнвертирующийНеинвертирующий

R1 — входной резистор

Ом

R2 — резистор обратной связи

Ом

GBW операционного усилителя

Гц

По даташиту MCP6002.

Амплитуда входного сигнала

Необязательно; 100m = 0,1 В

Частота сигнала

Гц

Необязательно: для проверки по скорости нарастания

Операционный усилитель

Питание 1,8–6 В, вход и выход rail-to-rail; GBW 1 МГц, SR 0,6 В/мкс, en 28 нВ/√Гц на 1 кГц. Данные: MCP6002; те же характеристики у MCP6001 и MCP6004, VDD = 1,8–5,5 В, 25 °C; Microchip DS20001733L, ред. L, март 2020.

Резистор в цепи входа «+»

НетR1 ∥ R2

Температура от

°C

Температура до

°C

Результат

Коэффициент усиления K: −10; 20 дБ, выход в противофазе
Входное сопротивление: 10 кОмравно R1
Шумовое усиление: 111 + R2/R1; умножает Uсм и шум
Полоса по уровню −3 дБ: ≈ 90,9 кГцGBW / (1 + R2/R1)
Амплитуда на выходе: 1 Всверьте с размахом выхода ОУ
R1 ∥ R2: 9,09 кОмрезистор у «+» входа

Ошибки по постоянному току — MCP6002

Смещение при 25 °C: Uсм·(1 + R2/R1): до 49,5 мВ4,95 % амплитуды
Входной ток при 25 °C без резистора у «+»: (IB + IOS/2)·R2: ≈ 150 нВпредела нет, типовое; < 0,01 % амплитуды
С резистором R1 ∥ R2: IOS·R2: ≈ 100 нВпредела нет, типовое; < 0,01 % амплитуды
Дрейф при 0…70 °C: ΔT·(dUсм/dT)·(1 + R2/R1): ≈ 990 мкВΔT = 45 °C от 25 °C; предела нет, типовое; 0,099 % амплитуды
Сумма в худшем случае при 0…70 °C: до 50,5 мВ5,05 % амплитуды; без резистора у входа «+»; по типовому: входной ток, дрейф

Шум на выходе

Шум, среднеквадратичное значение: 127 мкВ≈ 762 мкВ от пика до пика
Шумовая полоса: 143 кГц1,57 · f−3 дБ для одного полюса
Плотность шума на выходе: 336 нВ/√Гцбелый шум, при 25 °C
Сигнал/шум: 74,9 дБсинус с амплитудой на выходе
ОУ: en·(1 + R2/R1): 308 нВ/√Гц84 % мощности шума — основной вклад
R1: √(4kTR1)·R2/R1: 128 нВ/√Гц14,6 % мощности шума
R2: √(4kTR2): 40,6 нВ/√Гц1,46 % мощности шума
Шумовой ток: in·R2: 60 пВ/√Гц< 0,01 % мощности шума

Скорость нарастания

Полоса полной мощности: 95,5 кГцSR/(2π·Uвых), SR = 0,6 В/мкс

Подобрать резисторы E24 под нужный K

Модуль усиления, например 4,7

Неинвертирующий усилитель для АЦП

Постоянный сигнал датчика, отсчитываемый от нуля, усиливают неинвертирующим усилителем: усиление 1 + R₂/R₁ = 11 (SLOD006B, уравнение 3-2), и 0–0,3 В превращаются в 0–3,3 В на входе АЦП. Здесь важно, что вход и выход работают у самого нуля:

выход MCP6002 опускается до 25 мВ от общего провода и поднимается до 25 мВ от питания, поэтому сигналы датчика меньше 2,3 мВ и больше 0,298 В усилитель передаёт с ограничением;
смещение нуля MCP6002 — до ±4,5 мВ, а после усиления в 11 раз — до ±50 мВ на выходе, около 1,5 % шкалы 3,3 В. Если это много, смещение калибруют программно или берут ОУ точнее;
LM358 для такой схемы годится частично: его входы и выход работают у нуля (выход до 5–20 мВ от отрицательной шины при 5 В), но сверху выход не поднимается выше V+ − 1,5 В.

Как выбрать ОУ

Параметр	MCP6002	LM358
Питание	1,8–6 В	3–30 В
Входы	VSS − 0,3…VDD + 0,3 В	V−…V+ − 1,5 В (V+ − 2 В в диапазоне температур)
Выход	до 25 мВ от шин	до 1,5 В ниже V+, 5–20 мВ от V− (5 В)
GBW	1 МГц	0,7 МГц
Скорость нарастания	0,6 В/мкс	0,3 В/мкс
Входной ток	1 пА тип.	20 и до 250 нА
Смещение нуля	до ±4,5 мВ	3 и до 7 мВ

Источники: DS20001733L и SLOS068AB, разд. 5.7. Для питания 3,3 В и сигналов во всём диапазоне берут ОУ с входами и выходом rail-to-rail (обозначение RRIO). LM358 оправдан, когда питание выше сигнала на несколько вольт — например, 12 В при сигнале до 5 В. Подробнее о параметрах ОУ — в статье «Операционный усилитель».

Детали

Позиция	Деталь	Примечание
DA1	MCP6002	вторая половина — повторитель середины питания или второй каскад
R1, R2	10 кОм и 100 кОм, 1 %	усиление 10 (инвертирующий) или 11 (неинвертирующий)
R3, R4	100 кОм	середина питания 1,65 В
C1	10 мкФ	разделительный, срез 1,6 Гц с R1
C2	10 мкФ	шунт средней точки

Почему не работает

Выход «прилип» к нулю или к питанию. Нет смещения на неинвертирующем входе, или вход подключён без разделительного конденсатора к источнику с нулевым постоянным уровнем.
Синусоида на выходе срезана сверху. ОУ не rail-to-rail: выход LM358 не поднимается выше V+ − 1,5 В. Уменьшите усиление или возьмите MCP6002.
На выходе гул 50 или 100 Гц. Пульсации питания попадают через делитель середины питания: добавьте или увеличьте конденсатор C2.
Низкие частоты ослаблены. Срез разделительной цепи R1·C1 слишком высок — увеличьте C1.
Выход неинвертирующего усилителя смещён на десятки милливольт. Смещение нуля, умноженное на шумовое усиление 11, или входной ток ОУ на большом R2. В инвертирующем каскаде с C1 смещение проходит с усилением 1.
Усилитель возбуждается. Большая ёмкостная нагрузка на выходе — например, длинный провод или конденсатор на входе АЦП. Microchip для MCP6002 советует при нагрузке больше 100 пФ (на единичном усилении) небольшой резистор последовательно с выходом (DS20001733L, разд. 4.3).

Частые вопросы

Можно ли питать операционный усилитель от одного источника 5 или 3,3 В?