Λειτουργικοί ενισχυτές. Μέρος 2. Ο τέλειος ενισχυτής λειτουργίας

Για την καλύτερη κατανόηση των αρχών κατασκευής κυκλωμάτων χρησιμοποιώντας επιχειρησιακούς ενισχυτές, συχνά χρησιμοποιούν την ιδέα ενός ιδανικού επιχειρησιακού ενισχυτή. Ποια είναι η ιδανική της κατάσταση, οι υπέροχες ιδιότητές της; Δεν υπάρχουν τόσα πολλά από αυτά, αλλά όλα τείνουν είτε στο μηδέν, είτε στο άπειρο. Αλλά συμπεριφέρεται έτσι λειτουργικού ενισχυτή δεν καλύπτονται από ανατροφοδότηση (OS) και γενικά δεν έχουν εξωτερικές συνδέσεις.

Σε αυτό το άρθρο θα προσπαθήσουμε να μιλήσουμε για την ανατροφοδότηση και κάποια σχέδια για να συμπεριλάβουμε επιχειρησιακούς ενισχυτές χωρίς να αναφερθούμε σε δυσκίνητους μαθηματικούς τύπους με ολοκληρώματα. Αλλά μερικές, πολύ απλές και κατανοητές, στο όγδοο επίπεδο του σχολείου, που θα βοηθήσουν στην κατανόηση της γενικής σημασίας, δεν μπορούν να αποφευχθούν.

Κερδίστε

Με ένα τέτοιο κέρδος, αρκεί να εφαρμοστούν μόνο λίγες μολύβδους στις εισόδους του (για παράδειγμα, οι παρεμβολές στο δίκτυο) για να επιτευχθεί τάση εξόδου κοντά στα 15V. Αυτή η κατάσταση υποδεικνύει κορεσμό της εξόδου.

Είναι σκόπιμο να υπενθυμίσουμε την ίδια κατάσταση στα τρανζίστορ. Φυσικά, με αυτή τη μορφή, δεν επιτυγχάνεται καθόλου κέρδος. Επομένως, οι πραγματικοί επιχειρησιακοί ενισχυτές καλύπτονται πάντα από αρνητική ανατροφοδότηση, η οποία θα συζητηθεί παρακάτω.

Παρόλο που πρέπει να σημειωθεί ότι συχνά χρησιμοποιούνται λειτουργικοί ενισχυτές χωρίς ανατροφοδότηση και σε ορισμένες περιπτώσεις με θετική ανατροφοδότηση. Αυτή η εφαρμογή βρίσκεται στο συγκριτικά - συσκευές για ακριβή σύγκριση αναλογικών σημάτων. Οι συγκριτές διατίθενται με τη μορφή εξειδικευμένων μικροκυκλωμάτων και αποτελούν επίσης μέρος άλλων μικροκυκλωμάτων. Απλά θυμηθείτε το θρυλικό ενσωματωμένο χρονιστή NE555, το οποίο περιέχει μέσα του δύο συγκριτές.

Σχεδόν πρόσφατη ιστορία

Κάποτε, η εγχώρια ηλεκτρονική βιομηχανία γνώρισε επίσης την παραγωγή λειτουργικών ενισχυτών. Ο πρώτος λειτουργικός ενισχυτής ήταν K1UT401A (B), που στη συνέχεια μετονομάστηκε σε K140UD1 με τα ίδια γράμματα στο τέλος. Έτσι, επειδή ήταν σχεδόν ακριβές αντίγραφο του αμερικανικού αδελφού UA702, το ανάλογο με το γράμμα Α σε τάση τροφοδοσίας ± 6V είχε κέρδος στην περιοχή των 500 ... 4500 και με το γράμμα Β (± 12V) 1500 ... 13000.

Με σύγχρονα πρότυπα, αυτό είναι απλώς γελοίο, αλλά παρόλα αυτά, αυτοί οι αρχαίοι ενισχυτές μπορούν να βρεθούν ακόμα. Αλλά ακόμα και με ένα τέτοιο "μικρό" κέρδος, ήταν αδύνατο να γίνει χωρίς αρνητική ανάδραση.

Και μόνο η εμφάνιση λειτουργικών ενισχυτών σε ολοκληρωμένο σχεδιασμό εισήγαγε αυτό το καθολικό συστατικό σε βιομηχανικά, οικιακά και ερασιτεχνικά κυκλώματα. Εξάλλου, πρέπει να παραδεχτείτε ότι δεν ήταν δυνατή η χρήση ενός λειτουργικού ενισχυτή με ηλεκτρονικούς σωλήνες ή ακόμα και μια επιλογή τρανζίστορ, εκτός από τα AVM άμυνας.

Είσοδοι και έξοδοι επιχειρησιακών ενισχυτών

Ο λειτουργικός ενισχυτής έχει δύο εισόδους και μία έξοδο και, φυσικά, δύο έξοδοι για παροχή τάσης. Αυτό είναι το ελάχιστο σύνολο συμπερασμάτων που είναι ζωτικής σημασίας. Αυτό ακριβώς συμβαίνει με τους πιο σύγχρονους ενισχυτές λειτουργίας. Μόλις υπήρχαν συμπεράσματα για τη σύνδεση στοιχείων διόρθωσης συχνότητας και εξισορρόπησης.

Το φαγητό είναι συνήθως διπολικό με ένα μέσο, ​​το οποίο καθιστά δυνατή την πραγματοποίηση της ενίσχυσης με σταθερή τάση. Σε αυτή την περίπτωση, είναι γενικά αποδεκτό ότι η περιοχή συχνοτήτων των επιχειρησιακών ενισχυτών ξεκινά από 0 Ηζ και η ανώτερη συχνότητα περιορίζεται τόσο από τον τύπο του ίδιου του λειτουργικού ενισχυτή, από το εσωτερικό του κύκλωμα και από τον τύπο των τρανζίστορ και από το κύκλωμα μεταγωγής του.

Το εύρος ζώνης ενός ιδανικού επιχειρησιακού ενισχυτή εκτείνεται από DC σε άπειρο.Επίσης, ο ρυθμός ταχύτητας ή θανάτου του σήματος εξόδου τείνει στο άπειρο. Αλλά δεν θα εξετάσουμε αυτό το ζήτημα προς το παρόν.

Τι ενισχύει τον ενισχυτή λειτουργίας

Η τάση εξόδου του λειτουργικού ενισχυτή είναι ανάλογη της διαφοράς τάσης στις εισόδους του. Στην περίπτωση αυτή, το απόλυτο επίπεδο των σημάτων, καθώς και η πολικότητα τους, δεν παίζουν ιδιαίτερο ρόλο. Μόνο η διαφορά έχει σημασία. Και αφού όλοι οι όροι στην ηλεκτρονική προέκυψαν από την αγγλική γλώσσα, έφτασε η ώρα να θυμηθούμε τη λέξη "διαφορετική", που σημαίνει ετερογενής διαφορά (το λεξικό "Multitran"), και οι ενισχυτές αυτής της αρχής λειτουργίας ονομάζονται διαφορικό.

Τι δεν ενισχύει τον λειτουργικό ενισχυτή

Εδώ μπορούμε επίσης να θυμηθούμε μια τέτοια θαυμάσια ιδιότητα των λειτουργικών ενισχυτών, όπως η εξασθένηση ενός σήματος κοινής λειτουργίας: εάν το ίδιο σήμα εφαρμόζεται και στις δύο εισόδους, δεν θα ενισχυθεί. Αυτό χρησιμοποιείται κατά την εφαρμογή ενός σήματος επί μακρών συρμάτων: το χρήσιμο σήμα έχει διαφορετική φάση, ενώ το σήμα παρεμβολής και στις δύο εισόδους είναι το ίδιο.

Τι μπορεί να επιτευχθεί στην έξοδο του λειτουργικού ενισχυτή

Η αντίσταση εξόδου ενός ιδανικού επιχειρησιακού ενισχυτή τείνει στο μηδέν, το οποίο θεωρητικά σας επιτρέπει να έχετε ένα αυθαίρετα μεγάλο, απλώς άπειρο σήμα στην έξοδο. Στην πραγματικότητα, η τάση εξόδου ενός πραγματικού επιχειρησιακού ενισχυτή περιορίζεται από την τάση των πηγών ενέργειας: εάν υπάρχει διπολική τάση τροφοδοσίας, π.χ. ± 15V, τότε είναι απλά αδύνατο να επιτευχθεί +20 ή -25 στην έξοδο.

Αυτό συμβαίνει όσον αφορά την ενίσχυση των σταθερών τάσεων. Στην περίπτωση της ενίσχυσης, για παράδειγμα, ένα ημιτονοειδές στην έξοδο, πρέπει επίσης να ληφθεί ένα ημιτονοειδές, το πλάτος του οποίου δεν υπερβαίνει την τάση τροφοδοσίας.

Οι τάσεις εισόδου και εξόδου δεν μπορούν να είναι υψηλότερες από την τάση των πηγών ισχύος. Για παράδειγμα, όταν τροφοδοτείται με ± 15V, η τάση εξόδου είναι χαμηλότερη κατά 0,5 ... 1,5V. Αλλά μερικά μοντέρνα μικροκυκλώματα επιτρέπουν να φτάνουν ίσα με την τάση τροφοδοσίας στην έξοδο και την είσοδο. Αυτή η ιδιότητα στα δελτία δεδομένων αναφέρεται ως Rail-to-Rail, κυριολεκτικά ως "ελαστικό για ελαστικό". Κατά την επιλογή ενός λειτουργικού ενισχυτή, θα πρέπει να δώσετε προσοχή σε αυτήν την ιδιότητα.

Αντίσταση εισόδου

Η σύνθετη αντίσταση εισόδου και των δύο εισόδων του επιχειρησιακού ενισχυτή είναι πολύ μεγάλη και βρίσκεται μέσα σε εκατοντάδες MegaOhm, και σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμα και GigaOhm. Για σύγκριση: το προαναφερθέν K1UT401 είχε σύνθετη αντίσταση εισόδου μόνο μερικών δεκάδων kOhm.

Η σύνθετη αντίσταση εισόδου, φυσικά, δεν φτάνει στο άπειρο, όπως ένας ιδανικός επιχειρησιακός ενισχυτής, αλλά είναι ακόμα τόσο μεγάλος που δεν επηρεάζει τα επίπεδα του σήματος εισόδου. Από αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι δεν ρέει ρεύμα στις εισροές. Αυτή είναι μία από τις βασικές αρχές που χρησιμοποιούνται στον υπολογισμό και την ανάλυση κυκλωμάτων σε επιχειρησιακούς ενισχυτές. Προς το παρόν, πρέπει απλά να το θυμηθείτε.

Η τελευταία δήλωση αφορά άμεσα σε επιχειρησιακούς ενισχυτές. Μια τέτοια μεγάλη σύνθετη αντίσταση εισόδου είναι εγγενής στους λειτουργικούς ενισχυτές, αλλά η αντίσταση εισόδου διαφόρων κυκλωμάτων που βασίζονται σε αυτό μπορεί να είναι πολύ χαμηλότερη. Αυτή η περίσταση πρέπει πάντα να θυμόμαστε. Και τώρα, προσέξτε, η ιστορία αρχίζει για το πιο σημαντικό πράγμα.

Αρνητική ανάδραση (OOS)

Το OOS δεν είναι παρά μια σύνδεση μεταξύ της εξόδου και της εισόδου, στην οποία ένα μέρος της εξόδου αφαιρείται από το σήμα εισόδου. Μια τέτοια σύνδεση οδηγεί σε μείωση του κέρδους. Σε αντίθεση με το OOS, υπάρχει θετική ανατροφοδότηση (POS), η οποία αντιστρόφως αθροίζει το σήμα εισόδου με μέρος της εξόδου. Τέτοιες συνδέσεις χρησιμοποιούνται όχι μόνο στην ηλεκτρονική τεχνολογία, αλλά σε πολλές άλλες περιπτώσεις, για παράδειγμα, στη μηχανική. Το αποτέλεσμα αυτών των ανατροφοδοτήσεων μπορεί να χαρακτηριστεί ως εξής: Το OOS οδηγεί στη σταθερότητα του συστήματος, το θετικό οδηγεί στην αστάθεια του.

Σε σχέση με τους εν λόγω επιχειρησιακούς ενισχυτές, το OOS σάς επιτρέπει να ρυθμίσετε το κέρδος με αρκετή ακρίβεια και οδηγεί σε πολλές ακόμη ποιοτικές και ακόμη και ευχάριστες βελτιώσεις στο κύκλωμα. Αλλά πρώτα πρέπει να καταλάβετε πώς λειτουργεί το OOS.Για παράδειγμα, σκεφτείτε ένα κύκλωμα που μπορεί να βρεθεί σε οποιοδήποτε εγχειρίδιο για την αυτοματοποίηση.

Σχήμα 1

Έξοδος σήματος εξόδου Ignal U. από την έξοδο μεταβιβάζεται στη διάταξη αθροίσεως (κύκλος με σύμβολο συν εντός) μέσω του κυκλώματος OOS με τον συντελεστή μεταφοράς β, στην περίπτωση αυτή, μικρότερο από ένα. Εάν ο συντελεστής αυτός γίνει μεγαλύτερος από την ενότητα, κάτι που είναι τεχνικά εφικτό, τότε αντί να ενισχύσουμε το σήμα, επιτυγχάνουμε την εξασθένησή του. Αλλά προς το παρόν, θα υποθέσουμε ότι χρειαζόμαστε ακριβώς ενίσχυση.

Ο βράχος του OOS είναι απλά ένα ατύχημα

Εάν διακόψετε τον βρόχο ανατροφοδότησης, τότε η τάση στην έξοδο του ενισχυτή θα είναι U.out = K * U.in. Θεωρητικά τεράστια αξία. Στην πραγματικότητα, θα περιορίζεται από το μέγεθος της τάσης τροφοδοσίας. Αυτό έχει ήδη ειπωθεί νωρίτερα. Ένα παρόμοιο παράδειγμα: εάν είναι ένας ηλεκτροκινητήρας με σταθεροποίηση των στροφών (επίσης ανατροφοδότηση), τότε απλά θα επιταχύνεται όσο το δυνατόν περισσότερο. Σε αυτή την περίπτωση, λένε ότι το σύστημα πήγε «εμπορεύεται».

Περνώντας μέσω του κυκλώματος του κυκλώματος OOS, το σήμα εξόδου εξασθενεί με το β * U.output. Επομένως, μόνο (U.in.-β * U.out.) Εισέρχεται στην είσοδο ενισχυτή μέσω του αθροιστή. Το σύμβολο μείον υποδεικνύει ότι η ανατροφοδότηση είναι αρνητική. Μετά τη διέλευση από τη συσκευή με κέρδος K, η έξοδος θα είναι U.output = K * (U.in.-β * U.out.). Με τη σειρά του, το κέρδος ολόκληρου του συστήματος K.us. = U.out./U.in. και αποδεικνύεται ότι το U.out. = K *

Μετά από μερικούς μετασχηματισμούς, μπορεί κανείς να πάρει το ακόλουθο αποτέλεσμα: Κ.υ. = U.out./U.in = K * U.in./U.in * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Όλοι αυτοί οι μετασχηματισμοί οδήγησαν στον απλό τύπο K.us = K / (1+ K * β). Αν υποθέσουμε ότι το K in είναι αρκετά μεγάλο (και στην περίπτωση χρήσης ενός λειτουργικού ενισχυτή αυτό είναι πραγματικά έτσι), τότε η μονάδα σε παρένθεση δεν θα κάνει κανένα ιδιαίτερο καιρό, μπορεί να απορριφθεί, με αποτέλεσμα ο τύπος να έχει την ακόλουθη μορφή:

Κ. = 1 / β

Η προκύπτουσα φόρμουλα (που πράγματι ήταν ο λόγος για τον οποίο συγκεντρώθηκε ολόκληρος ο φράκτης των τύπων) μας επιτρέπει να δηλώσουμε ότι ο συντελεστής μεταφοράς του λειτουργικού ενισχυτή στο κύκλωμα ανάδρασης δεν εξαρτάται σε καμία περίπτωση από το κέρδος του ίδιου του λειτουργικού ενισχυτή, αλλά καθορίζεται μόνο από τις παραμέτρους του κυκλώματος ανατροφοδότησης , ο συντελεστής μετάδοσης β. Όμως, όσο υψηλότερο είναι το κέρδος του ίδιου του λειτουργικού ενισχυτή, τόσο πιο ακριβής είναι η καθορισμένη φόρμουλα, τόσο πιο σταθερό λειτουργεί το κύκλωμα.

Επομένως, οι καταρράκτες ενίσχυσης στους επιχειρησιακούς ενισχυτές δεν απαιτούν συντονισμό, όπως συμβαίνει συνήθως με τους καταρράκτες των τρανζίστορ: μόλις υπολογίστηκαν αντιστάσεις ανατροφοδότησης, συγκολλημένες, έλαβαν το απαιτούμενο κέρδος κατά σειρά. Ο τρόπος με τον οποίο θα γίνει αυτό θα περιγραφεί στο επόμενο άρθρο.