Λειτουργικά κυκλώματα ενισχυτή

Αναμεταδότης και ανεστραμμένος ενισχυτής

Στο τέλος του άρθρου "Ο ιδανικός λειτουργικός ενισχυτής" Αποδείχθηκε ότι όταν χρησιμοποιείται ένας λειτουργικός ενισχυτής σε διάφορα κυκλώματα μεταγωγής, η ενίσχυση του καταρράκτη σε έναν μόνο λειτουργικό ενισχυτή (OA) εξαρτάται μόνο από το βάθος της ανατροφοδότησης. Επομένως, στους τύπους για τον προσδιορισμό του κέρδους ενός συγκεκριμένου κυκλώματος, το κέρδος του "γυμνού" op-ενισχυτή, έτσι να το πω, δεν χρησιμοποιείται. Αυτός είναι ακριβώς ο τεράστιος συντελεστής που καθορίζεται στους καταλόγους.

Τότε είναι αρκετά σωστό να τεθεί το ερώτημα: "Εάν το τελικό αποτέλεσμα (gain) δεν εξαρτάται από αυτόν τον τεράστιο συντελεστή" αναφοράς ", τότε ποια είναι η διαφορά μεταξύ του opamp με ενίσχυση αρκετές χιλιάδες φορές και με το ίδιο opamp, αλλά με ενίσχυση αρκετές εκατοντάδες και ακόμη και εκατομμύρια; "

Η απάντηση είναι πολύ απλή. Και στις δύο περιπτώσεις, το αποτέλεσμα θα είναι το ίδιο, το κέρδος καταρράκτη θα καθοριστεί από τα στοιχεία OOS, αλλά στη δεύτερη περίπτωση (opamp με υψηλό κέρδος), το κύκλωμα λειτουργεί πιο σταθερά, ακριβέστερα, η ταχύτητα τέτοιων κυκλωμάτων είναι πολύ υψηλότερη. Για καλό λόγο, οι ενισχυτές op έχουν χωριστεί σε ενισχυτές op της γενικής εφαρμογής και υψηλής ακρίβειας, ακρίβειας.

Όπως προαναφέρθηκε, οι εν λόγω "επιχειρησιακοί" ενισχυτές λήφθηκαν εκείνη τη στιγμή, όταν χρησιμοποιήθηκαν κυρίως για την εκτέλεση μαθηματικών λειτουργιών σε αναλογικούς υπολογιστές (AVMs). Αυτές ήταν λειτουργίες προσθήκης, αφαίρεσης, πολλαπλασιασμού, διαίρεσης, τετραγωνισμού και πολλών άλλων λειτουργιών.

Αυτοί οι προ-ενισχυτές πρότερης μετάδοσης πραγματοποιήθηκαν σε σωλήνες ηλεκτρονίων, αργότερα σε ξεχωριστά τρανζίστορ και σε άλλα ραδιοσυχνότητες. Φυσικά, οι διαστάσεις ακόμα και των τρανζίστορ op amps ήταν αρκετά μεγάλες για να χρησιμοποιηθούν σε ερασιτεχνικές κατασκευές.

Και μόνο μετά, χάρη στα επιτεύγματα των ολοκληρωμένων ηλεκτρονικών, οι op-amps έγιναν το μέγεθος ενός συνηθισμένου τρανζίστορ χαμηλής ισχύος, η χρήση αυτών των εξαρτημάτων σε οικιακό εξοπλισμό και ερασιτεχνικά κυκλώματα έγινε δικαιολογημένη.

Με την ευκαιρία, οι σύγχρονοι op-amp, ακόμη και αρκετά υψηλής ποιότητας, σε τιμή ελαφρώς υψηλότερη από δύο ή τρία τρανζίστορ. Αυτή η δήλωση ισχύει για τους γενικούς ενισχυτές. Οι ενισχυτές ακριβείας μπορεί να κοστίζουν λίγο περισσότερο.

Όσον αφορά τα κυκλώματα του op-amp, αξίζει να σημειώσουμε αμέσως ότι όλα αυτά τροφοδοτούνται από μια διπολική πηγή ενέργειας. Αυτός ο τρόπος λειτουργίας είναι ο πιο "συνήθης" για ένα op-amp, ο οποίος επιτρέπει την ενίσχυση όχι μόνο σημάτων τάσης εναλλασσομένου ρεύματος, για παράδειγμα, ημιτονοειδών, αλλά και σημάτων DC ή απλά τάσης.

Και όμως, πολύ συχνά, η τροφοδοσία των κυκλωμάτων στον ενισχυτή-ενισχυτή γίνεται από μια μονοπολική πηγή. Είναι αλήθεια ότι σε αυτή την περίπτωση δεν είναι δυνατή η αύξηση της σταθερής τάσης. Αλλά συμβαίνει συχνά ότι αυτό δεν είναι απλά απαραίτητο. Τα κυκλώματα με μονοπολικό τροφοδοτικό θα περιγραφούν αργότερα, αλλά τώρα συνεχίζουμε για τα σχήματα για την ενεργοποίηση του op-ενισχυτή με διπολική ισχύ.

Η τάση τροφοδοσίας των περισσότερων op-amp είναι συχνότερα εντός ± 15V. Αλλά αυτό δεν σημαίνει καθόλου ότι αυτή η τάση δεν μπορεί να γίνει κάπως χαμηλότερη (δεν συνιστάται υψηλότερη). Πολλοί op-amps λειτουργούν πολύ σταθερά ξεκινώντας από ± 3V, και μερικά μοντέλα ακόμη και ± 1,5V. Μια τέτοια δυνατότητα αναφέρεται στην τεχνική τεκμηρίωση (DataSheet).

Έλεγχος τάσης

Είναι το απλούστερο από την άποψη της συσκευής κυκλωμάτων σε ένα op-amp, το κύκλωμά του φαίνεται στο σχήμα 1.

Σχήμα 1. Κύκλωμα ακολουθίας τάσης σε λειτουργικό ενισχυτή

Είναι εύκολο να διαπιστώσετε ότι για να δημιουργηθεί ένα τέτοιο σχέδιο, δεν χρειάστηκε ούτε μία λεπτομέρεια, εκτός από το ίδιο το λειτουργικό σύστημα. Είναι αλήθεια ότι η σύνδεση ισχύος δεν φαίνεται στο σχήμα, αλλά μια τέτοια περίληψη των σχημάτων βρίσκεται πολύ συχνά. Το μόνο που θα ήθελα να σημειώσω είναι ότι μεταξύ των τερματικών της τροφοδοσίας op-amp (για παράδειγμα, για το op-amp KR140UD708, αυτά είναι τα συμπεράσματα 7 και 4) και το κοινό καλώδιο πρέπει να συνδεθεί πυκνωτών αποκλεισμού με χωρητικότητα 0,01 ... 0,5 μF.

Σκοπός τους είναι να καταστήσουν τη λειτουργία του ενισχυτή πιο σταθερή, για να απαλλαγούμε από την αυτο-διέγερση του κυκλώματος κατά μήκος των κυκλωμάτων ισχύος. Οι πυκνωτές πρέπει να συνδέονται όσο το δυνατόν πιο κοντά στους ακροδέκτες τροφοδοσίας του τσιπ. Μερικές φορές συνδέεται ένας πυκνωτής βάσει μιας ομάδας πολλών μικροκυκλωμάτων. Οι ίδιοι πυκνωτές εμφανίζονται σε πίνακες με ψηφιακά μικροκυκλώματα, ο σκοπός τους είναι ο ίδιος.

Το κέρδος του επαναλήπτη είναι ίσο με την ενότητα, ή, για να το θέσουμε με άλλο τρόπο, δεν υπάρχει κέρδος. Τότε γιατί ένα τέτοιο σχέδιο; Εδώ είναι αρκετά ενδεδειγμένο να υπενθυμίσουμε ότι υπάρχει ένα κύκλωμα τρανζίστορ - ένας ακόλουθος εκπομπού, ο κύριος σκοπός του οποίου είναι η αντιστοίχιση των καταρρακτών με διαφορετικές αντιστάσεις εισόδου. Παρόμοιες καταρράκτες (επαναλήπτες) ονομάζονται επίσης buffer.

Η αντίσταση εισόδου του επαναλήπτη στο op-amp υπολογίζεται ως το προϊόν της σύνθετης αντίστασης εισόδου του op-ενισχυτή από το κέρδος του. Για παράδειγμα, για την αναφερόμενη UD708, η αντίσταση εισόδου είναι περίπου 0,5 MΩ, το κέρδος είναι τουλάχιστον 30.000, και ίσως περισσότερο. Εάν πολλαπλασιάσετε αυτούς τους αριθμούς, τότε η αντίσταση εισόδου είναι 15 GΩ, η οποία είναι συγκρίσιμη με την αντίσταση μόνωσης πολύ χαμηλής ποιότητας, όπως είναι το χαρτί. Ένα τέτοιο υψηλό αποτέλεσμα είναι απίθανο να επιτευχθεί με ένα συμβατικό όχημα εκπομπής.

Για να μην υπάρχουν αμφιβολίες για τις περιγραφές, ακολουθούν οι αριθμοί που δείχνουν τη λειτουργία όλων των κυκλωμάτων που περιγράφονται στον προσομοιωτή προγράμματος Multisim. Φυσικά, όλα αυτά τα σχέδια μπορούν να συναρμολογηθούν σε breadboard, αλλά όχι τα χειρότερα αποτελέσματα μπορούν να ληφθούν στην οθόνη του μόνιτορ.

Στην πραγματικότητα, είναι ακόμα λίγο καλύτερα εδώ: δεν χρειάζεται να πάτε κάπου στο ράφι για να αλλάξετε την αντίσταση ή τον μικροκυκλώνα. Εδώ όλα, ακόμα και όργανα μέτρησης, βρίσκονται στο πρόγραμμα και "παίρνουν" χρησιμοποιώντας το ποντίκι ή το πληκτρολόγιο.

Το σχήμα 2 δείχνει το κύκλωμα επαναλήπτη που έγινε στο πρόγραμμα Multisim.

Σχήμα 2

Η μελέτη του κυκλώματος είναι πολύ απλή. Ένα ημιτονοειδές σήμα με συχνότητα 1 KHz και πλάτος 2 V εφαρμόζεται στην είσοδο του επαναλήπτη από τη λειτουργική γεννήτρια, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.

Σχήμα 3

Το σήμα στην είσοδο και στην έξοδο του επαναλήπτη παρατηρείται από τον παλμογράφο: το σήμα εισόδου εμφανίζεται με μπλε δέσμη, η ακτίνα εξόδου είναι κόκκινη.

Σχήμα 4

Και γιατί, ο προσεκτικός αναγνώστης θα ρωτήσει, είναι η έξοδος (κόκκινη) σήμα διπλάσια από την είσοδο μπλε; Όλα είναι πολύ απλά: με την ίδια ευαισθησία των διαύλων ταλαντώσεων, και τα δύο ημιτονοειδή με το ίδιο πλάτος και το ίδιο φάση συγχωνεύονται σε ένα, κρύβονται πίσω από το άλλο.

Προκειμένου να εξηγηθούν και οι δύο ταυτόχρονα, έπρεπε να μειώσουμε την ευαισθησία ενός από τα κανάλια, στην περίπτωση αυτή την είσοδο. Ως αποτέλεσμα, το μπλε ημιτονοειδές κύμα έγινε το ήμισυ του μεγέθους της οθόνης και σταμάτησε να κρύβεται πίσω από το κόκκινο. Αν και για να επιτευχθεί ένα τέτοιο αποτέλεσμα, μπορείτε απλά να μετακινήσετε τις ακτίνες με τα χειριστήρια του παλμογράφου, αφήνοντας την ευαισθησία των καναλιών ίδια.

Και τα δύο ημιτονοειδή βρίσκονται συμμετρικά σε σχέση με τον άξονα του χρόνου, πράγμα που δείχνει ότι το σταθερό στοιχείο του σήματος είναι ίσο με το μηδέν. Και τι θα συμβεί αν ένα μικρό στοιχείο DC προστεθεί στο σήμα εισόδου; Η εικονική γεννήτρια σάς επιτρέπει να μετακινείτε το ημιτονοειδές κύμα κατά μήκος του άξονα Y. Ας προσπαθήσουμε να το μετακινήσουμε προς τα πάνω κατά 500mV.

Σχήμα 5

Αυτό που προέκυψε από αυτό φαίνεται στο Σχήμα 6.

Σχήμα 6

Είναι αξιοσημείωτο ότι τα ημιτονοειδή εισόδου και εξόδου αυξήθηκαν κατά μισό βολτ, ενώ δεν άλλαξαν καθόλου. Αυτό υποδηλώνει ότι ο αναμεταδότης μεταδίδει με ακρίβεια το σταθερό στοιχείο του σήματος. Αλλά πολύ συχνά προσπαθούν να απαλλαγούν από αυτό το σταθερό στοιχείο, καθιστώντας το ίσο με το μηδέν, το οποίο αποφεύγει τη χρήση τέτοιων κυκλωμάτων όπως πυκνωτές απομόνωσης μεταξύ σταδίων.

Ο αναμεταδότης είναι, φυσικά, καλός και ακόμη και όμορφος: δεν χρειάστηκε ούτε μία επιπλέον λεπτομέρεια (αν και υπάρχουν κυκλώματα επαναλήπτη με μικρές "προσθήκες"), αλλά δεν κέρδισαν.Τι είδους ενισχυτή είναι αυτό; Για να αποκτήσετε έναν ενισχυτή, προσθέστε μόνο μερικές λεπτομέρειες, πώς να το κάνετε αυτό θα περιγραφεί αργότερα.

Αναστρεπτικός ενισχυτής

Για να φτιάξετε έναν αντίστροφο ενισχυτή από τον op-amp, αρκεί να προσθέσετε μόνο δύο αντιστάσεις. Αυτό που προέκυψε από αυτό φαίνεται στο σχήμα 7.

Εικόνα 7. Κύκλωμα ενισχυτή αντιστροφέα

Το κέρδος ενός τέτοιου ενισχυτή υπολογίζεται από τον τύπο Κ = - (R2 / R1). Το σύμβολο μείον δεν σημαίνει ότι ο ενισχυτής αποδείχθηκε άσχημα, αλλά μόνο ότι το σήμα εξόδου θα είναι αντίθετο σε φάση στην είσοδο. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι ο ενισχυτής ονομάζεται αναστροφή. Εδώ θα ήταν σκόπιμο να ανακαλέσουμε το τρανζίστορ που περιλαμβάνεται στο σχήμα με την ΟΕ. Και εκεί, το σήμα εξόδου στον συλλέκτη του τρανζίστορ βρίσκεται σε αντιφασή με το σήμα εισόδου που παρέχεται στη βάση.

Αυτό είναι όπου αξίζει να θυμηθούμε πόση προσπάθεια πρέπει να κάνετε για να αποκτήσετε ένα καθαρό ανόθευτο ημιτονοειδές στον συλλέκτη του τρανζίστορ. Απαιτείται να επιλέγεται ανάλογα η προκατάληψη με βάση το τρανζίστορ. Αυτό, κατά κανόνα, είναι πολύ περίπλοκο, ανάλογα με πολλές παραμέτρους.

Όταν χρησιμοποιείτε ένα op-amp, αρκεί να υπολογιστεί απλά η αντίσταση των αντιστάσεων σύμφωνα με τον τύπο και να αποκτηθεί ένα δεδομένο κέρδος. Αποδεικνύεται ότι η εγκατάσταση ενός κυκλώματος σε ένα ενισχυτή-ενισχυτή είναι πολύ απλούστερη από τη δημιουργία πολλών καταρράκτη τρανζίστορ. Ως εκ τούτου, δεν πρέπει να φοβόμαστε ότι το πρόγραμμα δεν θα λειτουργήσει, δεν θα λειτουργήσει.

Σχήμα 8

Εδώ τα πάντα είναι τα ίδια με τα προηγούμενα: το σήμα εισόδου εμφανίζεται με μπλε χρώμα και είναι κόκκινο μετά τον ενισχυτή. Όλα αντιστοιχούν στον τύπο Κ = - (R2 / R1). Το σήμα εξόδου βρίσκεται σε αντιφασή με την είσοδο (που αντιστοιχεί στο σύμβολο μείον στον τύπο) και το πλάτος του σήματος εξόδου είναι ακριβώς διπλάσιο από την είσοδο. Αυτό ισχύει και με την αναλογία (R2 / R1) = (20/10) = 2. Για να γίνει το κέρδος, για παράδειγμα, 10, αρκεί να αυξηθεί η αντίσταση της αντίστασης R2 στα 100KΩ.

Στην πραγματικότητα, το κύκλωμα ενός ανεστραμμένου ενισχυτή μπορεί να είναι κάπως πιο περίπλοκο, μια τέτοια επιλογή φαίνεται στο σχήμα 9.

Σχήμα 9Επανακύκλωση κυκλώματος ενισχυτή

Ένα νέο μέρος εμφανίστηκε εδώ - η αντίσταση R3 (μάλλον, απλά εξαφανίστηκε από το προηγούμενο κύκλωμα). Ο σκοπός του είναι να αντισταθμίσει τα ρεύματα εισόδου ενός πραγματικού opamp προκειμένου να μειωθεί η αστάθεια της θερμοκρασίας του εξαρτήματος DC στην έξοδο. Η τιμή αυτής της αντιστάσεως επιλέγεται από τον τύπο R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Τα σύγχρονα εξαιρετικά σταθερά opamps επιτρέπουν την είσοδο μη αντιστροφής που πρέπει να συνδεθεί με ένα κοινό καλώδιο απευθείας χωρίς αντίσταση R3. Αν και η παρουσία αυτού του στοιχείου δεν θα κάνει τίποτα κακό, αλλά στην τρέχουσα κλίμακα παραγωγής, όταν εξοικονομούν τα πάντα, προτιμούν να μην εγκαταστήσουν αυτή την αντίσταση.

Οι τύποι για τον υπολογισμό του ανεστραμμένου ενισχυτή φαίνονται στο σχήμα 10. Γιατί στο σχήμα; Ναι, ακριβώς για λόγους σαφήνειας, σε μια γραμμή κειμένου που δεν θα φαίνονται τόσο οικεία και κατανοητή, δεν θα ήταν τόσο αισθητή.

Σχήμα 10

Το κέρδος αναφέρθηκε νωρίτερα. Εδώ, οι αντιστάσεις εισόδου και εξόδου ενός μη αναστρέψιμου ενισχυτή είναι αξιοσημείωτες. Όλα φαίνεται να είναι ξεκάθαρα με την αντίσταση εισόδου: αποδεικνύεται ότι είναι ίση με την αντίσταση της αντίστασης R1, αλλά η αντίσταση εξόδου θα πρέπει να υπολογιστεί σύμφωνα με τον τύπο που φαίνεται στο σχήμα 11.

Το γράμμα Κ "δηλώνει τον συντελεστή αναφοράς του op-amp. Εδώ, παρακαλώ, υπολογίστε τι η αντίσταση εξόδου θα είναι ίση με. Οπότε, αυτό είναι καλό: τελικά, όσο χαμηλότερη είναι η αντίσταση εξόδου του καταρράκτη (αυτό ισχύει όχι μόνο για τις καταρράκτες στον op-ενισχυτή), τόσο πιο ισχυρό είναι το φορτίο, σε λογικές τιμές, ακόμα και για ένα μέσο op-ενισχυτή όπως UD7 με το K "ίσο με όχι περισσότερο από 30.000. , φυσικά, εντός ορίων, αυτός ο καταρράκτης μπορεί να συνδεθεί.

Μια ξεχωριστή παρατήρηση πρέπει να γίνει σχετικά με τη μονάδα στον παρονομαστή του τύπου για τον υπολογισμό της αντίστασης εξόδου. Ας υποθέσουμε ότι ο λόγος R2 / R1 είναι, για παράδειγμα, 100. Αυτή είναι η αναλογία που λαμβάνεται στην περίπτωση κέρδους του αναστρέψιμου ενισχυτή 100.Αποδεικνύεται ότι εάν η μονάδα αυτή απορριφθεί, τότε τίποτα δεν θα αλλάξει πολύ. Στην πραγματικότητα, αυτό δεν είναι απολύτως αληθές.

Ας υποθέσουμε ότι η αντίσταση του αντιστάτη R2 είναι μηδέν, όπως στην περίπτωση ενός επαναλήπτη. Στη συνέχεια, χωρίς ενότητα, ολόκληρος ο παρονομαστής καθίσταται μηδέν, και η αντίσταση εξόδου είναι επίσης μηδενική. Και αν τότε αυτό το μηδέν εμφανίζεται κάπου στον παρονομαστή της φόρμουλας, πώς διατάζετε να το διαιρέσετε; Επομένως, είναι απλώς αδύνατο να απαλλαγείτε από αυτή τη φαινομενικά ασήμαντη μονάδα.

Σε ένα άρθρο, ακόμη και αρκετά μεγάλο, απλά μην γράφετε. Ως εκ τούτου, θα έχετε όλα όσα δεν ταιριάζουν για να το πείτε στο επόμενο άρθρο. Θα υπάρχει μια περιγραφή ενός ενισχυτή που δεν αντιστρέφει, ενός ενισχυτή διαφορικού, ενός μονοπολικού ενισχυτή ισχύος. Μια περιγραφή θα δοθεί επίσης σε απλά κυκλώματα για τον έλεγχο του opamp.

Μπόρις Αλαντίσκιν