Amplificadores operacionales. Parte 2. El amplificador operacional perfecto

Para comprender mejor los principios de construir circuitos usando amplificadores operacionales, a menudo usan el concepto de un amplificador operacional ideal. ¿Cuál es su idealidad, sus maravillosas propiedades? No hay tantos, pero todos tienden a cero o incluso al infinito. Pero se comporta así amplificador operacional no está cubierto por la retroalimentación (SO) y generalmente no tiene conexiones externas.

En este artículo intentaremos hablar sobre la retroalimentación y algunos esquemas para incluir amplificadores operacionales sin mencionar fórmulas matemáticas engorrosas con integrales. Pero algunos, bastante simples y comprensibles, a nivel del octavo grado de la escuela, que ayudarán a comprender el significado general, aún no se pueden evitar.

Ganar

Con una ganancia tan "desenfrenada", es suficiente aplicar solo unos pocos microvoltios a sus entradas (por ejemplo, interferencia de red) para obtener un voltaje de salida cercano a 15V. Este estado indica la saturación de la salida.

Es apropiado recordar el mismo estado en los transistores. Naturalmente, de esta forma, no se obtiene ganancia alguna. Por lo tanto, los amplificadores operacionales reales siempre están cubiertos por retroalimentación negativa, que se discutirá a continuación.

Aunque debe tenerse en cuenta que con frecuencia los amplificadores operacionales se usan sin retroalimentación y, en algunos casos, con retroalimentación positiva. Esta aplicación se encuentra en comparadores - dispositivos para la comparación precisa de señales analógicas. Los comparadores están disponibles en forma de microcircuitos especializados y también forman parte de otros microcircuitos. Solo recuerda lo legendario temporizador integrado NE555, que contiene dentro de sí dos comparadores.

Historia casi reciente

En un momento, la industria electrónica nacional también dominó la producción de amplificadores operacionales. El primer amplificador operacional fue K1UT401A (B), posteriormente renombrado K140UD1 con las mismas letras al final. Entonces, al ser una copia casi exacta del hermano estadounidense UA702, el análogo con la letra A a un voltaje de suministro de ± 6V tuvo una ganancia en el rango de 500 ... 4500, y con la letra B (± 12V) 1500 ... 13000.

Según los estándares modernos, esto es simplemente ridículo, pero, sin embargo, todavía se pueden encontrar estos amplificadores arcaicos. Pero incluso con una ganancia tan "pequeña", era imposible hacerlo sin comentarios negativos.

Y solo la aparición de amplificadores operacionales en diseño integrado introdujo este componente universal en circuitos industriales, domésticos y de aficionados. Después de todo, debe admitir que un amplificador operacional con tubos electrónicos o incluso una opción de transistor, excepto en AVM de defensa, no podría ser utilizado.

Entradas y salidas de amplificadores operacionales.

El amplificador operacional tiene dos entradas y una salida, y, por supuesto, dos salidas para suministrar voltaje. Este es el conjunto mínimo de conclusiones que es vital. Así es exactamente con la mayoría de los amplificadores operacionales modernos. Una vez hubo conclusiones para conectar elementos de corrección de frecuencia y equilibrio.

La alimentación suele ser bipolar con un punto medio, lo que permite llevar a cabo la amplificación por voltaje constante. En este caso, se acepta generalmente que el rango de frecuencia de los amplificadores operacionales comienza desde 0 Hz, y la frecuencia superior está limitada tanto por el tipo de amplificador operacional en sí, su circuito interno y el tipo de transistores, como su circuito de conmutación.

El ancho de banda de un amplificador operacional ideal se extiende desde CC hasta el infinito.Además, la velocidad o velocidad de respuesta de la señal de salida tiende al infinito. Pero no consideraremos este tema por ahora.

Lo que mejora el amplificador operacional

El voltaje de salida del amplificador operacional es proporcional a la diferencia de voltaje en sus entradas. En este caso, el nivel absoluto de las señales, así como su polaridad, no juegan un papel especial. Solo la diferencia importa. Y dado que todos los términos en electrónica provienen del idioma inglés, es hora de recordar la palabra "diferente", que significa heterogénea, diferencia (el diccionario "Multitran"), y los amplificadores de este principio de funcionamiento se denominan diferenciales.

Lo que no amplifica el amplificador operacional

Aquí también podemos recordar una propiedad tan maravillosa de los amplificadores operacionales como la atenuación de una señal de modo común: si se aplica la misma señal a ambas entradas, no se amplificará. Esto se usa cuando se aplica una señal a través de cables largos: la señal útil tiene una fase diferente, mientras que la señal de interferencia en ambas entradas es la misma.

Lo que se puede obtener a la salida del amplificador operacional

La impedancia de salida de un amplificador operacional ideal tiende a cero, lo que teóricamente le permite obtener una señal arbitrariamente grande e infinita en la salida. De hecho, el voltaje de salida de un amplificador operacional real está limitado por el voltaje de las fuentes de energía: si un voltaje de suministro bipolar, por ejemplo, ± 15V, entonces es simplemente imposible obtener +20 o -25 en la salida.

Esto es con respecto a la amplificación de voltajes constantes. En el caso de la amplificación, por ejemplo, una sinusoide en la salida, también se debe obtener una sinusoide, cuya amplitud no exceda la tensión de alimentación.

Los voltajes de entrada y salida no pueden ser más altos que el voltaje de las fuentes de energía. Por ejemplo, cuando se alimenta con ± 15V, el voltaje de salida es menor en 0.5 ... 1.5V. Pero algunos microcircuitos modernos permiten igualar el voltaje de suministro en la salida y entrada. Esta propiedad en las hojas de datos se conoce como Rail-to-Rail, literalmente como "neumático a neumático". Al elegir un amplificador operacional, debe prestar atención a esta propiedad.

Impedancia de entrada

La impedancia de entrada de ambas entradas del amplificador operacional es muy grande y está dentro de cientos de MegaOhm, y en algunos casos incluso GigaOhm. A modo de comparación: el K1UT401 mencionado anteriormente tenía una impedancia de entrada de solo unas pocas decenas de kOhm.

La impedancia de entrada, por supuesto, no alcanza el infinito, como un amplificador operacional ideal, pero sigue siendo tan grande que no afecta los niveles de la señal de entrada. De esto podemos concluir que no fluye corriente en las entradas. Este es uno de los principios principales utilizados en el cálculo y análisis de circuitos en amplificadores operacionales. Por ahora, solo necesitas recordarlo.

La última declaración se relaciona directamente con los amplificadores operacionales. Una impedancia de entrada tan alta es inherente a los amplificadores operacionales mismos, pero la impedancia de entrada de varios circuitos basados ​​en ella puede ser mucho menor. Esta circunstancia siempre debe ser recordada. Y ahora, tenga cuidado, la historia comienza sobre lo más importante.

Retroalimentación negativa (OOS)

OOS no es más que una conexión entre la salida y la entrada, en la que parte de la salida se resta de la señal de entrada. Tal conexión conduce a una disminución en la ganancia. A diferencia de OOS, hay retroalimentación positiva (POS), que a la inversa suma la señal de entrada con parte de la salida. Dichas conexiones se utilizan no solo en tecnología electrónica, sino en muchos otros casos, por ejemplo, en mecánica. El efecto de estas retroalimentaciones puede caracterizarse de la siguiente manera: OOS conduce a la estabilidad del sistema, positivo conduce a su inestabilidad.

En relación con los amplificadores operacionales en cuestión, el OOS le permite configurar la ganancia con suficiente precisión, y también conduce a muchas más mejoras cualitativas e incluso agradables para el circuito. Pero primero debes descubrir cómo funciona el OOS.Como ejemplo, considere un circuito que se puede encontrar en cualquier libro de texto sobre automatización.

Figura 1

Ignal salida de señal de salida U. desde la salida pasa al dispositivo sumador (un círculo con un signo más dentro) a través del circuito OOS con el coeficiente de transferencia β, en este caso, menor que uno. Si este coeficiente se hace mayor que la unidad, que es técnicamente posible, entonces en lugar de amplificar la señal, obtenemos su atenuación. Pero por ahora, asumiremos que necesitamos un refuerzo preciso.

OOS Cliff es solo un accidente

Si interrumpe el ciclo de retroalimentación, el voltaje en la salida del amplificador operacional será U.out. = K * U.in. Teóricamente gran valor. De hecho, estará limitado por la magnitud de la tensión de alimentación. Esto ya se ha dicho anteriormente. Un ejemplo similar: si se trata de un motor eléctrico con estabilización de revoluciones (también retroalimentación), simplemente acelerará lo más posible. En este caso, dicen que el sistema fue "vendiendo".

Al pasar por el circuito del circuito OOS, la señal de salida es atenuada por la salida β * U. Por lo tanto, solo (U.in.-β * U.out.) Llega a la entrada del amplificador a través del sumador. El signo menos indica que la retroalimentación es negativa. Después de pasar por el dispositivo con una ganancia K, la salida será U.output = K * (U.in.-β * U.out.). A su vez, la ganancia de todo el sistema K.us. = U.out./U.in. y resulta que U.out. = K *

Después de algunas transformaciones, podemos obtener el siguiente resultado: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Todas estas transformaciones condujeron a la fórmula simple K.us. = K / (1+ K * β). Si suponemos que K in es lo suficientemente grande (y en el caso de usar un amplificador operacional, esto es realmente así), entonces la unidad entre paréntesis no hará ningún clima especial, puede descartarse, como resultado de lo cual la fórmula tomará la siguiente forma:

K.us. = 1 / β

La fórmula resultante (que, de hecho, fue la razón por la cual se combinó toda la cerca de las fórmulas) nos permite afirmar que el coeficiente de transferencia del amplificador operacional en el circuito de retroalimentación no depende de ninguna manera de la ganancia del amplificador operacional en sí, sino que está determinado solo por los parámetros del circuito de retroalimentación. , su coeficiente de transmisión β. Pero, sin embargo, cuanto mayor sea la ganancia del amplificador operacional en sí, cuanto más precisa sea la fórmula especificada, más estable será el circuito.

Por lo tanto, las cascadas de amplificación en los amplificadores operacionales no requieren ajuste, como las cascadas de transistores habituales: solo las resistencias de retroalimentación calculadas, soldadas, obtuvieron la ganancia de cascada requerida. Cómo se hace esto se describirá en el próximo artículo.