Operaatiovahvistimet. Osa 2. Täydellinen käyttövahvistin

Toimintavahvistimien avulla piirien rakentamisen periaatteiden ymmärtämiseksi paremmin he käyttävät usein ideaalisen operaatiovahvistimen käsitettä. Mikä on sen ihanne ja upeat ominaisuudet? Niitä ei ole niin paljon, mutta he kaikki ovat taipuvaisia ​​joko nollaan tai jopa äärettömyyteen. Mutta käyttäytyy niin operaatiovahvistin joita ei kata palaute (OS) ja joilla ei yleensä ole ulkoisia yhteyksiä.

Tässä artikkelissa yritämme puhua palautteesta ja joistakin kaavoista operaatiovahvistimien sisällyttämiseksi mainitsematta hankalia matemaattisia kaavoja integraaleilla. Mutta joitain, hyvin yksinkertaisia ​​ja ymmärrettäviä koulun kahdeksannessa luokassa, jotka auttavat ymmärtämään yleistä merkitystä, ei voida silti välttää.

hyödyntämään useasta

Tällaisella "rennommaisella" vahvistuksella riittää, että syötetään vain muutama mikrovolti tuloihinsa (esimerkiksi verkkohäiriöt), jotta lähtöjännite saadaan lähelle 15V. Tämä tila osoittaa lähdön kylläisyyden.

On aiheellista muistuttaa sama tila transistoreista. Luonnollisesti tässä muodossa ei saada mitään voittoa. Siksi todelliset operaatiovahvistimet ovat aina negatiivisen palautteen alaisia, joita käsitellään jäljempänä.

Vaikka on huomattava, että melko usein operaatiovahvistimia käytetään ilman palautetta ja joissain tapauksissa positiivisella palautteella. Tämä sovellus löytyy komparaattorit - laitteet analogisten signaalien tarkkaan vertailuun. Komparaattoreita on saatavana erikoistuneina mikropiireinä, ja ne ovat myös osa muita mikropiirejä. Muista vain legendaarinen integroitu ajastin NE555, joka sisältää itsessään kaksi vertailijaa.

Melkein lähihistoria

Samaan aikaan kotimainen elektroniikkateollisuus hallitsi myös operaatiovahvistimien tuotannon. Ensimmäinen operaatiovahvistin oli K1UT401A (B), nimitettiin myöhemmin uudelleen K140UD1 samoilla kirjaimilla lopussa. Joten, koska se on melkein tarkka kopio amerikkalaisesta veli UA702: sta, analogin kirjaimella A, jonka syöttöjännite on ± 6 V, vahvistuksen arvo oli 500 ... 4500 ja kirjaimella B (± 12 V) 1500 ... 13000.

Nykyaikaisten standardien mukaan tämä on vain naurettavaa, mutta näitä arkaaisia ​​vahvistimia voi silti löytää. Mutta jopa niin "pienellä" voitolla, se oli mahdotonta tehdä ilman negatiivista palautetta.

Ja juuri operaatiovahvistimien ulkonäkö integroidussa suunnittelussa toi tämän yleismaailmallisen komponentin teollisuus-, kotitalous- ja amatööripiireihin. Loppujen lopuksi sinun on myönnettävä, että operatiivista vahvistinta, jossa on elektroniset putket tai jopa transistori, lukuun ottamatta puolustus AVM-laitteita, ei voitu käyttää.

Operaatiovahvistimien tulot ja lähdöt

Operaatiovahvistimessa on kaksi tuloa ja yksi lähtö, ja tietysti kaksi lähtöä jännitteen syöttämiseksi. Tämä on välttämätön johtopäätösjoukko. Näin on juuri nykyaikaisimpien operaatiovahvistimien kanssa. Kerran tehtiin johtopäätöksiä taajuuden korjaus- ja tasapainotuselementtien yhdistämisestä.

Ruoka on useimmiten kaksinapaista keskipisteellä, mikä tekee mahdolliseksi vahvistaa vakiojännitteellä. Tässä tapauksessa on yleisesti hyväksytty, että operaatiovahvistimien taajuusalue alkaa 0 Hz: stä, ja ylempää taajuutta rajoittavat sekä itse toimintavahvistimen tyyppi, sen sisäinen piiri ja transistorien tyyppi että kytkentäpiiri.

Ihanteellisen operaatiovahvistimen kaistanleveys ulottuu DC: stä äärettömyyteen.Myös lähtösignaalin nopeudella tai kääntymisnopeudella on taipumus äärettömyyteen. Mutta emme harkitse tätä kysymystä toistaiseksi.

Mikä parantaa operaatiovahvistinta

Operaatiovahvistimen lähtöjännite on verrannollinen sen tulojen jännite-eroon. Tässä tapauksessa signaalien absoluuttisella tasolla ja niiden napaisuudella ei ole erityistä roolia. Vain erolla on merkitystä. Ja koska kaikki elektroniikan termit tulivat englannin kieleltä, on aika muistaa sana “different”, mikä tarkoittaa heterogeenistä eroa (sanakirja “Multitran”), ja tämän toimintaperiaatteen vahvistimia kutsutaan differentiaaliksi.

Mikä ei vahvista operaatiovahvistinta

Tässä voidaan muistaa myös operaatiovahvistimien upea ominaisuus, kuten yhteisen tilan signaalin vaimennus: jos molemmille tuloille syötetään sama signaali, sitä ei vahvisteta. Tätä käytetään signaalin syöttämisessä pitkillä johdoilla: hyödyllisellä signaalilla on eri vaihe, kun taas häiriösignaali molemmissa tuloissa on sama.

Mitä voidaan saada operaatiovahvistimen ulostulosta

Ihanteellisen operaatiovahvistimen lähtöimpedanssi on yleensä nolla, mikä teoriassa antaa sinulle mielivaltaisesti suuren, äärettömän signaalin ulostulosta. Itse asiassa todellisen operaatiovahvistimen lähtöjännitettä rajoittaa virtalähteiden jännite: jos bipolaarinen syöttöjännite on esimerkiksi ± 15 V, niin on yksinkertaisesti mahdotonta saada +20 tai -25 lähtöön.

Tämä koskee vakiojännitteiden vahvistusta. Vahvistustapauksissa, esimerkiksi ulostulossa sinimuoto, tulisi myös saada sinimuoto, jonka amplitudi ei ylitä syöttöjännitettä.

Tulo- ja lähtöjännitteet eivät voi olla suurempia kuin virtalähteiden jännite. Esimerkiksi, kun virtalähteenä on ± 15 V, lähtöjännite on pienempi 0,5 ... 1,5 V. Mutta jotkut nykyaikaiset mikropiirit sallivat tulojen ja tulojen syöttöjännitteen tasaamisen. Tähän lomakkeeseen sisältyvään ominaisuuteen viitataan raiteelta kiskoon, kirjaimellisesti "renkaasta renkaaseen". Operatiivista vahvistinta valittaessa on kiinnitettävä huomiota tähän ominaisuuteen.

Tuloimpedanssi

Operaatiovahvistimen molempien sisääntulojen impedanssi on erittäin suuri ja on satojen MegaOhm: n, ja joissain tapauksissa jopa GigaOhm: n sisällä. Vertailun vuoksi: yllä mainitun K1UT401: n tuloimpedanssi oli vain muutama kymmenen kOhm.

Tuloimpedanssi ei tietenkään saavuta äärettömyyttä, kuten ihanteellinen operaatiovahvistin, mutta se on silti niin suuri, että se ei vaikuta tulosignaalin tasoihin. Tästä voidaan päätellä, että sisääntuloissa ei virtaa. Tämä on yksi pääperiaatteista, joita käytetään operaatiovahvistimien piirien laskennassa ja analysoinnissa. Nyt sinun täytyy vain muistaa se.

Viimeinen lausunto liittyy suoraan operaatiovahvistimiin. Tällainen korkea tuloimpedanssi on luontainen itse operaatiovahvistimille, mutta erilaisten siihen perustuvien piirien tuloimpedanssi voi olla paljon pienempi. Tämä seikka tulee aina muistaa. Ja nyt, ole varovainen, tarina alkaa tärkeimmästä.

Negatiivinen palaute (OOS)

OOS ei ole muuta kuin lähtö- ja tuloliitännän välinen yhteys, jossa osa ulostulosta vähennetään tulosignaalista. Tällainen yhteys johtaa voiton laskuun. Toisin kuin OOS, on positiivista palautetta (POS), joka summittaa tulosignaalin käänteisesti osan ulostuloon. Sellaisia ​​yhteyksiä ei käytetä vain sähköisessä tekniikassa, vaan myös monissa muissa tapauksissa, esimerkiksi mekaniikassa. Näiden palautteiden vaikutus voidaan luonnehtia seuraavasti: OOS johtaa järjestelmän vakauteen, positiivinen johtaa sen epävakauteen.

Kyseisiin operaatiovahvistimiin nähden OOS antaa sinun asettaa vahvistuksen riittävän tarkkuudella ja johtaa myös piiriin paljon laadullisempia ja jopa miellyttäviä parannuksia. Mutta ensin sinun on selvitettävä, kuinka OOS toimii.Tarkastele esimerkiksi piiriä, joka löytyy mistä tahansa automatisointia koskevasta oppikirjasta.

Kuvio 1

Ignal U.lähtösignaalin lähtö. lähdöstä se kulkee summauslaitteeseen (ympyrä, jonka sisällä on plusmerkki) OOS-piirin kautta, jonka siirtokerroin β, tässä tapauksessa vähemmän kuin yksi. Jos tämä kerroin tehdään suuremmaksi kuin yksikkö, mikä on teknisesti mahdollista, niin signaalin vahvistamisen sijaan saadaan sen vaimennus. Mutta toistaiseksi oletamme, että tarvitsemme tarkkaan vahvistusta.

OOS-kallio on vain onnettomuus

Jos katkaiset palautussilmukan, operaatiovahvistimen ulostulossa oleva jännite on U.out. = K * U.in. Teoreettisesti valtava arvo. Itse asiassa sitä rajoittaa syöttöjännitteen suuruus. Tämä on jo sanottu aiemmin. Samankaltainen esimerkki: jos se on sähkömoottori, jolla pyörimisvakaudet vakautuvat (myös takaisinkytkentä), niin se vain kiihdyttää niin pitkälle kuin mahdollista. Tässä tapauksessa he sanovat, että järjestelmä meni pettämään.

Lähtiessä OOS-piirin piirin lähdösignaalia vaimennetaan β * U.lähtö. Siksi vain (U.in-β * U.out.) Tulee vahvistimen tuloon summaimen kautta. Miinusmerkki osoittaa, että palaute on negatiivinen. Kun olet kulkenut laitteen läpi K: n vahvistuksella, lähtö on U.out = K * (U.in.-β * U. out.). Koko järjestelmän voitto puolestaan ​​K.us = U.out./U.in. ja osoittautuu, että U.out. = K *

Joidenkin muunnoksien jälkeen voimme saada seuraavan tuloksen: K.us = U.out./U.in = K * U.in./U.in * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Kaikki nämä muunnokset johtivat yksinkertaiseen kaavaan K.us = K / (1 + K * β). Jos oletetaan, että K in on riittävän suuri (ja operatiivisen vahvistimen käytön tapauksessa tämä on todellakin niin), suluissa oleva yksikkö ei tee mitään erityistä säätä, se voidaan hylätä, minkä seurauksena kaava on seuraavassa muodossa:

K.us = 1 / p

Tuloksena oleva kaava (joka itse asiassa oli syy siihen, miksi kaavojen koko aita yhdistettiin) antaa meille mahdollisuuden todeta, että operaatiovahvistimen siirtokerroin takaisinkytkentäpiirissä ei missään tapauksessa riipu itse operaatiovahvistimen vahvistuksesta, vaan sen määräävät vain takaisinkytkentäpiirin parametrit , sen siirtokerroin β. Mutta siitä huolimatta, mitä suurempi on itse operaatiovahvistimen voitto, sitä tarkempi määritelty kaava antaa, sitä vakaampi piiri toimii.

Siksi operaatiovahvistimien vahvistuskaskadit eivät vaadi viritystä, kuten tavalliset transistorikaskadit: juuri lasketut palautevastukset, juotetut, saivat vaaditun kaskadin vahvistuksen. Kuinka tämä tehdään, kuvataan seuraavassa artikkelissa.