Palaute Operaatiovahvistinpiirit

Toistin ja käänteinen vahvistin

Artikkelin lopussa “Ihanteellinen operaatiovahvistin” Osoitettiin, että käytettäessä operaatiovahvistinta erilaisissa kytkentäpiireissä kaskadin vahvistus yhdellä operaatiovahvistimella (OA) riippuu vain palautteen syvyydestä. Siksi kaavoissa tietyn piirin vahvistuksen määrittämiseksi ei käytetä "paljaan" op-vahvistimen vahvistuksia. Se on juuri se valtava kerroin, joka määritetään hakemistoissa.

Sitten on aivan tarkoituksenmukaista esittää kysymys: ”Jos lopullinen tulos (voitto) ei riipu tästä valtavasta” vertailukertoimesta ”, niin mikä on ero opampilla, joka vahvistetaan useita tuhansia kertoja, ja samalla opampilla, mutta amplifioinnilla useita satoja tuhansia ja jopa miljoonia? ”

Vastaus on melko yksinkertainen. Molemmissa tapauksissa tulos on sama, kaskadin vahvistuksen määräävät OOS-elementit, mutta toisessa tapauksessa (suurella vahvistuksella varustetulla opampilla) piiri toimii vakaammin, tarkemmin sanottuna tällaisten piirien nopeus on paljon suurempi. Hyvästä syystä op-vahvistimet on jaettu yleisesti sovellettaviin ja erittäin tarkkoihin, tarkkoihin op-vahvistimiin.

Kuten jo mainittiin, kyseiset ”operatiiviset” vahvistimet vastaanotettiin tuolloin, kun niitä käytettiin pääasiassa matemaattisten operaatioiden suorittamiseen analogisissa tietokoneissa (AVM). Nämä olivat summaamisen, vähentämisen, kertolaskun, jakamisen, neliöinnin ja monien muiden toimintojen toimintoja.

Nämä antediluvian op-vahvistimet suoritettiin elektroniputkille, myöhemmin erillisille transistoreille ja muille radiokomponenteille. Tasaisen transistorin op-vahvistimen mitat olivat luonnollisesti riittävän suuret käytettäväksi amatöörirakenteissa.

Ja vasta sen jälkeen, kun integroidun elektroniikan saavutuksista johtuen op-vahvistimista tuli tavallisen pienitehoisen transistorin koko, näiden osien käyttö kotitalouslaitteissa ja amatööripiireissä tuli perusteltuksi.

Muuten, nykyaikaiset, jopa melko korkealaatuiset op-vahvistimet hintaan, joka ei ole paljon korkeampi kuin kaksi tai kolme transistoria. Tämä lausunto koskee yleiskäyttöisiä oppeja. Tarkkuusvahvistimet voivat maksaa vähän enemmän.

Op-amp: n piirien osalta on heti huomioitava, että ne kaikki saavat bipolaarisen virtalähteen. Tällainen tila on "tavallisin" op-vahvistimelle, joka sallii muun muassa vaihtovirtajännitesignaalien, esimerkiksi sinimuotoisten, lisäksi tasavirtasignaalien tai yksinkertaisesti jännitteen vahvistamisen.

Ja silti melko usein op-vahvistimen piirien virtalähde on valmistettu yksinapaisesta lähteestä. Totta, tässä tapauksessa ei ole mahdollista lisätä vakiojännitettä. Mutta usein käy niin, että tämä ei yksinkertaisesti ole välttämätöntä. Piirejä, joissa on yksinapainen virransyöttö, kuvataan myöhemmin, mutta jatkamme nyt järjestelmiä op-vahvistimen kytkemiseksi päälle bipolaarisella teholla.

Useimpien op-ampeerien syöttöjännite on useimmiten ± 15 V. Mutta tämä ei tarkoita ollenkaan, että tätä jännitettä ei voida vähentää jonkin verran (korkeampaa ei suositella). Monet op-vahvistimet toimivat erittäin vakaasti alkaen ± 3 V: stä, ja jotkut mallit jopa ± 1,5 V. Tällainen mahdollisuus ilmoitetaan teknisissä asiakirjoissa (DataSheet).

Jännitteen seuraaja

Se on op-amp-piirijärjestelmän kannalta yksinkertaisin, sen piiri on esitetty kuvassa 1.

Kuva 1. Jännitteen seuraajapiiri operaatiovahvistimessa

On helppo nähdä, että tällaisen järjestelmän luomiseksi ei tarvinnut yhtä yksityiskohtaa, paitsi itse op-amp. Totta, verkkoyhteyttä ei ole esitetty kuvassa, mutta tällainen kaaviokuva löytyy usein. Ainoa asia, jonka haluan huomata, on se, että op-amp-virtalähteen liittimien välillä (esimerkiksi KR140UD708-op-amp: lle, nämä ovat päätelmät 7 ja 4) ja yhteinen johto tulisi kytkeä estää kondensaattoreita kapasiteetti 0,01 ... 0,5 μF.

Niiden tarkoituksena on tehdä op-vahvistimen toiminnasta vakaampi, päästä eroon virtapiireissä olevan virtapiirin itseherätyksestä. Kondensaattorit tulisi kytkeä mahdollisimman lähelle sirun virtaliittimiä. Joskus yksi kondensaattori kytketään useiden mikrosirien ryhmän perusteella. Samat kondensaattorit voidaan nähdä taulukoissa, joissa on digitaaliset mikropiirit, niiden tarkoitus on sama.

Toistimen vahvistus on yhtä suuri kuin yhtenäisyys tai toisin sanoen siitä ei ole hyötyä. Miksi tällainen järjestelmä? Tässä on aivan tarkoituksenmukaista muistuttaa, että on olemassa transistoripiiri - emitterin seuraaja, jonka päätarkoitus on kaskadien sovittaminen erilaisiin tulovasteisiin. Samanlaisia ​​kaskadeja (toistimia) kutsutaan myös puskuriksi.

Toistimen tulovastus op-amp: lla lasketaan op-amp: n tuloimpedanssin tuloksena sen vahvistuksella. Esimerkiksi mainitussa UD708: ssa tuloimpedanssi on noin 0,5 MΩ, vahvistus on vähintään 30 000 ja ehkä enemmän. Jos kerrotaan nämä luvut, tuloimpedanssi on 15 GΩ, mikä on verrattavissa ei-erittäin korkealaatuisen eristyksen, kuten paperin, vastukseen. Tällaista korkeaa tulosta ei todennäköisesti saavuteta tavanomaisella päästöjä seuraavalla laitteella.

Joten kuvauksista ei ole epäilyksiä, alla on kuvat, jotka esittävät kaikkien ohjelmasimulaattorin Multisim-ohjelmassa kuvattujen piirien toimintaa. Tietysti kaikki nämä kaaviot voidaan koota leipälevylle, mutta ei huonoimpia tuloksia voidaan saada näyttöruudulla.

Itse asiassa se on vielä hiukan parempi täällä: sinun ei tarvitse mennä jonnekin hyllylle vaihtamaan vastusta tai mikropiiriä. Tässä kaikki, jopa mittauslaitteet, on ohjelmassa ja "saa" hiiren tai näppäimistön avulla.

Kuvio 2 esittää Multisim-ohjelmassa tehtyä toistinpiiriä.

Kuvio 2

Piirin tutkiminen on melko yksinkertaista. Toistimen tuloon toiminnallisesta generaattorista johdetaan sinimuotoinen signaali, jonka taajuus on 1 KHz ja amplitudi 2 V, kuten kuvassa 3 esitetään.

Kuvio 3

Toistimen tulossa ja ulostulossa oleva signaali tarkkaillaan oskilloskoopilla: tulosignaali näytetään sinisellä keilalla, lähtösäde on punainen.

Kuvio 4

Ja miksi, tarkkaavainen lukija kysyy, on lähtösignaali (punainen) kaksi kertaa niin suuri kuin sisääntulon sininen? Kaikki on hyvin yksinkertaista: samalla oskilloskooppikanavien herkkyydellä molemmat sinusoidit samalla amplitudilla ja vaihe sulautuvat yhdeksi, piiloutuvat toistensa taakse.

Jotta voimme tehdä ne molemmat kerralla, jouduimme vähentämään yhden kanavan, tässä tapauksessa tulon, herkkyyttä. Seurauksena sininen siniaalto tuli täsmälleen puoleksi näytön koosta ja lopetti piiloutumisen punaisen taakse. Vaikka tällaisen tuloksen saavuttamiseksi voit siirtää säteitä vain oskilloskoopin säätimillä, jolloin kanavien herkkyys pysyy samana.

Molemmat sinimuutit sijaitsevat symmetrisesti aika-akseliin nähden, mikä osoittaa, että signaalin vakiokomponentti on yhtä suuri kuin nolla. Ja mitä tapahtuu, jos pieni DC-komponentti lisätään tulosignaaliin? Virtuaaligeneraattorin avulla voit siirtää siniaaltoa Y-akselia pitkin. Yritämme siirtää sitä ylöspäin 500mV: lla.

Kuvio 5

Mitä tästä tuli, on esitetty kuvassa 6.

Kuvio 6

On huomattava, että tulo- ja lähtö sinusoidit nousivat puoli volttia, mutta eivät muuttuneet ollenkaan. Tämä viittaa siihen, että toistin lähetti tarkasti signaalin vakiokomponentin. Mutta useimmiten he yrittävät päästä eroon tästä vakiokomponentista, tehdä siitä nolla, mikä välttää tällaisten piirielementtien käyttöä erotuskondensaattoreina.

Toistin on tietysti hyvä ja jopa kaunis: ylimääräisiä yksityiskohtia ei tarvita (vaikka on olemassa toistinpiirejä, joilla on pieniä "lisäyksiä"), mutta he eivät saaneet mitään voittoa.Millainen vahvistin tämä on? Lisää vahvistin lisäämällä vain muutama yksityiskohta. Näin tehdään myöhemmin.

Käänteinen vahvistin

Jotta voit tehdä käänteisen vahvistimen op-vahvistimesta, riittää, että vain kaksi vastusta lisätään. Mitä tästä tuli, on esitetty kuvassa 7.

Kuva 7. Taajuusmuuttajan vahvistinpiiri

Tällaisen vahvistimen vahvistuksen lasketaan kaavalla K = - (R2 / R1). Miinusmerkki ei tarkoita, että vahvistin osoittautui huonoksi, vaan vain, että lähtösignaali on vaiheessa vastapäätä tuloa. Ei ihme, että vahvistinta kutsutaan käänteiseksi. Tässä yhteydessä olisi aiheellista palauttaa mieliin transistori, joka sisältyy järjestelmään OE: n kanssa. Myös tässä transistorin kollektorin lähtösignaali on vaiheesta poissa, kun tulosignaali on syötetty kantaan.

Tässä on syytä muistaa, kuinka paljon vaivaa joudut saamaanksesi puhdasta vääristämätöntä sinimuotoa transistorin kollektorille. Bias on valittava transistorin perusteella vastaavasti. Tämä on yleensä melko monimutkainen monista parametreista riippuen.

Kun käytetään op-amp-vahvistinta, riittää, kun yksinkertaisesti lasketaan vastusten resistanssi kaavan mukaan ja saadaan tietty vahvistus. Osoittautuu, että piirin asettaminen op-vahvistimelle on paljon yksinkertaisempaa kuin useiden transistorivaiheiden asettaminen. Siksi ei pitäisi pelätä, että järjestelmä ei toimi, se ei toimi.

Kuvio 8

Tässä kaikki on sama kuin edellisissä kuvissa: tulosignaali näkyy sinisenä, se on punainen vahvistimen jälkeen. Kaikki vastaa kaavaa K = - (R2 / R1). Lähtösignaali on vastafaasissa tulon kanssa (joka vastaa kaavan miinusmerkkiä), ja lähtösignaalin amplitudi on tarkalleen kaksi kertaa tulo. Mikä pätee myös suhteessa (R2 / R1) = (20/10) = 2. Esimerkiksi vahvistuksen 10 tekemiseksi riittää, että suurennetaan vastuksen R2 vastus arvoon 100KΩ.

Itse asiassa käänteisen vahvistimen piiri voi olla jonkin verran monimutkaisempi, sellainen vaihtoehto on esitetty kuvassa 9.

Kuvio 9Käänteinen vahvistinpiiri

Täältä ilmestyi uusi osa - vastus R3 (pikemminkin se vain katosi edellisestä piiristä). Sen tarkoituksena on kompensoida todellisen käyttöjärjestelmän tulovirta, jotta tasavirtakomponentin lämpötilan epävakaus voidaan vähentää lähdössä. Tämän vastuksen arvo valitaan kaavalla R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Moderni erittäin vakaa opampi mahdollistaa ei-kääntävän tulon kytkemisen yhteiseen johtoon suoraan ilman vastusta R3. Vaikka tämän elementin läsnäolo ei tee mitään pahaa, mutta nykyisessä tuotantosuunnassa, kun he säästävät kaikkea, he mieluummin eivät asenna tätä vastusta.

Kaavat käänteisen vahvistimen laskemiseksi esitetään kuvassa 10. Miksi kuvassa? Kyllä, vain selvyyden vuoksi, rivillä ne eivät näytä niin tutulta ja ymmärrettävältä, ne eivät olisi niin havaittavissa.

Kuvio 10

Tietoja voitosta mainittiin aiemmin. Tässä ei-invertoivan vahvistimen tulo- ja lähtövastukset ovat huomionarvoisia. Tulovastuksella näyttää kaikki olevan selvää: se osoittautuu yhtä suureksi kuin vastuksen R1 vastus, mutta lähtövastus on laskettava kuvassa 11 esitetyn kaavan mukaan.

Kirjain K ”tarkoittaa op-amp: n viitekerrointa. Laske tässä, mitä lähtöimpedanssi on yhtä suuri. Se osoittautuu melko pieneksi luvuksi, jopa UD7-tyypin keskimääräiselle op-amp: lle, jonka K ”on korkeintaan 30 000. Tässä tapauksessa tämä on hyvä: onhan lopulta mitä pienempi kaskadin lähtövastus (tämä ei koske vain op-amp: n kaskadeja), sitä voimakkaampi kuorma kohtuudella tietysti rajoissa tämä kaskadi voidaan kytkeä toisiinsa.

Lähtöresistanssin laskentakaavan nimittäjän yksiköstä tulee tehdä erillinen huomautus. Oletetaan, että suhde R2 / R1 on esimerkiksi 100. Tämä on suhde, joka saadaan käänteisen vahvistimen 100 vahvistuksen tapauksessa.Osoittautuu, että jos tämä yksikkö hylätään, mikään ei muutu paljon. Itse asiassa tämä ei ole täysin totta.

Oletetaan, että vastuksen R2 resistanssi on nolla, kuten toistimen tapauksessa. Sitten, ilman yhtenäisyyttä, koko nimittäjästä tulee nolla, ja lähtövastus on myös nolla. Ja jos sitten tämä nolla on jossain kaavan nimittäjässä, miten voit jakaa sen? Siksi on yksinkertaisesti mahdotonta päästä eroon tästä näennäisesti merkityksettömästä yksiköstä.

Yhdessä artikkelissa, jopa riittävän iso, älä vain kirjoita. Siksi sinulla on kaikkea mitä ei voinut kertoa seuraavassa artikkelissa. Siellä on kuvaus ei-invertoivasta vahvistimesta, differentiaalivahvistimesta, yksinapaisesta tehovahvistimesta. Lisäksi annetaan kuvaus yksinkertaisista piireistä opampin tarkistamiseksi.

Boris Aladyshkin