Műveleti erősítők. 2. rész. A tökéletes működési erősítő

Az áramkörök működési erősítőkkel történő felépítésének alapelveinek jobb megértése érdekében gyakran alkalmazzák az ideális működési erősítő fogalmát. Mi az ideálissága, csodálatos tulajdonságai? Nincs ilyen sok, de mindegyik nullára vagy akár a végtelenségre is hajlamos. De így viselkedik operációs erősítő nem vonatkozik visszajelzésre (OS), és általában nincs külső kapcsolata.

Ebben a cikkben megpróbálunk beszélni a visszacsatolásokról és néhány sémáról az operációs erősítők beillesztésére anélkül, hogy megemlítenénk a nehézkes matematikai képleteket az integrálokkal. De néhány, az iskola nyolcadik szintjén meglehetősen egyszerű és érthető kérdést, amelyek segítenek megérteni az általános értelmet, még mindig nem lehet elkerülni.

szerezni a

Egy ilyen "féktelen" nyereségnél elegendő, ha csak néhány mikrovoltet alkalmaz bemeneteire (például hálózati interferencia), hogy a kimeneti feszültséget megközelítsék 15V-ig. Ez az állapot a kimenet telítettségét jelzi.

Célszerű visszahívni ugyanazt az állapotot a tranzisztorokban. Természetesen ebben a formában semmilyen nyereséget nem kapnak. Ezért a valódi működési erősítőkre mindig negatív visszajelzés vonatkozik, amelyeket az alábbiakban tárgyalunk.

Noha meg kell jegyezni, hogy gyakran az operációs erősítőket visszacsatolás nélkül használják, és néhány esetben pozitív visszacsatolással. Ez az alkalmazás megtalálható a komparátor - eszközök az analóg jelek pontos összehasonlításához. A komparátorok speciális mikroáramkörök formájában kaphatók, és a többi mikroáramkör részét képezik. Ne felejtsd el a legendát beépített NE555 időzítő, amely magában foglal két összehasonlítót.

Szinte a közelmúltban

Egyszerre a háztartási elektronikai ipar is elsajátította az operációs erősítők gyártását. Az első operációs erősítő K1UT401A (B) volt, ezt később K140UD1-nek nevezték el, ugyanazokkal a betűkkel a végén. Tehát, mivel az UA702 amerikai testvér szinte pontos másolata, az A betűvel analóg ± 6V tápfeszültségnél 500 ... 4500, a B betűvel (± 12V) 1500 ... 13000 nyereség van.

A modern szabványok szerint ez csak nevetséges, ám ezek az archaikus erősítők még mindig megtalálhatók. De még ilyen „kicsi” nyereség mellett lehetetlen volt negatív visszajelzés nélkül megtenni.

És csak az operációs erősítők megjelenése az integrált kialakításban vezette be ezt az univerzális komponenst az ipari, háztartási és amatőr áramkörökbe. Végül is el kell ismernie, hogy elektronikus csövekkel ellátott operációs erősítő vagy akár tranzisztor opció sem használható, kivéve a védelmi AVM-eket.

Operációs erősítők bemenetei és kimenetei

Az operációs erősítőnek két bemenete és egy kimenete van, és természetesen két kimenet a feszültség táplálására. Ez a legfontosabb következtetések, amelyek nélkülözhetetlenek. Pontosan így van a legmodernebb operációs erősítőkkel. Miután következtetéseket vontak le a frekvenciakorrekció és a kiegyensúlyozó elemek összekapcsolásáról.

Az étel leggyakrabban bipoláris, középpontjával, amely lehetővé teszi az állandó feszültséggel történő erősítést. Ebben az esetben általánosan elfogadott tény, hogy az operációs erősítők frekvenciatartománya 0 Hz-től kezdődik, és a felső frekvenciát mind a működési erősítő típusa, mind a belső áramköre, mind a tranzisztorok típusa, valamint a kapcsolási áramkör korlátozza.

Az ideális működési erősítő sávszélessége DC-től végtelenig terjed.A kimeneti jel sebessége vagy fordulási sebessége a végtelenségig is hajlamos. De ezt a kérdést egyelőre nem vesszük figyelembe.

Mi javítja az operációs erősítőt?

Az operációs erősítő kimeneti feszültsége arányos a bemeneti feszültségkülönbséggel. Ebben az esetben a jelek abszolút szintje és polaritása nem játszanak különös szerepet. Csak a különbség számít. Mivel az elektronikában szereplő összes kifejezés az angol nyelvről származott, ideje megjegyezni a „different” szót, ami heterogén különbséget jelent (a „Multitran” szótár), és ennek a működési elvnek az erősítőit differenciálisnak nevezzük.

Mi nem erősíti meg az operációs erősítőt?

Emlékeztethetünk az operációs erősítők olyan csodálatos tulajdonságaira is, mint a közös üzemmódú jel csillapítása: ha ugyanazt a jelet mindkét bemeneten alkalmazzák, akkor nem lesz erősítve. Ezt akkor használják, amikor egy jelet hosszú vezetékeken továbbítanak: a hasznos jelnek más fázisa van, míg az interferenciajel mindkét bemenetnél azonos.

Mit lehet beszerezni az operációs erősítő kimenetén?

Az ideális működési erősítő kimeneti impedanciája nullára esik, ami elméletileg lehetővé teszi, hogy tetszőlegesen nagy, csak végtelen jelet kapjon a kimeneten. Valójában a valódi működési erősítő kimeneti feszültségét az energiaforrások feszültsége korlátozza: ha egy bipoláris tápfeszültség például ± 15 V, akkor egyszerűen lehetetlen +20 vagy -25 értéket elérni a kimenetnél.

Ez az állandó feszültségek erősítésére vonatkozik. Erősítés esetén, például egy szinuszos kimenetnél, szinuszos anyagot kell elérni, amelynek amplitúdója nem haladja meg a tápfeszültséget.

A bemeneti és a kimeneti feszültség nem lehet magasabb, mint az energiaforrások feszültsége. Például ± 15 V tápfeszültség esetén a kimeneti feszültség 0,5 ... 1,5 V-mal alacsonyabb. De néhány modern mikroáramkör lehetővé teszi a kimeneti és bemeneti tápfeszültség egyenlővé tételét. Az adatlapokban ezt a tulajdonságot Rail-to-Rail-nek nevezzük, szó szerint „gumiabroncsról gumiabroncsnak”. Az operációs erősítő kiválasztásakor ügyeljen erre a tulajdonságra.

Bemeneti impedancia

Az operációs erősítő mindkét bemenetének bemeneti impedanciája nagyon nagy, és a MegaOhm, és néhány esetben a GigaOhm százaira esik. Összehasonlításképpen: a fent említett K1UT401 bemeneti impedanciája csak néhány tíz kOhm volt.

A bemeneti impedancia természetesen nem éri el a végtelenét, mint egy ideális operációs erősítő, de még mindig olyan nagy, hogy nem befolyásolja a bemeneti jel szintjét. Ebből arra következtethetünk, hogy a bemenetekben nem áramlik áram. Ez az egyik fő elv, amelyet az operációs erősítők áramköreinek kiszámításához és elemzéséhez használnak. Egyelőre csak emlékezni kell rá.

Az utolsó állítás közvetlenül a működési erősítőkre vonatkozik. Egy ilyen magas bemeneti impedancia magában foglalja a műveleti erősítőket, de az alapjául szolgáló különböző áramkörök bemeneti impedanciája sokkal alacsonyabb lehet. Ezt a körülményt mindig emlékezni kell. És most, légy óvatos, a történet a legfontosabb dologról kezdődik.

Negatív visszajelzés (OOS)

Az OOS nem más, mint egy kapcsolat a kimenet és a bemenet között, amelyben a kimenet egy részét kivonják a bemeneti jelből. Egy ilyen kapcsolat a nyereség csökkenéséhez vezet. Az OOS-szel ellentétben van pozitív visszacsatolás (POS), amely fordítva összeadja a bemeneti jelet a kimenet egy részével. Az ilyen csatlakozásokat nemcsak az elektronikus technológiában, hanem sok más esetben, például a mechanikában is használják. Ezen visszajelzések hatása az alábbiak szerint jellemezhető: Az OOS a rendszer stabilitásához vezet, a pozitív pedig a bizonytalansághoz.

A szóban forgó operációs erősítőkkel kapcsolatban az OOS lehetővé teszi, hogy elegendő pontossággal állítsa be az erősítést, és ez még sokkal kvalitatívabb és még kellemesebb javításokat eredményez az áramkörben. De először ki kell derítenie, hogyan működik az OOS.Példaként vegye figyelembe az áramkört, amely megtalálható bármely automatizálási tankönyvben.

1. ábra

Ignalálja az U. kimeneti jel kimenetet. a kimenetről az OOS-áramkörön keresztül átjut az összegző eszközhöz (egy kör, amelynek pluszjele belül van), β átviteli együtthatóval, ebben az esetben kevesebb. Ha ez az együttható nagyobb, mint az egység, ami technikailag lehetséges, akkor a jel erősítése helyett a csillapítást kapjuk. De egyelőre azt fogjuk feltételezni, hogy pontosan megerősítésre van szükségünk.

Az OOS szikla csak baleset

Ha megszakítja a visszacsatoló hurkot, akkor az operációs erősítő kimenetén a feszültség U.out. = K * U.in. Elméletileg hatalmas érték. Valójában ezt korlátozza a tápfeszültség nagysága. Ezt már korábban elmondták. Hasonló példa: ha ez egy forgatóképességű (visszacsatolású) stabilizáló villanymotor, akkor csak annyira gyorsul, amennyire csak lehetséges. Ebben az esetben azt mondják, hogy a rendszer "áttörésbe" került.

Ha áthalad az OOS áramkör áramkörén, a kimeneti jelet β * U. kimenet csillapítja. Ezért csak az (U.in-β * U.out) érkezik az erősítő bemenetéhez az összeadón keresztül. A mínuszjel azt jelzi, hogy a visszacsatolás negatív. Miután áthaladtunk az eszközön K erősítéssel, a kimenet U.out = K * (U.in.-β * U.out). A teljes rendszer nyeresége viszont K.us. = U.out./U.in. és kiderül, hogy U.out. = K *

Néhány átalakítás után a következő eredményt kaphatjuk: K.us. = U.out./U.in = K * U.in./U.in * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Mindezek a transzformációk az egyszerű képlethez vezettek: Kus = K / (1+ K * β). Ha feltételezzük, hogy K in elég nagy (és egy operatív erősítő használata esetén ez valóban így van), akkor a zárójelben lévő egység nem fog sok időjárást elérni, ezért elvethető, ennek eredményeként a képlet a következőképpen alakul:

K. = 1 / β

A kapott képlet (amely valójában az volt az oka annak, hogy a képletekből származó teljes kerítést egyesítették) lehetővé teszi számunkra, hogy kijelentjük, hogy a visszacsatoló áramkörben az operációs erősítő átviteli együtthatója semmiképpen sem függ a műveleti erősítő nyereségétől, hanem csak a visszacsatoló áramkör paraméterei határozza meg. , átviteli együtthatója β. Mindazonáltal minél magasabb az operációs erősítő nyeresége, annál pontosabb a megadott képlet, annál stabilabb az áramkör.

Ezért az operációs erősítők erősítő kaszkádjai nem igényelnek hangolást, mint a szokásos tranzisztoros kaszkádok: a kiszámított visszacsatolt ellenállások, megforrasztva, megkapják a szükséges kaszkád erősítést. Hogyan történik ez, a következő cikk ismerteti.