Visszacsatolás működési erősítő áramkörök

Ismétlő és invertáló erősítő

A cikk végén “Ideális működési erősítő” Megmutattuk, hogy ha egy operációs erősítőt különféle kapcsolási áramkörökben használunk, akkor a kaszkád erősítése egyetlen operációs erősítőn (OA) csak a visszacsatolás mélységétől függ. Ezért a képletekben egy adott áramkör nyereségének meghatározására a "csupasz" op-erősítő nyereségét nem használjuk. Csak ezt a hatalmas együtthatót határozza meg a könyvtárak.

Akkor helyénvaló feltenni a következő kérdést: „Ha a végső eredmény (nyereség) nem függ ettől a hatalmas„ referencia ”együtthatótól, akkor mi a különbség az opamp között többszörös erősítéssel és ugyanazzal az opamptel, de többszázezer erősítéssel? és akár milliókat? ”

A válasz elég egyszerű. Mindkét esetben ugyanaz az eredmény, a kaszkád erősítést az OOS elemek határozzák meg, de a második esetben (nagy erősítésű opamp) az áramkör stabilabb, pontosabban az ilyen áramkörök sebessége sokkal nagyobb. Indokolt esetben az op-erősítőket általános alkalmazású és nagy pontosságú, precíziós op-erősítőkre osztják.

Mint már említettük, a szóban forgó „működési” erősítők akkoriban érkeztek, amikor főleg matematikai műveletek végrehajtására használtak analóg számítógépekben (AVM-ek). Ezek összeadás, kivonás, szorzás, osztás, négyzet és sok más függvény műveletei voltak.

Ezeket az antediluviai op-ampákat elektroncsöveken, később diszkrét tranzisztorokon és más rádió komponenseken hajtottuk végre. Természetesen a tranzisztoros op-erősítők mérete is elég nagy volt ahhoz, hogy amatőr szerkezetekben felhasználhassák.

És csak azután, hogy az integrált elektronika eredményeinek köszönhetően az op-erősítők átváltottak egy szokásos kis teljesítményű tranzisztor méretére, ezen alkatrészek használata háztartási berendezésekben és amatőr áramkörökben indokolt lett.

Mellesleg, a modern op-erősítők, még meglehetősen magas színvonalúak is, valamivel magasabbak, mint két vagy három tranzisztor. Ez a megállapítás az általános célú erősítőkre vonatkozik. A precíziós erősítők valamivel többet fizethetnek.

Ami az op-erősítő áramköreit illeti, érdemes azonnal megjegyezni, hogy mindkettőt bipoláris áramforrás táplálja. Ez az üzemmód a legszokásosabb op-amp-erősítő esetén, amely nemcsak váltakozó áramú feszültségjelek, például szinuszos, hanem egyenáramú jelek vagy egyszerűen feszültség erősítését is lehetővé teszi.

És mégis, az op-erősítő áramköreinek tápfeszültsége gyakran egypólusú forrásból származik. Igaz, hogy ebben az esetben az állandó feszültséget nem lehet növelni. De gyakran előfordul, hogy erre egyszerűen nincs szükség. Az egypólusú tápegységgel ellátott áramköröket később ismertetjük, de most az op-amp bekapcsolásának bipoláris tápegységgel kapcsolatos módszereiről folytatjuk.

A legtöbb op-amper tápfeszültsége leggyakrabban ± 15 V. De ez egyáltalán nem jelenti azt, hogy ezt a feszültséget nem lehet kissé alacsonyabbá tenni (magasabb nem ajánlott). Számos op-erősítő nagyon stabilan működik ± 3 V-tól kezdve, és néhány modell akár ± 1,5 V-ig. Ezt a lehetőséget a műszaki dokumentáció (adatlap) jelzi.

Feszültség követő

Az opcionális erősítő áramköre szempontjából ez a legegyszerűbb eszköz, áramkörét az 1. ábra mutatja.

1. ábra: Feszültségkövető áramkör az operációs erősítőn

Könnyű belátni, hogy egy ilyen séma létrehozásához egyetlen részletre sem volt szükség, kivéve magát az operációs rendszert. Igaz, hogy az ábra nem mutatja a hálózati csatlakozást, de a sémák ilyen körvonalait nagyon gyakran találják meg. Csak azt szeretném megjegyezni, hogy az op-amp tápegység kivezetései között (például a KR140UD708 op-amp esetében: ezek a 7. és 4. következtetés) és a közös vezetéket csatlakoztatni kell blokkoló kondenzátorok kapacitása 0,01 ... 0,5 μF.

Céljuk, hogy az op erősítő működését stabilabbá tegyék, hogy megszabaduljanak az áramkör önműködő gerjesztésétől. A kondenzátorokat a lehető legközelebb kell csatlakoztatni a chip tápcsatlakozóihoz. Időnként egy kondenzátort több mikroáramkör csoportja alapján csatlakoztatnak. Ugyanazok a kondenzátorok láthatók a digitális mikroáramkörök tábláin, célja ugyanaz.

Az ismétlő nyeresége egyenlő az egységgel, vagy másként fogalmazva: nincs is nyereség. Akkor miért egy ilyen rendszer? Itt helyénvaló emlékeztetni arra, hogy van egy tranzisztor áramkör - egy emitter követő, amelynek fő célja a kaszkádok különböző bemeneti ellenállásokkal való összehangolása. Hasonló kaszkádokat (ismétlőket) puffernek is nevezünk.

Az ismétlő bemeneti ellenállását az op-amp-on az operációs-amp-erősítő bemeneti impedanciájának szorzata alapján számítják ki. Például, az említett UD708 esetében a bemeneti impedancia körülbelül 0,5 MΩ, az erősítés legalább 30 000, és talán még több. Ha megszorozzuk ezeket a számokat, akkor a bemeneti impedancia 15 GΩ, ami összehasonlítható a nem túl magas színvonalú szigetelés, például a papír ellenállásával. Ilyen magas eredményt valószínűleg nem lehet elérni egy hagyományos kibocsátó követővel.

Annak érdekében, hogy a leírás ne legyen kétséges, az alábbiakban a Multisim program-szimulátorban leírt összes áramkör működését ábrázoljuk. Természetesen mindezeket a sémákat a táblára szerelhetjük, de a legrosszabb eredményeket a monitor képernyőjén lehet elérni.

Valójában itt még egy kicsit jobb: nem kell mennie valahol a polcon, hogy megváltoztassa az ellenállást vagy a mikroáramkört. Itt minden, még a mérőműszerek is, a programban van, és az egér vagy a billentyűzet segítségével „bekerül”.

A 2. ábra a Multisim programban készített ismétlő áramkört mutatja.

2. ábra

Az áramkör tanulmányozása meglehetősen egyszerű. Az ismétlő bemenetére a funkcionális generátorból 1 KHz frekvenciájú és 2 V amplitúdójú szinuszos jelet adunk, a 3. ábra szerint.

3. ábra

Az ismétlő bemenetén és kimenetén lévő jelet az oszcilloszkóp figyeli: a bemeneti jelet egy kék fény, a kimeneti fényt piros jelzi.

4. ábra

És miért, a figyelmes olvasó megkérdezi, hogy a kimeneti (piros) jel kétszer olyan nagy-e, mint a kék bemenet? Minden nagyon egyszerű: ugyanolyan érzékenységgel, mint az oszcilloszkóp csatornái, mind a két szinuszos amplitúdó és fázis egyesül, rejtőzik egymás mögött.

Annak érdekében, hogy mindkettőt egyszerre készítsük el, csökkentenünk kellett az egyik csatorna, ebben az esetben a bemenet érzékenységét. Ennek eredményeként a kék szinuszhullám pontosan a képernyő méretének fele lett, és abbahagyta a piros mögé rejtőzködést. Annak ellenére, hogy egy ilyen eredményt el lehet érni, egyszerűen elmozdíthatja a sugárzást az oszcilloszkóp vezérlőkkel, így a csatornák érzékenysége változatlan marad.

Mindkét szinuszos szimmetrikusan helyezkedik el az időtengelyhez képest, ami azt jelzi, hogy a jel állandó komponense nulla. És mi történik, ha egy kis DC-komponenst adnak hozzá a bemeneti jelhez? A virtuális generátor lehetővé teszi a szinuszhullám eltolását az Y tengely mentén. Próbáljuk megmozgatni azt felfelé 500mV-val.

5. ábra

Mi jött ki ebből, a 6. ábra mutatja.

6. ábra

Figyelemre méltó, hogy a bemeneti és a kimeneti szinuszok fele-voltkal nőttek, miközben egyáltalán nem változtak. Ez arra utal, hogy az ismétlő pontosan továbbította a jel állandó komponensét. De leggyakrabban megpróbálják megszabadulni ettől az állandó összetevőtől, hogy nullával egyenlővé tegyék, ami elkerüli az ilyen áramköri elemek használatát feszültségközi szigetelő kondenzátorként.

Az ismétlő természetesen jó és még szép is: további részletekre nincs szükség (bár vannak ismétlőáramkörök apró „kiegészítésekkel”), ám nem kaptak nyereséget.Milyen erősítő ez? Erősítő megszerzéséhez csak adjon hozzá néhány részletet, ezt később ismerteti.

Invertáló erősítő

Annak érdekében, hogy invertáló erősítőt kapjunk az op-amp-ról, elegendő csak két ellenállást hozzáadni. Amit ez jött, a 7. ábra mutatja.

7. ábra. Inverter erősítő áramköre

Egy ilyen erősítő nyereségét a K = - (R2 / R1) képlettel lehet kiszámítani. A mínuszjel nem azt jelenti, hogy az erősítő rosszul fordult, hanem csak azt, hogy a kimeneti jel fázisban álljon a bemenettel szemben. Nem csoda, hogy az erősítőt invertálónak hívják. Helyénvaló emlékeztetni a tranzisztorra, amely a sémában van az OE-vel. A tranzisztor kollektorának kimeneti jele is fázisban van az alaphoz továbbított bemeneti jelrel.

Itt érdemes emlékezni arra, hogy mennyi erőfeszítést kell tennie annak érdekében, hogy tiszta torzítás nélküli szinuszos képet kapjon a tranzisztor kollektorán. A torzítást a tranzisztor alapján kell megválasztani. Ez általában sok paramétertől függően meglehetősen bonyolult.

Op-amp erősítő használatakor elegendő egyszerűen kiszámítani az ellenállások ellenállását a képlet szerint, és megkapni egy adott nyereséget. Kiderült, hogy az áramkör op-amp-on történő beállítása sokkal egyszerűbb, mint több tranzisztoros kaszkád beállítása. Ezért nem szabad attól tartani, hogy a rendszer nem fog működni, nem fog működni.

8. ábra

Itt minden ugyanaz, mint az előző ábrákon: a bemeneti jel kék, az erősítő után piros színű. Minden megfelel a K = - (R2 / R1) képletnek. A kimeneti jel fázisban van a bemenettel (ami megfelel a képletben szereplő mínuszjelnek), és a kimeneti jel amplitúdója pontosan kétszerese a bemenetnek. Ez igaz az (R2 / R1) = (20/10) = 2 arányra is. Például 10 erősítés eléréséhez elegendő az R2 ellenállás ellenállását 100KΩ-ra növelni.

Valójában az invertáló erősítő áramköre kissé bonyolultabb lehet, ezt a lehetőséget a 9. ábra mutatja.

9. ábraAz erősítő áramkörének invertálása

Megjelent egy új alkatrész - az R3 ellenállás (inkább csak eltűnt az előző áramkörből). Célja egy valódi opamp bemeneti áramának kompenzálása annak érdekében, hogy csökkentse az egyenáramú elem kimeneti hőmérsékleti instabilitását. Ennek az ellenállásnak az értékét az R3 = R1 * R2 / (R1 + R2) képlettel lehet kiválasztani.

A modern, rendkívül stabil opampok lehetővé teszik a nem invertáló bemenet közvetlen vezetékhez történő csatlakoztatását közvetlenül az R3 ellenállás nélkül. Bár az elem jelenléte nem fog semmi rosszat okozni, de a jelenlegi gyártási méretnél, amikor mindent megtakarítanak, inkább nem akarják telepíteni ezt az ellenállást.

Az invertáló erősítő kiszámításának képleteit a 10. ábra mutatja. Miért az ábrán? Igen, csak az érthetőség kedvéért egy szövegsorban nem tűnnek annyira ismerősnek és érthetőnek, és nem lesznek olyan észrevehetők.

10. ábra

A nyereségről már említettük. Itt figyelmet érdemel egy nem invertáló erősítő bemeneti és kimeneti ellenállása. A bemeneti ellenállással minden világos: kiderül, hogy megegyezik az R1 ellenállás ellenállásával, de a kimeneti ellenállást a 11. ábrán bemutatott képlet szerint kell kiszámítani.

A K betű az op-amp erősítő referencia-együtthatóját jelöli. Kérem, számolja ki, hogy a kimeneti impedancia melyik lesz. Meglehetősen kicsi szám lesz, még az UD7 típusú átlagos op-amp-hoz is, amelynek K ”értéke nem haladja meg a 30 000-et. Ebben az esetben ez jó: elvégre minél alacsonyabb a kaszkád kimeneti ellenállása (ez nem csak az op-amp-on lévő kaszkádokra vonatkozik), annál erősebb a terhelés, ésszerű természetesen korlátokon belül ez a kaszkád összekapcsolható.

Külön megjegyzést kell tenni a kimeneti ellenállás kiszámítására szolgáló képlet nevezőjében lévő egységről. Tegyük fel, hogy az R2 / R1 arány például 100. Ez az arány, amelyet a 100 invertáló erősítő nyerése esetén kapunk.Kiderül, hogy ha ezt az egységet eldobják, akkor semmi sem fog változni. Valójában ez nem teljesen igaz.

Tegyük fel, hogy az R2 ellenállás ellenállása nulla, mint egy ismétlő esetében. Ezután egység nélkül a teljes nevező nullává válik, és a kimeneti ellenállás szintén nulla. És ha ez a nulla valahol a képlet nevezőjében jelenik meg, hogyan rendelje el osztani? Ezért egyszerűen lehetetlen megszabadulni ettől a látszólag jelentéktelen egységtől.

Egy cikkben, még elég nagy is, csak ne írj. Ezért mindent meg fog kapni, ami nem illik elmondani a következő cikkben. Leírja a nem invertáló erősítőt, a differenciál erősítőt és az egypólusú erősítőt. Ismertetésre kerülnek az opamp ellenőrzéséhez szükséges egyszerű áramkörök is.

Boris Aladyshkin