Operaciniai stiprintuvai. 2 dalis. Puikus operacinis stiprintuvas

Norėdami geriau suprasti grandinių konstravimo, naudojant operacinius stiprintuvus, principus, jie dažnai naudoja idealaus operacinio stiprintuvo sąvoką. Koks yra jo idealumas, nuostabios savybės? Jų nėra tiek daug, bet jie visi linkę arba į nulį, arba net į begalybę. Bet taip elgiasi operacinis stiprintuvas neapima grįžtamasis ryšys (OS) ir paprastai neturi jokių išorinių jungčių.

Šiame straipsnyje pabandysime pakalbėti apie grįžtamąjį ryšį ir kai kurias operacinių stiprintuvų įtraukimo schemas, neužsimindami apie sudėtingas matematines formules su integralais. Tačiau kai kurių, gana paprastų ir suprantamų, aštuntos klasės mokykloje lygio, kurie padės suprasti bendrą prasmę, vis tiek negalima išvengti.

Pelnas

Esant tokiam „nežabotam“ sustiprėjimui, jo įėjimams pakanka pritaikyti tik keletą mikrovoltų (pavyzdžiui, tinklo trikdžius), kad išėjimo įtampa būtų artima 15V. Ši būsena rodo išvesties sodrumą.

Tikslinga prisiminti tą pačią būseną tranzistoriuose. Natūralu, kad šia forma jokio pelno negaunama. Todėl realius operacinius stiprintuvus visada apima neigiami atsiliepimai, kurie bus aptariami toliau.

Nors reikėtų pažymėti, kad gana dažnai operatyviniai stiprintuvai naudojami be grįžtamojo ryšio, o kai kuriais atvejais ir su teigiamu grįžtamuoju ryšiu. Ši programa yra komparatoriai - prietaisai, skirti tiksliai palyginti analoginius signalus. Komparatoriai tiekiami specializuotų mikroschemų pavidalu, taip pat yra kitų mikroschemų dalis. Tiesiog prisimink legendinį integruotas laikmatis NE555, kuriame yra du lygintuvai.

Beveik nauja istorija

Vienu metu vidaus elektronikos pramonė taip pat įsisavino operacinių stiprintuvų gamybą. Pirmasis operacinis stiprintuvas buvo K1UT401A (B), vėliau pervadintas K140UD1 tomis pačiomis raidėmis pabaigoje. Taigi, būdamas beveik tikslia amerikiečių brolio UA702 kopija, analogas su raide A, kai maitinimo įtampa yra ± 6V, padidėjo 500 ... 4500 intervale, o su raide B (± 12V) 1500 ... 13000.

Pagal šiuolaikinius standartus tai yra tiesiog juokinga, tačiau vis dėlto šių archajiškų stiprintuvų vis dar galima rasti. Bet net ir gavus tokį „nedidelį“ pelną, neįmanoma išsiversti be neigiamų atsiliepimų.

Ir tik tai, kad operaciniai stiprintuvai atsirado integruotame dizaine, įvedė šį universalų komponentą pramoninėse, buitinėse ir mėgėjiškose grandinėse. Galų gale turite pripažinti, kad operatyvinis stiprintuvas su elektroniniais vamzdžiais ar net tranzistoriaus galimybė, išskyrus gynybinius AVM, negalėjo būti naudojamas.

Operacinių stiprintuvų įėjimai ir išėjimai

Operatyvinis stiprintuvas turi du įėjimus ir vieną išėjimą ir, žinoma, du išėjimus įtampai tiekti. Tai yra būtiniausias išvadų rinkinys. Būtent taip yra su moderniausiais operaciniais stiprintuvais. Kartą buvo padarytos išvados, kaip sujungti dažnio korekcijos ir balansavimo elementus.

Maistas dažniausiai būna bipoliarus su vidurio tašku, kuris leidžia atlikti amplifikaciją esant pastoviai įtampai. Šiuo atveju paprastai priimta, kad operatyvinių stiprintuvų dažnių diapazonas prasideda nuo 0 Hz, o viršutinį dažnį riboja tiek pats operacinio stiprintuvo tipas, tiek jo vidinė grandinė, tiek tranzistorių tipas ir perjungimo grandinė.

Idealaus veikimo stiprintuvo pralaidumas tęsiasi nuo nuolatinės srovės iki begalybės.Be to, išėjimo signalo greitis ar pasukimo greitis linkęs į begalybę. Tačiau mes kol kas nenagrinėsime šios problemos.

Kas padidina operatyvinį stiprintuvą

Operatyvinio stiprintuvo išėjimo įtampa yra proporcinga įtampos skirtumui jo įėjimuose. Šiuo atveju absoliutus signalų lygis, taip pat jų poliškumas, neatlieka ypatingo vaidmens. Svarbus tik skirtumas Kadangi visi elektronikos terminai kilo iš anglų kalbos, laikas prisiminti žodį „different“, reiškiantį nevienalytį skirtumą (žodynas „Multitran“), o šio veikimo principo stiprintuvai vadinami diferencialu.

Kas nepadidina operacinio stiprintuvo

Čia taip pat galime prisiminti tokią nuostabią operacinių stiprintuvų savybę kaip bendro režimo signalo silpninimas: jei tas pats signalas bus naudojamas abiem įvestims, jis nebus stiprinamas. Tai naudojama, kai signalas perduodamas per ilgus laidus: naudingo signalo fazė skiriasi, o trukdžių signalas abiejuose įėjimuose yra vienodas.

Ką galima gauti iš operacinio stiprintuvo išėjimo

Idealaus operacinio stiprintuvo išėjimo varža yra lygi nuliui, o tai teoriškai leidžia išėjime gauti savavališkai didelį, tiesiog begalinį signalą. Tiesą sakant, realaus operacinio stiprintuvo išėjimo įtampą riboja maitinimo šaltinių įtampa: jei bipolinio maitinimo įtampa, pavyzdžiui, ± 15V, tiesiog neįmanoma išvesties gauti +20 arba -25.

Tai taikoma nuolatinių įtampų stiprinimui. Pvz., Stiprinimo atveju, pavyzdžiui, sinusoidas išėjime, taip pat turėtų būti gaunamas sinusoidas, kurio amplitudė neviršija maitinimo įtampos.

Įvesties ir išvesties įtampa negali būti didesnė už maitinimo šaltinių įtampą. Pavyzdžiui, kai maitinama ± 15 V, išėjimo įtampa yra mažesnė 0,5 ... 1,5 V. Tačiau kai kurie šiuolaikiški mikroschemai leidžia pasiekti lygią maitinimo įtampai išėjimo ir įėjimo vietose. Ši savybė duomenų lapuose yra vadinama geležinkeliu nuo bėgio, pažodžiui kaip „nuo padangos iki padangos“. Renkantis operatyvinį stiprintuvą, turėtumėte atkreipti dėmesį į šią savybę.

Įėjimo varža

Abiejų operacinio stiprintuvo įėjimų varža yra labai didelė ir siekia šimtus „MegaOhm“, o kai kuriais atvejais net „GigaOhm“. Palyginimui: aukščiau minėto K1UT401 įėjimo varža buvo tik kelios dešimtys kOhm.

Įvesties varža, be abejo, nesiekia begalybės, kaip idealus operacinis stiprintuvas, tačiau ji vis tiek yra tokia didelė, kad neturi įtakos įvesties signalo lygiams. Iš to galime daryti išvadą, kad įėjimuose nėra srovės. Tai yra vienas iš pagrindinių principų, naudojamų apskaičiuojant ir analizuojant operacinių stiprintuvų grandines. Kol kas tereikia tai atsiminti.

Paskutinis teiginys tiesiogiai susijęs su operaciniais stiprintuvais. Tokia aukšta įėjimo varža būdinga patiems operatyviniams stiprintuvams, tačiau įvairių jo pagrindu veikiančių grandinių įėjimo varža gali būti daug mažesnė. Šią aplinkybę reikia visada atsiminti. O dabar būkite atsargūs, prasideda pasakojimas apie svarbiausią dalyką.

Neigiami atsiliepimai (OOS)

OOS yra ne kas kita, kaip jungtis tarp išvesties ir įvesties, kurioje dalis išvesties atimama iš įvesties signalo. Toks ryšys lemia pelno sumažėjimą. Skirtingai nuo OOS, yra teigiamas grįžtamasis ryšys (POS), kuris atvirkščiai sumuoja įvesties signalą su dalimi išvesties. Tokios jungtys naudojamos ne tik elektroninėse technologijose, bet ir daugeliu kitų atvejų, pavyzdžiui, mechanikoje. Šių atsiliepimų poveikį galima apibūdinti taip: OOS sukelia sistemos stabilumą, teigiamas - jos nestabilumą.

Kalbant apie aptariamus operacinius stiprintuvus, OOS leidžia pakankamai tiksliai nustatyti padidėjimą ir taip pat lemia daug kokybiškesnius ir netgi malonesnius grandinės patobulinimus. Bet pirmiausia turite išsiaiškinti, kaip veikia OOS.Kaip pavyzdį apsvarstykite grandinę, kurią galite rasti bet kuriame automatizavimo vadove.

1 pav

Ignal U.output signalo išvestis. iš išvesties jis per OOS grandinę pereina į sumavimo įtaisą (ratą su pliuso ženklu viduje), kurio perdavimo koeficientas β, šiuo atveju mažesnis nei vienas. Jei šis koeficientas yra didesnis nei vienybė, o tai techniškai įmanoma, tada užuot sustiprinę signalą, gauname jo silpnėjimą. Tačiau kol kas manysime, kad mums reikia tiksliai sustiprinti.

OOS uola yra tik nelaimingas atsitikimas

Jei nutrūksite grįžtamojo ryšio kilpa, tada įtampa operatyvinio stiprintuvo išvestyje bus U.out = K * U.in. Teoriškai didžiulė vertė. Tiesą sakant, tai bus apribota maitinimo įtampos dydžiu. Tai jau buvo pasakyta anksčiau. Panašus pavyzdys: jei tai yra elektrinis variklis, turintis apsisukimų stabilizavimą (taip pat ir grįžtamąjį ryšį), tada jis kiek įmanoma greičiau tiesiog įsibėgės. Šiuo atveju jie sako, kad sistema „sulūžo“.

Praeinant per OOS grandinę, išėjimo signalas slopinamas β * U.output. Todėl tik (U.in-β * U.out) ateina į stiprintuvo įvestį per papildiklį. Minuso ženklas rodo, kad grįžtamasis ryšys yra neigiamas. Praėjus pro prietaisą padidėjus K, išvestis bus U.out = K * (U.in-β * U.out). Savo ruožtu visos sistemos prieaugis K.us. = U.out./U.in. ir paaiškėja, kad U. = K *

Po tam tikrų transformacijų galime gauti šį rezultatą: K. = = U. / U.in = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Visi šie virsmai lėmė paprastą formulę: K.us = K / (1+ K * β). Jei darysime prielaidą, kad K in yra pakankamai didelis (o naudojant operacinį stiprintuvą tai tikrai yra), tada skliausteliuose esantis vienetas nedarys daug oro, jį galima atsisakyti, todėl formulė įgaus tokią formą:

K. = 1 / β

Gauta formulė (kuri iš tikrųjų buvo priežastis, dėl kurios visa tvora iš formulių buvo sujungta) leidžia mums teigti, kad operatyvinio stiprintuvo perdavimo koeficientas grįžtamojo ryšio grandinėje jokiu būdu nepriklauso nuo paties operacinio stiprintuvo stiprinimo, o yra nustatomas tik pagal grįžtamojo ryšio grandinės parametrus. , jo perdavimo koeficientas β. Bet vis dėlto, kuo didesnis paties operatyvinio stiprintuvo pelnas, tuo tikslesnė nurodyta formulė, tuo stabilesnė grandinė veikia.

Todėl operacinių stiprintuvų stiprinimo kaskadoms nereikia tiuningo, kaip ir įprastoms tranzistorinėms kaskadoms: ką tik apskaičiuoti grįžtamojo ryšio rezistoriai, lituoti, gavo reikiamą kaskados padidėjimą. Kaip tai bus padaryta, bus aprašyta kitame straipsnyje.