Feedback operationele versterkingscircuits

Repeater en inverterende versterker

Aan het einde van het artikel "De ideale operationele versterker" Er werd aangetoond dat bij gebruik van een operationele versterker in verschillende schakelkringen de versterking van de cascade op een enkele operationele versterker (OA) alleen afhankelijk is van de diepte van de feedback. Daarom wordt in de formules om de versterking van een bepaald circuit te bepalen, de versterking van de "kale" op-amp, om zo te zeggen, niet gebruikt. Dat is gewoon die enorme coëfficiënt die wordt gespecificeerd in mappen.

Dan is het heel gepast om de vraag te stellen: "Als het uiteindelijke resultaat (winst) niet afhangt van deze enorme" referentie "-coëfficiënt, wat is dan het verschil tussen de opamp met versterking enkele duizenden keren, en met dezelfde opamp, maar met versterking enkele honderdduizend en zelfs miljoenen? '

Het antwoord is vrij eenvoudig. In beide gevallen zal het resultaat hetzelfde zijn, de cascade-versterking wordt bepaald door de OOS-elementen, maar in het tweede geval (opamp met hoge versterking) werkt het circuit stabieler, preciezer, de snelheid van dergelijke circuits is veel hoger. Op goede gronden zijn op-versterkers onderverdeeld in op-versterkers van algemene toepassing en hoge precisie, precisie.

Zoals reeds vermeld, werden de "operationele" versterkers in die tijd ontvangen, toen ze voornamelijk werden gebruikt voor het uitvoeren van wiskundige bewerkingen in analoge computers (AVM's). Dit waren bewerkingen van optellen, aftrekken, vermenigvuldigen, delen, kwadrateren en vele andere functies.

Deze antediluviaanse op-versterkers werden uitgevoerd op elektronenbuizen, later op discrete transistoren en andere radiocomponenten. Natuurlijk waren de afmetingen van zelfs transistor-op-versterkers groot genoeg om te worden gebruikt in amateurconstructies.

En pas nadat, dankzij de prestaties van geïntegreerde elektronica, de op-versterkers de grootte van een gewone laagvermogen transistor werden, werd het gebruik van deze onderdelen in huishoudelijke apparatuur en amateurcircuits gerechtvaardigd.

Trouwens, moderne op-versterkers, zelfs van redelijk hoge kwaliteit, tegen een prijs die iets hoger is dan twee of drie transistors. Deze verklaring is van toepassing op algemene versterkers. Precisieversterkers kunnen iets meer kosten.

Wat betreft de circuits op de op-amp, is het de moeite waard om onmiddellijk een opmerking te maken dat ze allemaal worden aangedreven door een bipolaire stroombron. Een dergelijke modus is de meest "gebruikelijke" voor een op-amp, waarmee niet alleen AC-spanningssignalen, bijvoorbeeld een sinusoïde, maar ook DC-signalen of gewoon spanning kunnen worden versterkt.

En toch wordt de voeding van de circuits op de op-amp vaak gemaakt van een unipolaire bron. Toegegeven, in dit geval is het niet mogelijk om de constante spanning te verhogen. Maar het gebeurt vaak dat dit gewoon niet nodig is. De circuits met unipolaire voeding zullen later worden beschreven, maar voor nu gaan we verder met de schema's van het inschakelen van de op-amp met bipolaire voeding.

De voedingsspanning van de meeste op-ampères ligt meestal binnen ± 15V. Maar dit betekent helemaal niet dat deze spanning niet iets lager kan worden gemaakt (hoger wordt niet aanbevolen). Veel op-versterkers werken zeer stabiel vanaf ± 3V, en sommige modellen zelfs ± 1.5V. Een dergelijke mogelijkheid wordt aangegeven in de technische documentatie (DataSheet).

Volger

Het is het eenvoudigste apparaat in termen van circuits op een op-amp; het circuit wordt getoond in figuur 1.

Figuur 1. Spanningsvolgercircuit op een operationele versterker

Het is gemakkelijk te zien dat om een ​​dergelijk schema te maken, geen enkel detail nodig was, behalve het besturingssysteem zelf. Het is waar dat de figuur niet de stroomaansluiting toont, maar een dergelijke schets van de schema's wordt heel vaak gevonden. Het enige wat ik wil opmerken, is dat tussen de klemmen van de op-amp voeding (bijvoorbeeld voor de KR140UD708 op-amp, dit zijn conclusies 7 en 4) en de gemeenschappelijke draad moet worden aangesloten blokkerende condensatoren met een capaciteit van 0,01 ... 0,5 μF.

Hun doel is om de werking van de opamp stabieler te maken, om zich te ontdoen van de zelfexcitatie van het circuit langs de stroomcircuits. Condensatoren moeten zo dicht mogelijk bij de voedingsklemmen van de chip worden aangesloten. Soms wordt één condensator aangesloten op basis van een groep van meerdere microschakelingen. Dezelfde condensatoren zijn te zien op borden met digitale microschakelingen, hun doel is hetzelfde.

De winst van de repeater is gelijk aan eenheid, of, anders gezegd, er is ook geen winst. Waarom dan zo'n regeling? Hier is het heel toepasselijk om eraan te herinneren dat er een transistorcircuit is - een emittervolger, waarvan het hoofddoel het matchen van cascades met verschillende ingangsweerstanden is. Soortgelijke cascades (repeaters) worden ook buffer genoemd.

De ingangsweerstand van de repeater op de op-amp wordt berekend als het product van de ingangsimpedantie van de op-amp door zijn versterking. Voor de genoemde UD708 is de ingangsimpedantie bijvoorbeeld ongeveer 0,5 MΩ, de versterking is ten minste 30.000 en misschien meer. Als u deze getallen vermenigvuldigt, is de ingangsimpedantie 15 GΩ, wat vergelijkbaar is met de weerstand van isolatie van niet erg hoge kwaliteit, zoals papier. Een dergelijk hoog resultaat is onwaarschijnlijk met een conventionele zendervolger.

Zodat er geen twijfel bestaat aan de beschrijvingen, hieronder zijn de figuren die de werking tonen van alle schakelingen die zijn beschreven in de programma-simulator Multisim. Natuurlijk kunnen al deze schema's op broodplank worden geassembleerd, maar niet de slechtste resultaten kunnen op het beeldscherm worden verkregen.

Eigenlijk is het hier zelfs een beetje beter: je hoeft niet ergens op de plank te gaan om de weerstand of microschakeling te veranderen. Hier zit alles, zelfs meetinstrumenten, in het programma en "krijgt" het met de muis of het toetsenbord.

Figuur 2 toont de repeatercircuits gemaakt in het Multisim-programma.

Figuur 2

Het bestuderen van het circuit is vrij eenvoudig. Een sinusvormig signaal met een frequentie van 1 KHz en een amplitude van 2 V wordt aangelegd op de ingang van de repeater van de functionele generator, zoals weergegeven in figuur 3.

Figuur 3

Het signaal aan de invoer en uitvoer van de repeater wordt waargenomen door de oscilloscoop: het invoersignaal wordt weergegeven door een blauwe straal, de uitvoerstraal is rood.

Figuur 4

En waarom, vraagt ​​de aandachtige lezer, is het uitgangssignaal (rood) twee keer zo groot als de ingang blauw? Alles is heel eenvoudig: met dezelfde gevoeligheid van de oscilloscoopkanalen gaan beide sinusoïden met dezelfde amplitude en fase in één samen, verschuilen ze zich achter elkaar.

Om ze allebei tegelijk te kunnen onderscheiden, moesten we de gevoeligheid van een van de kanalen verminderen, in dit geval de invoer. Als gevolg hiervan werd de blauwe sinusgolf exact de helft van de grootte op het scherm en verstopte zich niet meer achter de rode. Hoewel om een ​​dergelijk resultaat te bereiken, kunt u de stralen eenvoudig verschuiven met de oscilloscoopbesturing, waardoor de gevoeligheid van de kanalen hetzelfde blijft.

Beide sinusoïden bevinden zich symmetrisch ten opzichte van de tijdas, wat aangeeft dat de constante component van het signaal nul is. En wat gebeurt er als een kleine DC-component wordt toegevoegd aan het ingangssignaal? Met de virtuele generator kunt u de sinusgolf langs de Y-as verschuiven. Laten we proberen deze 500mV naar boven te verschuiven.

Figuur 5

Wat hieruit is voortgekomen, is weergegeven in figuur 6.

Figuur 6

Het is merkbaar dat de ingangs- en uitgangssinusoïden met een halve volt zijn gestegen, terwijl ze helemaal niet zijn veranderd. Dit suggereert dat de repeater de constante component van het signaal nauwkeurig heeft verzonden. Maar meestal proberen ze van deze constante component af te komen, deze gelijk te maken aan nul, waardoor het gebruik van circuitelementen als interstage isolatiecondensatoren wordt vermeden.

De repeater is natuurlijk goed en zelfs mooi: er was geen enkel detail meer nodig (hoewel er repeatercircuits zijn met kleine "toevoegingen"), maar deze hebben geen versterking gekregen.Wat voor soort versterker is dit? Om een ​​versterker te krijgen, voegt u gewoon een paar details toe, hoe dit te doen zal later worden beschreven.

Omkerende versterker

Om een ​​inverterende versterker van de op-amp te maken, volstaat het om slechts twee weerstanden toe te voegen. Wat hieruit is voortgekomen, is weergegeven in figuur 7.

Figuur 7. Inverter versterker circuit

De versterking van een dergelijke versterker wordt berekend met de formule K = - (R2 / R1). Het minteken betekent niet dat de versterker slecht is gebleken, maar alleen dat het uitgangssignaal in fase tegengesteld is aan de ingang. Geen wonder dat de versterker omkering wordt genoemd. Hier zou het passend zijn om de transistor terug te roepen die in het schema met OE is opgenomen. Ook daar bevindt het uitgangssignaal op de collector van de transistor zich in tegenfase met het ingangssignaal dat aan de basis wordt geleverd.

Dit is de moeite waard om te onthouden hoeveel moeite u moet doen om een ​​schone, onvervormde sinusoïde op de collector van de transistor te krijgen. Het is vereist om de voorspanning dienovereenkomstig te selecteren op basis van de transistor. Dit is in de regel vrij ingewikkeld, afhankelijk van veel parameters.

Bij gebruik van een op-amp is het voldoende om eenvoudig de weerstand van de weerstanden volgens de formule te berekenen en een bepaalde versterking te verkrijgen. Het blijkt dat het opzetten van een circuit op een op-amp veel eenvoudiger is dan het opzetten van verschillende transistorcascades. Daarom moet men niet bang zijn dat de regeling niet zal werken, het zal niet werken.

Figuur 8

Hier is alles hetzelfde als in de vorige figuren: het ingangssignaal wordt blauw weergegeven, het is rood na de versterker. Alles komt overeen met de formule K = - (R2 / R1). Het uitgangssignaal bevindt zich in tegenfase met de ingang (die overeenkomt met het minteken in de formule) en de amplitude van het uitgangssignaal is precies twee keer de ingang. Dat geldt ook voor de verhouding (R2 / R1) = (20/10) = 2. Om de versterking te maken, bijvoorbeeld 10, is het voldoende om de weerstand van de weerstand R2 te verhogen tot 100KΩ.

In feite kan de schakeling van een inverterende versterker iets gecompliceerder zijn, een dergelijke optie wordt getoond in figuur 9.

Figuur 9Omgekeerd versterkercircuit

Hier verscheen een nieuw onderdeel - de weerstand R3 (het is eerder verdwenen uit het vorige circuit). Het doel is om de ingangsstromen van een echte opamp te compenseren om de temperatuurinstabiliteit van de DC-component aan de uitgang te verminderen. De waarde van deze weerstand wordt gekozen met de formule R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Met moderne zeer stabiele opamps kan de niet-inverterende ingang rechtstreeks op een gemeenschappelijke draad worden aangesloten zonder weerstand R3. Hoewel de aanwezigheid van dit element niets slechts zal doen, maar op de huidige schaal van productie, wanneer ze op alles besparen, geven ze er de voorkeur aan deze weerstand niet te installeren.

De formules voor het berekenen van de inverterende versterker worden weergegeven in figuur 10. Waarom in de figuur? Ja, alleen voor de duidelijkheid, in een tekstregel zouden ze er niet zo vertrouwd en begrijpelijk uitzien, niet zo opvallend.

Figuur 10

Over de winst werd eerder vermeld. Hier zijn de ingangs- en uitgangsweerstanden van een niet-inverterende versterker opmerkelijk. Alles lijkt duidelijk met de ingangsweerstand: het blijkt gelijk te zijn aan de weerstand van de weerstand R1, maar de uitgangsweerstand moet worden berekend volgens de formule in figuur 11.

De letter K 'geeft de referentiecoëfficiënt van de op-amp aan. Bereken hier alstublieft waar de uitgangsimpedantie gelijk aan zal zijn. Het zal een vrij klein cijfer blijken te zijn, zelfs voor een gemiddelde op-amp van het type UD7 met zijn K "gelijk aan niet meer dan 30.000. In dit geval is dit goed: immers, hoe lager de uitgangsweerstand van de cascade (dit geldt niet alleen voor cascades op de op-amp), hoe krachtiger de belasting, redelijk uiteraard kan deze cascade binnen bepaalde grenzen worden aangesloten.

Over de eenheid in de noemer van de formule voor het berekenen van de uitgangsweerstand moet een afzonderlijke opmerking worden gemaakt. Stel dat de verhouding R2 / R1 bijvoorbeeld 100 is. Dit is de verhouding die wordt verkregen in het geval van de versterking van de inverterende versterker 100.Het blijkt dat als dit apparaat wordt weggegooid, er niets zal veranderen. In feite is dit niet helemaal waar.

Neem aan dat de weerstand van weerstand R2 nul is, zoals in het geval van een repeater. Dan wordt zonder eenheid de gehele noemer nul en is de uitgangsweerstand ook nul. En als deze nul dan ergens in de noemer van de formule staat, hoe bestelt u deze dan te verdelen? Daarom is het gewoon onmogelijk om van deze schijnbaar onbeduidende eenheid af te komen.

In een artikel, zelfs groot genoeg, schrijf je gewoon niet. Daarom heb je alles wat niet in het volgende artikel past. Er komt een beschrijving van een niet-inverterende versterker, een differentiaalversterker, een unipolaire eindversterker. Er zal ook een beschrijving worden gegeven van eenvoudige circuits voor het controleren van de opamp.

Boris Aladyshkin