Amplificatoare operaționale. Partea 2. Amplificatorul operațional perfect

Pentru a înțelege mai bine principiile construirii circuitelor folosind amplificatoare operaționale, acestea folosesc adesea conceptul de amplificator operațional ideal. Care este idealitatea, proprietățile sale minunate? Nu sunt atât de mulți dintre ei, dar toți tind fie spre zero, fie chiar spre infinit. Dar se comportă așa amplificator operațional nu sunt acoperite de feedback (OS) și, în general, nu au conexiuni externe.

În acest articol vom încerca să vorbim despre feedback și unele scheme pentru includerea amplificatoarelor operaționale, fără a menționa formule matematice greoaie cu integrale. Dar unele, destul de simple și de înțeles, la nivelul clasei a opta a școlii, ceea ce va ajuta la înțelegerea sensului general, încă nu pot fi evitate.

câștig de

Cu un astfel de câștig „rampant”, este suficient să aplicați doar câteva microvolți la intrările sale (de exemplu, interferența de rețea) pentru a obține o tensiune de ieșire aproape de 15V. Această stare indică saturația producției.

Este indicat să reamintim aceeași stare în tranzistoare. În mod firesc, în această formă, nu se obține deloc câștig. Prin urmare, amplificatoarele operaționale reale sunt întotdeauna acoperite de feedback negativ, despre care vom discuta mai jos.

Deși trebuie menționat că destul de des sunt utilizate amplificatoare operaționale fără feedback, iar în unele cazuri cu feedback pozitiv. Această aplicație se găsește în comparatoare - dispozitive pentru compararea exactă a semnalelor analogice. Comparatoarele sunt disponibile sub formă de microcircuite specializate și fac parte și din alte microcircuite. Doar amintiți-vă de legendar cronometru integrat NE555, care conține în sine doi comparatori.

Istorie aproape recentă

La un moment dat, industria electronică internă a stăpânit și producția de amplificatoare operaționale. Primul amplificator operațional a fost K1UT401A (B), ulterior redenumit K140UD1 cu aceleași litere la sfârșit. Deci, fiind o copie aproape exactă a fratelui american UA702, analogul cu litera A la o tensiune de alimentare de ± 6V a avut un câștig în intervalul 500 ... 4500, iar cu litera B (± 12V) 1500 ... 13000.

Conform standardelor moderne, acest lucru este doar ridicol, dar, cu toate acestea, aceste amplificatoare arhaice pot fi încă găsite. Dar chiar și cu un câștig atât de „mic”, era imposibil de făcut fără feedback negativ.

Și doar apariția amplificatoarelor operaționale în proiectarea integrată a introdus această componentă universală în circuitele industriale, interne și amatorii. Într-adevăr, trebuie să admiteți că nu poate fi utilizat un amplificator operațional cu tuburi electronice sau chiar o opțiune de tranzistor, cu excepția utilizării în AVM-uri de apărare.

Intrări și ieșiri ale amplificatoarelor operaționale

Amplificatorul operațional are două intrări și o ieșire și, desigur, două ieșiri pentru alimentarea tensiunii. Acesta este un set minim de concluzii care este vital. Exact așa este cu majoritatea amplificatoarelor operaționale moderne. Odată au existat concluzii pentru conectarea elementelor de corecție și echilibrare a frecvenței.

Mâncarea este cel mai adesea bipolară cu un punct de mijloc, ceea ce face posibilă amplificarea prin tensiune constantă. În acest caz, se acceptă în general că intervalul de frecvență al amplificatorilor operaționale începe de la 0 Hz, iar frecvența superioară este limitată atât de tipul amplificatorului operațional în sine, de circuitul său intern, cât și de tipul tranzistoarelor, precum și de circuitul său de comutare.

Lățimea de bandă a unui amplificator operațional ideal se extinde de la curent continuu la infinit.De asemenea, viteza de viteză sau viteza semnalului de ieșire tinde la infinit. Dar nu vom lua în considerare această problemă deocamdată.

Ce îmbunătățește amplificatorul operațional

Tensiunea de ieșire a amplificatorului operațional este proporțională cu diferența de tensiune la intrările sale. În acest caz, nivelul absolut al semnalelor, precum și polaritatea acestora nu joacă un rol special. Doar diferența contează. Și din moment ce toți termenii în electronică proveneau din limba engleză, este timpul să ne amintim de cuvântul „diferit”, ceea ce înseamnă diferență eterogenă (dicționarul „Multitran”), iar amplificatorii acestui principiu de funcționare sunt numiți diferențial.

Ce nu amplifică amplificatorul operațional

Aici putem aminti, de asemenea, o proprietate atât de minunată a amplificatoarelor operaționale precum atenuarea unui semnal de mod comun: dacă același semnal este aplicat ambelor intrări, acesta nu va fi amplificat. Acesta este utilizat atunci când se aplică un semnal pe fire lungi: semnalul util are o fază diferită, în timp ce semnalul de interferență la ambele intrări este același.

Ce se poate obține la ieșirea amplificatorului operațional

Impedanța de ieșire a unui amplificator operațional ideal tinde spre zero, ceea ce teoretic vă permite să obțineți un semnal de ieșire arbitrar de mare, doar infinit. De fapt, tensiunea de ieșire a unui amplificator operațional real este limitată de tensiunea surselor de alimentare: dacă o tensiune de alimentare bipolară, de exemplu, ± 15V, atunci este pur și simplu imposibil de obținut +20 sau -25 la ieșire.

Aceasta se referă la amplificarea tensiunilor constante. În cazul amplificării, de exemplu, a unui sinusoid la ieșire, ar trebui obținut și un sinusoid, a cărui amplitudine nu depășește tensiunea de alimentare.

Tensiunile de intrare și ieșire nu pot fi mai mari decât tensiunea surselor de alimentare. De exemplu, atunci când este alimentat cu ± 15V, tensiunea de ieșire este mai mică cu 0,5 ... 1,5 V. Dar unele microcircuite moderne permit obținerea egală cu tensiunea de alimentare la ieșire și intrare. Această proprietate din fișele tehnice este denumită „Rail-to-Rail”, literalmente „pneumatic to tire”. Atunci când alegeți un amplificator operațional, ar trebui să acordați atenție acestei proprietăți.

Impedanța de intrare

Impedanța de intrare a ambelor intrări ale amplificatorului operațional este foarte mare și se află la sute de MegaOhm, iar în unele cazuri chiar GigaOhm. Pentru comparație: K1UT401 mai sus menționat avea o impedanță de intrare de doar câteva zeci de kOhm.

Impedanța de intrare, desigur, nu atinge infinitul, ca un amplificator operațional ideal, dar este totuși atât de mare încât nu afectează nivelurile semnalului de intrare. Din aceasta putem trage concluzia că nu există fluxuri de curent în intrări. Acesta este unul dintre principiile principale utilizate în calculul și analiza circuitelor amplificatoarelor operaționale. Deocamdată, trebuie doar să vă amintiți.

Ultima declarație se referă direct la amplificatoare operaționale. O astfel de impedanță mare de intrare este inerentă amplificatorilor operaționali înșiși, dar impedanța de intrare a diferitelor circuite bazate pe acesta poate fi mult mai mică. Această situație ar trebui să fie mereu amintită. Și acum, fiți atenți, povestea începe despre cel mai important lucru.

Feedback negativ (OOS)

OOS nu este decât o conexiune între ieșire și intrare, în care o parte din ieșire este scăzută din semnalul de intrare. O astfel de conexiune duce la o scădere a câștigului. Spre deosebire de OOS, există feedback pozitiv (POS), care, în schimb, însumează semnalul de intrare cu o parte din ieșire. Astfel de conexiuni sunt utilizate nu numai în tehnologia electronică, ci în multe alte cazuri, de exemplu, în mecanică. Efectul acestor feedback-uri poate fi caracterizat după cum urmează: OOS duce la stabilitatea sistemului, pozitiv duce la instabilitatea acestuia.

În raport cu amplificatoarele operaționale în cauză, sistemul de operare vă permite să setați câștigul cu o precizie suficientă și, de asemenea, duce la îmbunătățiri mult mai calitative și chiar plăcute ale circuitului. Dar mai întâi trebuie să vă dați seama cum funcționează sistemul de operare.Ca exemplu, luați în considerare un circuit care poate fi găsit în orice manual despre automatizare.

Figura 1

Ieșire semnal de ieșire Ignal U.output. de la ieșire trece la dispozitivul de însumare (un cerc cu un semn plus în interior) prin circuitul OOS cu coeficientul de transfer β, în acest caz, mai puțin de unul. Dacă acest coeficient este mai mare decât unitatea, ceea ce este posibil din punct de vedere tehnic, atunci în loc să amplificăm semnalul, obținem atenuarea acestuia. Dar deocamdată, vom presupune că avem nevoie de întărire precisă.

Faleza OOS este doar un accident

Dacă rupeți bucla de feedback, atunci tensiunea la ieșirea amplificatorului operațional va fi U.out. = K * U.in. Valoarea teoretic uriașă. De fapt, acesta va fi limitat de magnitudinea tensiunii de alimentare. Acest lucru a fost deja spus mai devreme. Un exemplu similar: dacă este vorba despre un motor electric cu stabilizare de rotații (de asemenea feedback), atunci pur și simplu se va accelera pe cât posibil. În acest caz, ei spun că sistemul a mers „în ambulanță”.

Trecând prin circuitul circuitului OOS, semnalul de ieșire este atenuat de β * U.output. Prin urmare, numai (U.in.-β * U.out) vine la intrarea amplificatorului prin intermediul adaosului. Semnul minus indică faptul că feedback-ul este negativ. După trecerea dispozitivului cu un câștig K, ieșirea va fi U.output = K * (U.in.-β * U.out.). La rândul său, câștigul întregului sistem K.us. = U.out./U.in. și se dovedește că U.out. = K *

După unele transformări, se poate obține următorul rezultat: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Toate aceste transformări au dus la formula simplă K.us. = K / (1+ K * β). Dacă presupunem că K in este suficient de mare (iar în cazul utilizării unui amplificator operațional acesta este într-adevăr așa), atunci unitatea dintre paranteze nu va face vreo vreme specială, ea poate fi aruncată, în urma căreia formula va lua următoarea formă:

K.us. = 1 / β

Formula rezultată (care, de fapt, a fost motivul pentru care întregul gard al formulelor a fost reunit) ne permite să afirmăm că coeficientul de transfer al amplificatorului operațional în circuitul de feedback nu depinde în niciun fel de câștigul amplificatorului operațional în sine, ci este determinat doar de parametrii circuitului de feedback. , coeficientul său de transmisie β. Cu toate acestea, cu cât este mai mare câștigul amplificatorului operațional în sine, cu atât formula specificată este mai precisă, cu atât circuitul funcționează mai stabil.

Prin urmare, cascadele de amplificare pe amplificatoare operaționale nu necesită reglare, așa cum sunt obișnuite cascadele tranzistorului: doar rezistoarele de feedback calculate, soldate, au obținut câștigul de cascadă necesar. Cum se face acest lucru va fi descris în următorul articol.