Circuite amplificatoare operaționale de feedback

Amplificator de repetare și inversare

La sfârșitul articolului „Amplificatorul operațional ideal” S-a arătat că atunci când se utilizează un amplificator operațional în diverse circuite de comutare, amplificarea cascadei pe un amplificator operațional unic (OA) depinde doar de profunzimea feedback-ului. Prin urmare, în formulele de determinare a câștigului unui anumit circuit, nu este utilizat câștigul op-amperului „gol”. Acesta este doar acel coeficient imens care este specificat în directoare.

Atunci este destul de indicat să punem întrebarea: „Dacă rezultatul final (câștigul) nu depinde de acest coeficient imens de„ referință ”, atunci care este diferența dintre opamp cu amplificare de câteva mii de ori și cu același opamp, dar cu amplificare de câteva sute de mii ba chiar milioane? "

Răspunsul este destul de simplu. În ambele cazuri, rezultatul va fi același, câștigul în cascadă va fi determinat de elementele OOS, dar în al doilea caz (opamp cu câștig mare), circuitul funcționează mai stabil, mai precis, viteza unor astfel de circuite este mult mai mare. Din motive întemeiate, amperiile op sunt împărțite în amperi de aplicare generală și precizie de mare precizie.

Așa cum am menționat deja, amplificatoarele „operaționale” în cauză au fost primite în acea perioadă de timp, când au fost utilizate în principal pentru a efectua operațiuni matematice în computere analogice (AVM). Acestea au fost operații de adunare, scădere, înmulțire, divizare, pătrat și multe alte funcții.

Aceste op-amperi antediluvieni au fost efectuate pe tuburi electronice, mai târziu pe tranzistoare discrete și alte componente radio. În mod firesc, dimensiunile chiar și a amplificatoarelor de tranzistor au fost suficient de mari pentru a fi utilizate în construcții amatoare.

Și abia după ce, datorită realizărilor electronice integrate, amploarele au devenit dimensiunile unui tranzistor obișnuit de mică putere, utilizarea acestor piese în echipamentele casnice și circuitele de amatori a fost justificată.

Apropo, op-amplificatoare moderne, chiar de o calitate destul de ridicată, la un preț puțin mai mare decât doi sau trei tranzistoare. Această declarație se aplică amplificatoarelor de utilizare generală. Amplificatoarele de precizie pot costa puțin mai mult.

În ceea ce privește circuitele de pe amplificatorul opțional, este de remarcat imediat faptul că toate sunt alimentate de o sursă de alimentare bipolară. Un astfel de mod este cel mai "obișnuit" pentru un amplificator op, care permite amplificarea nu numai a semnalelor de tensiune AC, de exemplu, a unui sinusoid, ci și a semnalelor CC sau pur și simplu a tensiunii.

Și totuși, destul de des, alimentarea circuitelor de pe amplificator este făcută dintr-o sursă unipolară. Este adevărat, în acest caz, nu este posibilă creșterea tensiunii constante. Dar se întâmplă adesea că acest lucru pur și simplu nu este necesar. Circuitele cu alimentare unipolară vor fi descrise mai târziu, dar deocamdată vom continua despre schemele de pornire a amplificatorului cu sursă de alimentare bipolară.

Tensiunea de alimentare a celor mai multe op-amperi este cel mai adesea între ± 15V. Dar acest lucru nu înseamnă deloc faptul că această tensiune nu poate fi redusă oarecum (nu este recomandat un nivel mai mare). Multe op-amperi funcționează foarte stabil începând de la ± 3V, iar unele modele chiar de la ± 1,5V. O astfel de posibilitate este indicată în documentația tehnică (DataSheet).

Următorul tensiunii

Este cel mai simplu dispozitiv din punct de vedere al circuitelor de pe un amplificator opțional; circuitul său este prezentat în figura 1.

Figura 1. Circuitul următorului de tensiune pe un amplificator operațional

Este ușor de observat că pentru a crea o astfel de schemă, nu a fost nevoie de un singur detaliu, cu excepția sistemului de operare în sine. Adevărat, cifra nu arată conexiunea de alimentare, dar o astfel de contur a schemelor se găsește foarte des. Singurul lucru pe care aș dori să-l remarc este că între bornele sursei de alimentare op-amp (de exemplu, pentru amperi KR140UD708, acestea sunt concluziile 7 și 4) și cablul comun ar trebui conectat condensatoare de blocare cu o capacitate de 0,01 ... 0,5 μF.

Scopul lor este de a face funcționarea amplificatorului operațional mai stabilă, de a scăpa de autoexcitația circuitului de-a lungul circuitelor de putere. Condensatoarele trebuie conectate cât mai aproape posibil la bornele de alimentare ale cipului. Uneori, un condensator este conectat pe baza unui grup de mai multe microcircuite. Aceiași condensatori pot fi văzuți pe plăci cu microcircuite digitale, scopul lor fiind același.

Câștigarea repetorului este egală cu unitatea sau, în alte cuvinte, nu există niciun câștig. Atunci de ce o astfel de schemă? Aici este destul de indicat să reamintim că există un circuit tranzistor - adept al emițătorului, al cărui scop principal este asocierea cascadelor cu diferite rezistențe de intrare. Cascade similare (repetatoare) se mai numesc tampon.

Rezistența de intrare a repetorului de pe amplificator op este calculată ca fiind produsul impedanței de intrare a opper-amperului prin câștigarea acestuia. De exemplu, pentru UD708 menționat, impedanța de intrare este de aproximativ 0,5 MΩ, câștigul este de cel puțin 30.000, și poate mai mult. Dacă multiplicați aceste numere, atunci impedanța de intrare este de 15 GΩ, ceea ce este comparabil cu rezistența unei izolații de foarte bună calitate, cum ar fi hârtia. Un rezultat atât de ridicat este puțin probabil să fie obținut cu un următor de emițător convențional.

Pentru ca descrierile să nu fie îndoieli, mai jos sunt figurile care arată funcționarea tuturor circuitelor descrise în programul-simulator Multisim. Desigur, toate aceste scheme pot fi asamblate pe panou, dar nu cele mai proaste rezultate pot fi obținute pe ecranul monitorului.

De fapt, este chiar puțin mai bine aici: nu trebuie să mergi undeva pe raft pentru a schimba rezistorul sau microcircuitul. Aici totul se află în program, chiar și instrumente de măsurare și „primește” folosind mouse-ul sau tastatura.

Figura 2 prezintă circuitele de repetare realizate în programul Multisim.

Figura 2

Studiul circuitului este destul de simplu. Un semnal sinusoidal cu o frecvență de 1 KHz și o amplitudine de 2 V este aplicat la intrarea repetorului din generatorul funcțional, așa cum se arată în figura 3.

Figura 3

Semnalul de la intrarea și ieșirea repetatorului este observat de osciloscop: semnalul de intrare este afișat de un fascicul albastru, fasciculul de ieșire este roșu.

Figura 4

Și de ce cititorul atent va întreba, este semnalul de ieșire (roșu) de două ori mai mare decât albastru de intrare? Totul este foarte simplu: cu aceeași sensibilitate a canalelor osciloscopului, ambele sinusoide cu aceeași amplitudine și fază se îmbină într-unul, se ascund unul după celălalt.

Pentru a le face pe ambele o dată, a trebuit să reducem sensibilitatea unuia dintre canale, în acest caz intrarea. Drept urmare, unda sinusoasă albastră a devenit exact jumătate din dimensiunea de pe ecran și a încetat să se ascundă în spatele celui roșu. Deși pentru a obține un astfel de rezultat, puteți schimba pur și simplu razele cu ajutorul comenzilor osciloscopului, lăsând sensibilitatea canalelor la fel.

Ambele sinusoide sunt localizate simetric în raport cu axa timpului, ceea ce indică faptul că componenta constantă a semnalului este egală cu zero. Și ce se va întâmpla dacă se adaugă o componentă DC mică la semnalul de intrare? Generatorul virtual vă permite să deplasați unda sinusoasă de-a lungul axei Y. Să încercăm să o mutăm în sus cu 500mV.

Figura 5

Ceea ce a ieșit din asta este prezentat în figura 6.

Figura 6

Se observă că sinusoidele de intrare și ieșire au crescut cu jumătate de volt, fără să se schimbe deloc. Acest lucru sugerează că repetentul a transmis cu exactitate componenta constantă a semnalului. Însă cel mai adesea încearcă să scape de această componentă constantă, să o facă egală cu zero, ceea ce evită utilizarea unor astfel de elemente de circuit ca condensatoare de izolare a nivelului intermediar.

Repetatorul este desigur bun și chiar frumos: nu au fost necesare detalii suplimentare (deși există circuite de repetare cu „adăugări” minore), dar nu au primit niciun câștig.Ce fel de amplificator este acesta? Pentru a obține un amplificator, trebuie doar să adăugați câteva detalii, cum să faceți acest lucru vor fi descrise mai târziu.

Amplificare inversă

Pentru a realiza un amplificator inversat din op-amper, este suficient să adăugați doar două rezistențe. Ceea ce a apărut este prezentat în figura 7.

Figura 7. Circuitul amplificatorului inversorului

Câștigarea unui astfel de amplificator este calculată după formula K = - (R2 / R1). Semnul minus nu înseamnă că amplificatorul s-a dovedit rău, ci doar că semnalul de ieșire va fi opus în fază față de intrare. Nu este de mirare că amplificatorul se numește inversare. Aici ar fi cazul să amintim tranzistorul conectat conform schemei cu OE. Tot acolo, semnalul de ieșire al colectorului tranzistorului este în faza cu semnalul de intrare aplicat la bază.

Aici merită să vă amintiți cât de mult efort trebuie să depuneți pentru a obține un sinusoid curat nedistorsionat pe colectorul tranzistorului. Este necesar să selectați în mod corespunzător prejudecata pe baza tranzistorului. Aceasta, de regulă, este destul de complicată, în funcție de mulți parametri.

Când folosiți un amplificator op, este suficient să calculați pur și simplu rezistența rezistențelor conform formulei și să obțineți un câștig dat. Se pare că configurarea unui circuit pe un amplificator op este mult mai simplă decât configurarea mai multor cascade de tranzistor. Prin urmare, nu ar trebui să vă fie teamă că schema nu va funcționa, nu va funcționa.

Figura 8

Aici totul este la fel ca în figurile anterioare: semnalul de intrare este afișat în albastru, este roșu după amplificator. Totul corespunde formulei K = - (R2 / R1). Semnalul de ieșire este în antifază cu intrarea (care corespunde semnului minus din formulă), iar amplitudinea semnalului de ieșire este exact de două ori mai mare decât intrarea. Ceea ce este valabil și cu raportul (R2 / R1) = (20/10) = 2. Pentru a obține câștigul, de exemplu, 10, este suficient să crești rezistența rezistenței R2 la 100KΩ.

De fapt, circuitul unui amplificator inversat poate fi ceva mai complicat, o astfel de opțiune este prezentată în figura 9.

Figura 9Invertirea circuitului amplificatorului

O nouă parte a apărut aici - rezistența R3 (mai degrabă, tocmai a dispărut din circuitul anterior). Scopul său este de a compensa curenții de intrare ai unui sistem de operare real, pentru a reduce instabilitatea temperaturii componentei CC la ieșire. Valoarea acestui rezistor este selectată după formula R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Opampe-urile moderne extrem de stabile permit conectarea intrării ne-inversoare la un fir comun direct fără rezistența R3. Deși prezența acestui element nu va face nimic rău, dar la scara actuală de producție, atunci când economisesc pe toate, preferă să nu instaleze acest rezistor.

Formulele pentru calculul amplificatorului invers sunt prezentate în figura 10. De ce în figură? Da, doar pentru claritate, într-o linie de text nu ar părea atât de familiar și de înțeles, nu ar fi atât de vizibile.

Figura 10

Despre câștig a fost menționat anterior. Aici sunt de remarcat rezistențele de intrare și ieșire ale unui amplificator care nu inversează. Totul pare clar cu rezistența de intrare: se dovedește a fi egal cu rezistența rezistenței R1, dar rezistența la ieșire va trebui să fie calculată conform formulei prezentate în figura 11.

Litera K ”indică coeficientul de referință al amplificatorului op. Aici, vă rog, calculați cu ce va fi egală impedanța de ieșire. Acesta se va dovedi a fi o cifră destul de mică, chiar și pentru un amplificator mediu de tip UD7 cu K ”egal cu cel mult 30 000. În acest caz, este bine: la urma urmei, cu cât rezistența la ieșire a cascadei este mai mică (acest lucru se aplică nu numai cascadelor de pe amperi), cu atât sarcina este mai puternică, în mod rezonabil Desigur, în limite, această cascadă poate fi conectată.

Ar trebui făcută o observație separată despre unitatea din numitorul formulei de calcul al rezistenței la ieșire. Să presupunem că raportul R2 / R1 este, de exemplu, 100. Acesta este raportul obținut în cazul câștigului amplificatorului de inversare 100.Se dovedește că dacă această unitate este aruncată, nimic nu se va schimba prea mult. De fapt, acest lucru nu este în întregime adevărat.

Presupunem că rezistența rezistorului R2 este zero, așa cum este cazul repetorului. Apoi, fără unitate, întregul numitor devine zero, iar rezistența de ieșire este de asemenea zero. Și dacă atunci acest zero este undeva în numitorul formulei, cum să ordonați să îl împărțiți? Prin urmare, este pur și simplu imposibil să scapi de această unitate aparent nesemnificativă.

Într-un articol, chiar suficient de mare, pur și simplu nu scrie. Prin urmare, veți avea tot ceea ce nu s-a potrivit să povestească în articolul următor. Va exista o descriere a unui amplificator neinvertitor, a unui amplificator diferențial, a unui amplificator unipolar. O descriere va fi, de asemenea, a circuitelor simple pentru verificarea opamp.

Boris Aladyshkin