Obvody operačních zesilovačů zpětné vazby

Opakovač a invertující zesilovač

Na konci článku „Ideální operační zesilovač“ Ukázalo se, že při použití operačního zesilovače v různých spínacích obvodech závisí zesílení kaskády na jediném operačním zesilovači (OA) pouze na hloubce zpětné vazby. Proto ve vzorcích pro stanovení zisku konkrétního obvodu se zisk „holého“ operačního zesilovače nepoužívá. To je právě ten obrovský koeficient, který je uveden v adresářích.

Pak je docela vhodné položit otázku: „Pokud konečný výsledek (zisk) nezávisí na tomto obrovském„ referenčním “koeficientu, jaký je rozdíl mezi operační zesilovačem se zesílením několik tisíckrát a se stejným zesilovačem, ale se zesílením několik set tisíc a dokonce miliony? “

Odpověď je docela jednoduchá. V obou případech bude výsledek stejný, kaskádový zisk bude určen prvky OOS, ale ve druhém případě (operační zesilovač s vysokým ziskem) obvod pracuje stabilněji, přesněji, rychlost takových obvodů je mnohem vyšší. Z dobrého důvodu jsou operační zesilovače rozděleny na operační zesilovače obecné aplikace a vysoce přesné, přesné.

Jak již bylo zmíněno, dotyčné „operační“ zesilovače byly přijaty v té době, kdy byly používány hlavně k provádění matematických operací v analogových počítačích (AVM). Jednalo se o operace sčítání, odčítání, násobení, dělení, umocňování a mnoho dalších funkcí.

Tyto antediluvianské operační zesilovače byly prováděny na elektronových zkumavkách, později na diskrétních tranzistorech a dalších rádiových komponentách. Rozměry dokonce tranzistorových operačních zesilovačů byly přirozeně dostatečně velké, aby mohly být použity v amatérských konstrukcích.

A teprve poté, co se díky úspěchům integrované elektroniky, operační zesilovače staly velikostí běžného nízkoenergetického tranzistoru, bylo použití těchto částí ve vybavení domácnosti a amatérských obvodech opodstatněné.

Mimochodem, moderní operační zesilovače, dokonce i poměrně vysoké kvality, za cenu o něco vyšší než dva nebo tři tranzistory. Toto prohlášení se vztahuje na operační zesilovače pro všeobecné použití. Přesné zesilovače mohou stát trochu víc.

Pokud jde o obvody na operačním zesilovači, vyplatí se okamžitě poznamenat, že všechny jsou napájeny z bipolárního zdroje energie. Takový režim je nejběžnějším pro operační zesilovač, který umožňuje zesilovat nejen signály střídavého napětí, například sinusoid, ale také signály stejnosměrného proudu nebo jednoduše napětí.

A přesto, docela často, napájení obvodů na operačním zesilovači je vyrobeno z unipolárního zdroje. Je pravda, že v tomto případě není možné zvýšit konstantní napětí. Často se však stává, že to prostě není nutné. Obvody s unipolárním napájením budou popsány později, ale prozatím budeme pokračovat ve schématech pro zapnutí operačního zesilovače s bipolárním napájením.

Napájecí napětí většiny operačních zesilovačů je nejčastěji v rozmezí ± 15 V. To ale vůbec neznamená, že toto napětí nemůže být poněkud nižší (vyšší se nedoporučuje). Mnoho operačních zesilovačů pracuje velmi stabilně od ± 3 V a některé modely dokonce ± 1,5 V. Taková možnost je uvedena v technické dokumentaci (DataSheet).

Napěťový sledovač

Je to nejjednodušší zařízení z hlediska obvodů na operačním zesilovači, jeho obvod je znázorněn na obrázku 1.

Obrázek 1. Obvod sledující napětí na operačním zesilovači

Je snadné vidět, že k vytvoření takového schématu nebylo zapotřebí jediného detailu, s výjimkou samotného operačního systému. Pravda, obrázek neukazuje energetické připojení, ale takový přehled schémat se vyskytuje velmi často. Jediné, co bych chtěl poznamenat, je, že mezi terminály napájecího zdroje operačního zesilovače (například pro operační zesilovač KR140UD708 jsou to závěry 7 a 4) a měl by být připojen společný vodič. blokovací kondenzátory s kapacitou 0,01 ... 0,5 μF.

Jejich účelem je, aby se operace operačního zesilovače stala stabilnější, aby se zbavilo samo-buzení obvodu podél výkonových obvodů. Kondenzátory by měly být připojeny co nejblíže výkonovým svorkám čipu. Někdy je jeden kondenzátor připojen na základě skupiny několika mikroobvodů. Stejné kondenzátory lze vidět na deskách s digitálními mikroobvody, jejich účel je stejný.

Zisk opakovače se rovná jednotě nebo, jinak řečeno, není ani zisk. Tak proč takový systém? Zde je docela vhodné připomenout, že existuje tranzistorový obvod - sledovač emitorů, jehož hlavním účelem je přizpůsobování kaskád s různými vstupními odpory. Podobné kaskády (opakovače) se také nazývají vyrovnávací paměť.

Vstupní odpor opakovače na operačním zesilovači se vypočte jako součin vstupní impedance operačního zesilovače jeho ziskem. Například pro zmíněný UD708 je vstupní impedance přibližně 0,5 MΩ, zisk je alespoň 30 000 a možná více. Pokud tato čísla znásobíte, bude vstupní impedance 15 GΩ, což je srovnatelné s odporem ne vysoce kvalitní izolace, jako je papír. Takového vysokého výsledku se pravděpodobně nedosáhne u konvenčního emitorového sledovače.

Aby popisy nebyly pochybné, níže jsou obrázky znázorňující činnost všech obvodů popsaných v programovém simulátoru Multisim. Všechna tato schémata lze samozřejmě sestavit na prkénko, ale nejhorší výsledky lze získat na obrazovce monitoru.

Ve skutečnosti je to tady ještě o něco lepší: nemusíte jít někam na polici, abyste vyměnili odpor nebo mikroobvod. Zde je vše, dokonce i měřicí přístroje, v programu a „získává“ pomocí myši nebo klávesnice.

Obrázek 2 ukazuje obvody opakovače vytvořené v programu Multisim.

Obrázek 2

Studium okruhu je celkem jednoduché. Sinusový signál s frekvencí 1 kHz a amplitudou 2 V se přivede na vstup opakovače z funkčního generátoru, jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3

Signál na vstupu a na výstupu opakovače je pozorován osciloskopem: vstupní signál je zobrazen modrým paprskem, výstupní paprsek je červený.

Obrázek 4

A proč se pozorný čtenář zeptá, je výstupní (červený) signál dvakrát tak velký jako vstupní modrý? Všechno je velmi jednoduché: se stejnou citlivostí kanálů osciloskopu se oba sinusoidy se stejnou amplitudou a fází spojují do jednoho, schovávají se za sebou.

Abychom oba mohli rozeznat najednou, museli jsme snížit citlivost jednoho z kanálů, v tomto případě vstupu. Výsledkem bylo, že modrá sinusová vlna se na obrazovce přesně zmenšila na polovinu a přestala se skrývat za červenou. Ačkoli k dosažení tohoto výsledku můžete paprsky jednoduše posunout pomocí ovládacích prvků osciloskopu, přičemž citlivost kanálů zůstane stejná.

Oba sinusoidy jsou umístěny symetricky vzhledem k časové ose, což ukazuje, že konstantní složka signálu je rovna nule. A co se stane, když se ke vstupnímu signálu přidá malá stejnosměrná složka? Virtuální generátor vám umožní posunout sinusovou vlnu podél osy Y. Zkusme ji posunout nahoru o 500 mV.

Obrázek 5

Co z toho vyplynulo, je znázorněno na obrázku 6.

Obrázek 6

Je patrné, že vstupní a výstupní sinusoidy vzrostly o půl voltu, aniž by se vůbec změnily. To naznačuje, že opakovač přesně přenášel konstantní složku signálu. Nejčastěji se však snaží zbavit této konstantní složky, učinit ji rovnou nule, což zabraňuje použití takových obvodových prvků jako mezistupňových izolačních kondenzátorů.

Opakovač je samozřejmě dobrý a dokonce krásný: nebyly potřeba žádné další podrobnosti (ačkoli existují opakovací obvody s malými „dodatky“), ale nezískaly žádný zisk.Co je to za zesilovač? Chcete-li získat zesilovač, stačí přidat několik podrobností, jak to bude popsáno dále.

Invertující zesilovač

Aby se z operačního zesilovače vytvořil invertující zesilovač, stačí přidat pouze dva odpory. Co z toho vyplynulo, je znázorněno na obrázku 7.

Obrázek 7. Obvod zesilovače střídače

Zisk takového zesilovače se vypočítá podle vzorce K = - (R2 / R1). Znaménko mínus neznamená, že zesilovač dopadl špatně, ale pouze to, že výstupní signál bude ve fázi opačný vůči vstupu. Není divu, že se zesilovač nazývá invertující. Zde by bylo vhodné připomenout tranzistor zahrnutý v schématu s OE. Také zde je výstupní signál na kolektoru tranzistoru v antifázi se vstupním signálem dodávaným do základny.

Zde stojí za to si pamatovat, kolik úsilí musíte vynaložit, abyste získali čistý neskreslený sinusoid na kolektoru tranzistoru. Je nutné odpovídajícím způsobem vybrat předpětí na základě tranzistoru. To je zpravidla poměrně složité v závislosti na mnoha parametrech.

Při použití operačního zesilovače stačí jednoduše vypočítat odpor rezistorů podle vzorce a získat daný zisk. Ukázalo se, že nastavení obvodu na operačním zesilovači je mnohem jednodušší než nastavení několika tranzistorových kaskád. Proto by se člověk neměl bát, že systém nebude fungovat, nebude fungovat.

Obrázek 8

Zde je vše stejné jako na předchozích obrázcích: vstupní signál je zobrazen modře, po zesilovači je červený. Vše odpovídá vzorci K = - (R2 / R1). Výstupní signál je v antifázi se vstupem (což odpovídá znaménku minus ve vzorci) a amplituda výstupního signálu je přesně dvojnásobkem vstupu. To platí také pro poměr (R2 / R1) = (20/10) = 2. Pro zisk například 10, stačí zvýšit odpor rezistoru R2 na 100 kΩ.

Ve skutečnosti může být obvod invertujícího zesilovače poněkud komplikovanější, taková možnost je znázorněna na obrázku 9.

Obrázek 9Invertující obvod zesilovače

Objevila se nová část - rezistor R3 (spíše zmizel z předchozího obvodu). Jeho účelem je kompenzovat vstupní proudy skutečného zesilovače, aby se snížila nestabilita teploty DC komponenty na výstupu. Hodnota tohoto rezistoru je zvolena vzorcem R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Moderní vysoce stabilní operační zesilovače umožňují připojení neinvertujícího vstupu ke společnému drátu přímo bez rezistoru R3. Přestože přítomnost tohoto prvku neudělá nic špatného, ​​ale při současném měřítku výroby, když šetří na všechno, raději neinstalují tento odpor.

Vzorce pro výpočet invertujícího zesilovače jsou uvedeny na obrázku 10. Proč na obrázku? Ano, jen kvůli srozumitelnosti, v řádku textu by nevypadali tak dobře a srozumitelně, nebyli by tak znatelní.

Obrázek 10

O zisku bylo zmíněno dříve. Zde jsou pozoruhodné vstupní a výstupní odpory neinvertujícího zesilovače. Se vstupním odporem se zdá být vše jasné: ukázalo se, že se rovná odporu rezistoru R1, ale výstupní odpor bude muset být vypočten podle vzorce znázorněného na obrázku 11.

Písmeno K 'označuje referenční koeficient operačního zesilovače. Zde prosím vypočtěte, jaká bude výstupní impedance. Ukázalo se, že jde o poměrně malou hodnotu, a to i pro průměrný operační zesilovač typu UD7 s jeho K “rovným ne více než 30 000. V tomto případě je to dobré: konec konců, čím nižší je výstupní odpor kaskády (to platí nejen pro kaskády na operačním zesilovači), tím výkonnější je zatížení, v rozumných , samozřejmě, v mezích, může být tato kaskáda spojena.

Samostatná poznámka by měla být učiněna o jednotce ve jmenovateli vzorce pro výpočet výstupního odporu. Předpokládejme, že poměr R2 / R1 je například 100. Toto je poměr získaný v případě zisku invertujícího zesilovače 100.Ukazuje se, že pokud je tato jednotka zahozena, nic se příliš nezmění. Ve skutečnosti to není úplně pravda.

Předpokládejme, že odpor rezistoru R2 je nulový, jako v případě opakovače. Poté, bez jednoty, se celý jmenovatel stane nulovým a výstupní odpor je také nulový. A pokud se potom tato nula objeví někde ve jmenovateli vzorce, jak nařídíte její rozdělení? Proto je prostě nemožné zbavit se této zdánlivě nevýznamné jednotky.

V jednom článku, i když dostatečně velký, prostě nepíšete. Proto budete mít vše, co se nehodí říct v následujícím článku. Bude popsán neinvertující zesilovač, diferenciální zesilovač, unipolární výkonový zesilovač. Popisuje se také jednoduchý obvod pro kontrolu operační zesilovače.

Boris Aladyshkin