Amplificateurs opérationnels. Partie 2. L'amplificateur opérationnel parfait

Pour mieux comprendre les principes de construction de circuits utilisant des amplificateurs opérationnels, ils utilisent souvent le concept d'amplificateur opérationnel idéal. Quelle est son idéalité, ses merveilleuses propriétés? Il n'y en a pas tellement, mais ils tendent tous vers zéro, voire vers l'infini. Mais se comporte comme ça amplificateur opérationnel non couvert par le feedback (OS) et n'ayant généralement aucune connexion externe.

Dans cet article, nous allons essayer de parler de rétroaction et de certains schémas pour inclure des amplificateurs opérationnels sans mentionner de formules mathématiques encombrantes avec des intégrales. Mais certains, assez simples et compréhensibles, au niveau de la huitième année de l'école, qui aideront à comprendre le sens général, ne peuvent toujours pas être évités.

Gain

Avec un tel gain "rampant", il suffit d'appliquer seulement quelques microvolts à ses entrées (par exemple, des interférences secteur) pour obtenir une tension de sortie proche de 15V. Cet état indique la saturation de la sortie.

Il convient de rappeler le même état dans les transistors. Naturellement, sous cette forme, aucun gain n'est obtenu du tout. Par conséquent, les amplificateurs opérationnels réels sont toujours couverts par une rétroaction négative, qui sera discutée ci-dessous.

Bien qu'il soit à noter que très souvent, les amplificateurs opérationnels sont utilisés sans rétroaction, et dans certains cas avec rétroaction positive. Cette application se trouve dans comparateurs - appareils pour une comparaison précise des signaux analogiques. Les comparateurs sont disponibles sous forme de microcircuits spécialisés et font également partie d'autres microcircuits. N'oubliez pas le légendaire minuterie intégrée NE555, qui contient en lui-même deux comparateurs.

Histoire presque récente

À une époque, l'industrie électronique nationale maîtrisait également la production d'amplificateurs opérationnels. Le premier amplificateur opérationnel était le K1UT401A (B), renommé par la suite K140UD1 avec les mêmes lettres à la fin. Donc, étant une copie presque exacte du frère américain UA702, l'analogue avec la lettre A à une tension d'alimentation de ± 6V avait un gain dans la plage de 500 ... 4500, et avec la lettre B (± 12V) 1500 ... 13000.

Selon les normes modernes, c'est tout simplement ridicule, mais, néanmoins, ces amplificateurs archaïques peuvent toujours être trouvés. Mais même avec un tel "petit" gain, il était impossible de se passer de rétroaction négative.

Et juste l'apparition d'amplificateurs opérationnels dans la conception intégrée a introduit ce composant universel dans les circuits industriels, domestiques et amateurs. Après tout, vous devez admettre qu'un amplificateur opérationnel avec des tubes électroniques ou même une option de transistor, sauf dans les AVM de défense, ne pouvait pas être utilisé.

Entrées et sorties des amplificateurs opérationnels

L'amplificateur opérationnel a deux entrées et une sortie et, bien sûr, deux sorties pour l'alimentation en tension. Il s'agit de l'ensemble minimal de conclusions qui est vital. C'est exactement comme cela avec la plupart des amplificateurs opérationnels modernes. Une fois, il y avait des conclusions pour connecter les éléments de correction de fréquence et d'équilibrage.

La nourriture est le plus souvent bipolaire avec un point médian, ce qui permet de réaliser une amplification par tension constante. Dans ce cas, il est généralement admis que la gamme de fréquences des amplificateurs opérationnels commence à 0 Hz, et la fréquence supérieure est limitée à la fois par le type d'amplificateur opérationnel lui-même, son circuit interne et le type de transistors, et son circuit de commutation.

La bande passante d'un amplificateur opérationnel idéal s'étend du courant continu à l'infini.De plus, la vitesse ou la vitesse de balayage du signal de sortie tend à l'infini. Mais nous ne considérerons pas cette question pour l'instant.

Ce qui améliore l'amplificateur opérationnel

La tension de sortie de l'amplificateur opérationnel est proportionnelle à la différence de tension à ses entrées. Dans ce cas, le niveau absolu des signaux, ainsi que leur polarité, ne jouent pas un rôle particulier. Seule la différence compte. Et puisque tous les termes en électronique proviennent de la langue anglaise, il est temps de se souvenir du mot «différent», qui signifie hétérogène, différence (le dictionnaire «Multitran»), et les amplificateurs de ce principe de fonctionnement sont appelés différentiels.

Ce qui n'amplifie pas l'amplificateur opérationnel

Ici, nous pouvons également rappeler une merveilleuse propriété des amplificateurs opérationnels comme l'atténuation d'un signal en mode commun: si le même signal est appliqué aux deux entrées, il ne sera pas amplifié. Ceci est utilisé lors de l'application d'un signal sur de longs fils: le signal utile a une phase différente, tandis que le signal d'interférence aux deux entrées est le même.

Que peut-on obtenir à la sortie de l'amplificateur opérationnel

L'impédance de sortie d'un amplificateur opérationnel idéal tend à zéro, ce qui vous permet théoriquement d'obtenir un signal arbitrairement grand et juste infini à la sortie. En fait, la tension de sortie d'un véritable amplificateur opérationnel est limitée par la tension des sources d'alimentation: si une tension d'alimentation bipolaire, par exemple ± 15 V, il est tout simplement impossible d'obtenir +20 ou -25 à la sortie.

Il s'agit de l'amplification de tensions constantes. Dans le cas d'une amplification, par exemple, une sinusoïde en sortie, il faut également obtenir une sinusoïde dont l'amplitude ne dépasse pas la tension d'alimentation.

Les tensions d'entrée et de sortie ne peuvent pas être supérieures à la tension des sources d'alimentation. Par exemple, lorsqu'elle est alimentée par ± 15 V, la tension de sortie est inférieure de 0,5 à 1,5 V. Mais certains microcircuits modernes permettent d'obtenir une tension d'alimentation égale à la sortie et à l'entrée. Cette propriété dans les fiches techniques est appelée Rail-to-Rail, littéralement «pneu à pneu». Lors du choix d'un amplificateur opérationnel, vous devez faire attention à cette propriété.

Impédance d'entrée

L'impédance d'entrée des deux entrées de l'amplificateur opérationnel est très grande et se situe à des centaines de mégohms, et dans certains cas même à GigaOhm. A titre de comparaison: le K1UT401 susmentionné avait une impédance d'entrée de seulement quelques dizaines de kOhm.

L'impédance d'entrée, bien sûr, n'atteint pas l'infini, comme un amplificateur opérationnel idéal, mais elle est toujours si grande qu'elle n'affecte pas les niveaux du signal d'entrée. Nous pouvons en conclure qu'aucun courant ne circule dans les entrées. C'est l'un des grands principes utilisés dans le calcul et l'analyse des circuits sur amplificateurs opérationnels. Pour l'instant, il vous suffit de vous en souvenir.

La dernière affirmation concerne directement les amplificateurs opérationnels. Une telle impédance d'entrée élevée est inhérente aux amplificateurs opérationnels eux-mêmes, mais l'impédance d'entrée de divers circuits basés sur elle peut être beaucoup plus faible. Il faut toujours se souvenir de cette circonstance. Et maintenant, soyez prudent, l'histoire commence sur la chose la plus importante.

Rétroaction négative (OOS)

OOS n'est rien d'autre qu'une connexion entre la sortie et l'entrée, dans laquelle une partie de la sortie est soustraite du signal d'entrée. Une telle connexion entraîne une diminution du gain. Contrairement à OOS, il existe une rétroaction positive (POS), qui résume à l'inverse le signal d'entrée avec une partie de la sortie. De telles connexions sont utilisées non seulement dans la technologie électronique, mais dans de nombreux autres cas, par exemple, en mécanique. L'effet de ces rétroactions peut être caractérisé comme suit: OOS conduit à la stabilité du système, positif conduit à son instabilité.

Par rapport aux amplificateurs opérationnels en question, l'OOS vous permet de régler le gain avec une précision suffisante, et conduit également à de nombreuses améliorations plus qualitatives et même agréables du circuit. Mais vous devez d'abord comprendre comment fonctionne l'OOS.À titre d'exemple, considérons un circuit qui peut être trouvé dans n'importe quel manuel sur l'automatisation.

Figure 1

Sortie de signal de sortie U Ignal. de la sortie, il passe au sommateur (un cercle avec un signe plus à l'intérieur) à travers le circuit OOS avec le coefficient de transfert β, dans ce cas, inférieur à un. Si ce coefficient est rendu supérieur à l'unité, ce qui est techniquement possible, alors au lieu d'amplifier le signal, on obtient son atténuation. Mais pour l'instant, nous supposerons que nous avons besoin précisément de renforcement.

La falaise OOS n'est qu'un accident

Si vous rompez la boucle de rétroaction, la tension à la sortie de l'amplificateur opérationnel sera U.out. = K * U.in. Valeur théorique énorme. En fait, elle sera limitée par l'amplitude de la tension d'alimentation. Cela a déjà été dit plus tôt. Un exemple similaire: s'il s'agit d'un moteur électrique avec stabilisation des révolutions (également rétroaction), il accélérera simplement autant que possible. Dans ce cas, ils disent que le système a été "colporté".

En passant par le circuit du circuit OOS, le signal de sortie est atténué par la sortie β * U. Par conséquent, seul (U.in.-β * U.out.) Arrive à l'entrée de l'amplificateur via l'additionneur. Le signe moins indique que la rétroaction est négative. Après avoir traversé l'appareil avec un gain K, la sortie sera U.output = K * (U.in.-β * U.out.). À son tour, le gain de l'ensemble du système K.us. = U.out./U.in. et il s'avère que U.out. = K *

Après quelques transformations, on peut obtenir le résultat suivant: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Toutes ces transformations ont conduit à la formule simple K.us. = K / (1+ K * β). Si nous supposons que K in est suffisamment grand (et dans le cas de l'utilisation d'un amplificateur opérationnel, c'est vraiment le cas), alors l'unité entre parenthèses ne fera pas beaucoup de temps, elle peut être jetée, à la suite de quoi la formule prendra la forme suivante:

K.us. = 1 / β

La formule résultante (qui, en fait, était la raison pour laquelle la clôture entière des formules a été mise en commun) nous permet d'affirmer que le coefficient de transfert de l'amplificateur opérationnel dans le circuit de rétroaction ne dépend en aucune façon du gain de l'amplificateur opérationnel lui-même, mais est déterminé uniquement par les paramètres du circuit de rétroaction , son coefficient de transmission β. Mais, néanmoins, plus le gain de l'amplificateur opérationnel lui-même est élevé, plus la formule spécifiée est précise, plus le circuit fonctionne correctement.

Par conséquent, les cascades d'amplification sur les amplificateurs opérationnels ne nécessitent pas de réglage, comme les cascades de transistors habituelles: les résistances de rétroaction calculées, soudées, ont obtenu le gain en cascade requis. La procédure à suivre sera décrite dans le prochain article.