Circuits d'amplification opérationnelle à rétroaction

Répéteur et amplificateur inverseur

A la fin de l'article «L'amplificateur opérationnel idéal» Il a été démontré que lors de l'utilisation d'un amplificateur opérationnel dans divers circuits de commutation, l'amplification de la cascade sur un seul amplificateur opérationnel (OA) ne dépend que de la profondeur de la rétroaction. Par conséquent, dans les formules permettant de déterminer le gain d'un circuit particulier, le gain de l'ampli-op «nu», pour ainsi dire, n'est pas utilisé. C'est juste cet énorme coefficient qui est spécifié dans les répertoires.

Ensuite, il est tout à fait approprié de se poser la question: "Si le résultat final (gain) ne dépend pas de cet énorme coefficient de" référence ", alors quelle est la différence entre le ampli op avec une amplification plusieurs milliers de fois, et avec le même opamp, mais avec une amplification plusieurs centaines de milliers et même des millions? "

La réponse est assez simple. Dans les deux cas, le résultat sera le même, le gain en cascade sera déterminé par les éléments OOS, mais dans le second cas (ampli op à gain élevé), le circuit fonctionne de manière plus stable, plus précisément, la vitesse de ces circuits est beaucoup plus élevée. Pour une bonne raison, les amplis op sont divisés en amplis op d'application générale et de haute précision.

Comme déjà mentionné, les amplificateurs «opérationnels» en question ont été reçus à cette époque lointaine, lorsqu'ils étaient principalement utilisés pour effectuer des opérations mathématiques dans des ordinateurs analogiques (AVM). Il s'agissait d'opérations d'addition, de soustraction, de multiplication, de division, d'équerrage et de nombreuses autres fonctions.

Ces amplificateurs opérationnels antédiluviens ont été réalisés sur des tubes électroniques, puis sur des transistors discrets et d'autres composants radio. Naturellement, les dimensions des amplificateurs opérationnels à transistor, même étaient suffisamment grandes pour être utilisées dans les constructions amateurs.

Et seulement après, grâce aux réalisations de l'électronique intégrée, les amplificateurs opérationnels sont devenus la taille d'un transistor ordinaire de faible puissance, l'utilisation de ces pièces dans les équipements domestiques et les circuits amateurs s'est justifiée.

Soit dit en passant, des amplificateurs opérationnels modernes, même de qualité assez élevée, à un prix pas beaucoup plus élevé que deux ou trois transistors. Cette déclaration s'applique aux amplis op à usage général. Les amplificateurs de précision peuvent coûter un peu plus cher.

En ce qui concerne les circuits de l'ampli-op, il convient de noter immédiatement qu'ils sont tous alimentés par une source d'alimentation bipolaire. Un tel mode est le plus "habituel" pour un ampli-op, ce qui permet d'amplifier non seulement les signaux de tension alternative, par exemple une sinusoïde, mais aussi les signaux continus ou simplement la tension.

Et pourtant, bien souvent, l'alimentation des circuits de l'ampli-op est réalisée à partir d'une source unipolaire. Certes, dans ce cas, il n'est pas possible d'augmenter la tension constante. Mais il arrive souvent que ce ne soit tout simplement pas nécessaire. Les circuits avec alimentation unipolaire seront décrits plus loin, mais pour l'instant nous allons continuer sur les schémas de mise sous tension de l'ampli-op avec alimentation bipolaire.

La tension d'alimentation de la plupart des amplificateurs opérationnels se situe le plus souvent à ± 15V. Mais cela ne signifie pas du tout que cette tension ne peut pas être abaissée quelque peu (une augmentation n'est pas recommandée). De nombreux amplificateurs opérationnels fonctionnent de manière très stable à partir de ± 3V, et certains modèles atteignent même ± 1,5V. Une telle possibilité est indiquée dans la documentation technique (DataSheet).

Suiveur de tension

C'est l'appareil le plus simple en termes de circuits sur un ampli-op; son circuit est illustré à la figure 1.

Figure 1. Circuit suiveur de tension sur un amplificateur opérationnel

Il est facile de voir que pour créer un tel schéma, aucun détail n'était nécessaire, à l'exception du système d'exploitation lui-même. Certes, la figure ne montre pas la connexion électrique, mais un tel aperçu des schémas se trouve très souvent. La seule chose que je voudrais noter est qu'entre les bornes de l'alimentation de l'ampli op (par exemple, pour l'ampli op KR140UD708, ce sont les conclusions 7 et 4) et le fil commun doit être connecté condensateurs de blocage avec une capacité de 0,01 ... 0,5 μF.

Leur but est de rendre le fonctionnement de l'ampli op plus stable, de se débarrasser de l'auto-excitation du circuit le long des circuits de puissance. Les condensateurs doivent être connectés aussi près que possible des bornes d'alimentation de la puce. Parfois, un condensateur est connecté sur la base d'un groupe de plusieurs microcircuits. Les mêmes condensateurs peuvent être vus sur des cartes à microcircuits numériques, leur fonction est la même.

Le gain du répéteur est égal à l'unité ou, pour le dire autrement, il n'y a pas de gain non plus. Alors pourquoi un tel schéma? Ici, il est tout à fait approprié de rappeler qu'il existe un circuit à transistors - un émetteur suiveur, dont le but principal est l'adaptation de cascades avec différentes résistances d'entrée. Des cascades similaires (répéteurs) sont également appelées tampon.

La résistance d'entrée du répéteur sur l'ampli-op est calculée comme le produit de l'impédance d'entrée de l'ampli-op par son gain. Par exemple, pour l'UD708 mentionné, l'impédance d'entrée est d'environ 0,5 MΩ, le gain est d'au moins 30 000, et peut-être plus. Si vous multipliez ces nombres, alors l'impédance d'entrée est de 15 GΩ, ce qui est comparable à la résistance d'une isolation de très mauvaise qualité, comme le papier. Il est peu probable qu'un résultat aussi élevé soit atteint avec un émetteur suiveur conventionnel.

Pour que les descriptions ne soient pas mises en doute, voici les figures montrant le fonctionnement de tous les circuits décrits dans le programme-simulateur Multisim. Bien sûr, tous ces schémas peuvent être assemblés sur une maquette, mais les pires résultats ne peuvent pas être obtenus sur l'écran du moniteur.

En fait, c'est encore un peu mieux ici: vous n'avez pas besoin d'aller quelque part sur l'étagère pour changer la résistance ou le microcircuit. Ici, tout, même les instruments de mesure, est au programme, et «obtient» à l'aide de la souris ou du clavier.

La figure 2 montre les circuits du répéteur réalisés dans le programme Multisim.

Figure 2

L'étude du circuit est assez simple. Un signal sinusoïdal avec une fréquence de 1 KHz et une amplitude de 2 V est appliqué à l'entrée du répéteur du générateur fonctionnel, comme le montre la figure 3.

Figure 3

L'oscilloscope observe le signal en entrée et en sortie du répéteur: le signal d'entrée est affiché par un faisceau bleu, le faisceau de sortie est rouge.

Figure 4

Et pourquoi, demandera le lecteur attentif, le signal de sortie (rouge) est-il deux fois plus grand que le bleu d'entrée? Tout est très simple: avec la même sensibilité des canaux de l'oscilloscope, les deux sinusoïdes de même amplitude et de même phase fusionnent en une seule, se cachent l'une derrière l'autre.

Pour distinguer les deux à la fois, nous avons dû réduire la sensibilité de l'un des canaux, en l'occurrence l'entrée. En conséquence, l'onde sinusoïdale bleue est devenue exactement la moitié de la taille de l'écran et a cessé de se cacher derrière la rouge. Bien que pour obtenir un tel résultat, vous pouvez simplement décaler les rayons avec les commandes de l'oscilloscope, en laissant la sensibilité des canaux la même.

Les deux sinusoïdes sont situées symétriquement par rapport à l'axe du temps, ce qui indique que la composante constante du signal est égale à zéro. Et que se passera-t-il si un petit composant CC est ajouté au signal d'entrée? Le générateur virtuel vous permet de décaler l'onde sinusoïdale le long de l'axe Y. Essayons de la décaler vers le haut de 500 mV.

Figure 5

Ce qui en est ressorti est illustré à la figure 6.

Figure 6

Il est à noter que les sinusoïdes d'entrée et de sortie ont augmenté d'un demi-volt, sans changer du tout. Cela suggère que le répéteur a transmis avec précision la composante constante du signal. Mais le plus souvent, ils essaient de se débarrasser de cette composante constante, de la rendre égale à zéro, ce qui évite l'utilisation de tels éléments de circuit comme condensateurs d'isolement interétage.

Le répéteur est, bien sûr, bon et même beau: aucun détail supplémentaire n'était nécessaire (bien qu'il existe des circuits répéteurs avec des «ajouts» mineurs), mais ils n'ont reçu aucun gain.De quel type d'amplificateur s'agit-il? Pour obtenir un amplificateur, ajoutez simplement quelques détails, comment cela sera décrit plus tard.

Amplificateur inverseur

Pour faire un amplificateur inverseur à partir de l'ampli-op, il suffit d'ajouter seulement deux résistances. Ce qui en est ressorti est illustré à la figure 7.

Figure 7. Circuit amplificateur de l'onduleur

Le gain d'un tel amplificateur est calculé par la formule K = - (R2 / R1). Le signe moins ne signifie pas que l'amplificateur s'est avéré mauvais, mais seulement que le signal de sortie sera opposé en phase à l'entrée. Pas étonnant que l'amplificateur soit appelé inversion. Ici, il conviendrait de rappeler le transistor inclus dans le schéma avec OE. Là aussi, le signal de sortie sur le collecteur du transistor est déphasé avec le signal d'entrée appliqué à la base.

C'est là qu'il convient de se rappeler combien d'efforts devront être déployés pour obtenir une sinusoïde pure et sans distorsion sur le collecteur du transistor. Il est nécessaire de sélectionner la polarisation en fonction du transistor en conséquence. Ceci, en règle générale, est assez compliqué, en fonction de nombreux paramètres.

Lors de l'utilisation d'un ampli op, il suffit de calculer simplement la résistance des résistances selon la formule et d'obtenir un gain donné. Il s'avère que la configuration d'un circuit sur un ampli-op est beaucoup plus simple que la configuration de plusieurs cascades de transistors. Par conséquent, il ne faut pas avoir peur que le régime ne fonctionne pas, il ne fonctionnera pas.

Figure 8

Ici, tout est le même que sur les figures précédentes: le signal d'entrée est affiché en bleu, il est rouge après l'amplificateur. Tout correspond à la formule K = - (R2 / R1). Le signal de sortie est en opposition de phase avec l'entrée (qui correspond au signe moins dans la formule), et l'amplitude du signal de sortie est exactement deux fois l'entrée. Ce qui est également vrai avec le rapport (R2 / R1) = (20/10) = 2. Pour faire le gain, par exemple 10, il suffit d'augmenter la résistance de la résistance R2 à 100KΩ.

En fait, le circuit d'un amplificateur inverseur peut être un peu plus compliqué, une telle option est illustrée à la figure 9.

Figure 9Circuit amplificateur inverseur

Une nouvelle partie est apparue ici - la résistance R3 (plutôt, elle a juste disparu du circuit précédent). Son but est de compenser les courants d'entrée d'un OS réel afin de réduire l'instabilité en température du composant DC en sortie. La valeur de cette résistance est sélectionnée par la formule R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Les amplificateurs opérationnels très stables modernes permettent de connecter l'entrée non inverseuse à un fil commun directement sans résistance R3. Bien que la présence de cet élément ne fasse rien de mal, mais à l'échelle de production actuelle, quand ils économisent tout, ils préfèrent ne pas installer cette résistance.

Les formules de calcul de l'amplificateur inverseur sont présentées dans la figure 10. Pourquoi sur la figure? Oui, juste pour plus de clarté, dans une ligne de texte, ils n'auraient pas l'air si familiers et compréhensibles, ne seraient pas si visibles.

Figure 10

Le gain a été mentionné plus tôt. Ici, les résistances d'entrée et de sortie d'un amplificateur non inverseur sont à noter. Tout semble clair avec la résistance d'entrée: elle se révèle être égale à la résistance de la résistance R1, mais la résistance de sortie devra être calculée selon la formule montrée sur la figure 11.

La lettre K "indique le coefficient de référence de l'ampli-op. Ici, calculez à quoi l'impédance de sortie sera égale. Il se révélera être un chiffre assez petit, même pour un ampli-op moyen de type UD7 avec son K "égal à pas plus de 30 000. Dans ce cas, c'est bien: après tout, plus la résistance de sortie de la cascade est faible (cela ne s'applique pas seulement aux cascades sur l'ampli-op), plus la charge est puissante, dans des limites raisonnables , bien sûr, dans certaines limites, cette cascade peut être connectée.

Une remarque distincte doit être faite à propos de l'unité dans le dénominateur de la formule de calcul de la résistance de sortie. Supposons que le rapport R2 / R1 soit par exemple de 100. C'est le rapport obtenu dans le cas du gain de l'amplificateur inverseur 100.Il s'avère que si cette unité est jetée, alors rien ne changera beaucoup. En fait, ce n'est pas entièrement vrai.

Supposons que la résistance de la résistance R2 soit nulle, comme dans le cas d'un répéteur. Ensuite, sans unité, le dénominateur entier devient nul et la résistance de sortie est également nulle. Et si alors ce zéro apparaît quelque part dans le dénominateur de la formule, comment ordonnez-vous de le diviser? Par conséquent, il est tout simplement impossible de se débarrasser de cette unité apparemment insignifiante.

Dans un article, même assez grand, n'écrivez tout simplement pas. Par conséquent, vous aurez tout ce qui ne convenait pas à dire dans le prochain article. Il y aura une description d'un amplificateur non inverseur, d'un amplificateur différentiel, d'un amplificateur de puissance unipolaire. Une description sera également donnée des circuits simples de vérification de l'ampli op.

Boris Aladyshkin