Darbības pastiprinātāji. 2. daļa. Ideāls darbības pastiprinātājs

Lai labāk izprastu shēmu konstruēšanas principus, izmantojot darbības pastiprinātājus, viņi bieži izmanto ideāla darbības pastiprinātāja jēdzienu. Kāda ir tā ideālitāte, tās brīnišķīgās īpašības? Viņu nav tik daudz, bet tie visi mēdz būt vai nu uz nulli, vai pat līdz bezgalībai. Bet tā uzvedas darbības pastiprinātājs uz kuriem neattiecas atgriezeniskā saite (OS), un parasti tiem nav ārēju savienojumu.

Šajā rakstā mēs mēģināsim runāt par atgriezenisko saiti un dažām shēmām darbības pastiprinātāju iekļaušanai, nepieminot apgrūtinošas matemātiskas formulas ar integrāliem. Tomēr dažus no diezgan vienkāršajiem un saprotamiem skolas astotās klases līmenī, kas palīdzēs izprast vispārējo nozīmi, joprojām nevar izvairīties.

Iegūt

Ar šādu "niknu" pastiprinājumu pietiek, ja tā ieejām tiek pielietoti tikai daži mikrovolti (piemēram, tīkla traucējumi), lai iegūtu izejas spriegumu tuvu 15V. Šis stāvoklis norāda izvades piesātinājumu.

Ir pareizi atsaukt to pašu stāvokli tranzistoros. Protams, šādā veidā ieguvums netiek iegūts. Tāpēc uz reāliem darbības pastiprinātājiem vienmēr attiecas negatīva atgriezeniskā saite, kas tiks apspriesta turpmāk.

Lai gan jāatzīmē, ka diezgan bieži operatīvie pastiprinātāji tiek izmantoti bez atgriezeniskās saites, un dažos gadījumos ar pozitīvu atgriezenisko saiti. Šī lietojumprogramma ir atrodama salīdzinātāji - ierīces precīzu analogo signālu salīdzināšanai. Komparatori ir pieejami specializētu mikroshēmu veidā, kā arī ir daļa no citām mikroshēmām. Tikai atcerieties leģendāro integrēts taimeris NE555, kas sevī satur divus salīdzinātājus.

Gandrīz nesenā vēsture

Vienā reizē vietējā elektroniskā rūpniecība apguva arī operatīvo pastiprinātāju ražošanu. Pirmais darbības pastiprinātājs bija K1UT401A (B), pēc tam to pārdēvēja par K140UD1 ar tiem pašiem burtiem beigās. Tātad, būdams gandrīz precīzs amerikāņu brāļa UA702 eksemplārs, analogam ar burtu A pie barošanas sprieguma ± 6V bija pastiprinājums diapazonā no 500 ... 4500 un ar burtu B (± 12V) 1500 ... 13000.

Pēc mūsdienu standartiem tas ir tikai smieklīgi, taču šie arhaiskie pastiprinātāji tomēr ir atrodami. Bet pat ar tik nelielu "ieguvumu" nebija iespējams iztikt bez negatīvām atsauksmēm.

Un tikai operatīvo pastiprinātāju parādīšanās integrētajā dizainā ieviesa šo universālo komponentu rūpniecības, mājas un amatieru ķēdēs. Galu galā jums ir jāatzīst, ka operējamo pastiprinātāju ar elektroniskām lampām vai pat tranzistora iespēju, izņemot aizsardzības AVM, nevarēja izmantot.

Operatīvo pastiprinātāju ieejas un izejas

Operatīvajam pastiprinātājam ir divas ieejas un viena izeja, un, protams, divas izejas sprieguma padevei. Šis ir obligātais secinājumu kopums. Tieši tā ir ar modernākajiem operatīvajiem pastiprinātājiem. Reiz bija secinājumi par frekvences korekcijas un balansēšanas elementu savienošanu.

Pārtika visbiežāk ir bipolāra ar viduspunktu, kas ļauj veikt pastiprināšanu ar pastāvīgu spriegumu. Šajā gadījumā ir vispārpieņemts, ka darbības pastiprinātāju frekvenču diapazons sākas no 0 Hz, un augšējo frekvenci ierobežo gan pats darbības pastiprinātāja tips, gan tā iekšējā ķēde, gan tranzistoru tips un pārslēgšanas shēma.

Ideāla darbības pastiprinātāja joslas platums ir no DC līdz bezgalībai.Arī izejas signāla ātrumam vai pagrieziena ātrumam ir tendence uz bezgalību. Bet pagaidām mēs neapsvērsim šo jautājumu.

Kas uzlabo darbības pastiprinātāju

Operatīvā pastiprinātāja izejas spriegums ir proporcionāls sprieguma starpībai tā ieejās. Šajā gadījumā signālu absolūtajam līmenim, kā arī to polaritātei nav īpaša loma. Svarīga ir tikai atšķirība Tā kā visi termini elektronikā nāca no angļu valodas, ir pienācis laiks atcerēties vārdu “different”, kas nozīmē neviendabīgu atšķirību (vārdnīca “Multitran”), un šī darbības principa pastiprinātājus sauc par diferenciāliem.

Kas nepaaugstina darbības pastiprinātāju

Šeit mēs varam atcerēties arī tik lielisku operatīvo pastiprinātāju īpašību kā kopēja režīma signāla vājināšana: ja abām ieejām tiek pielietots viens un tas pats signāls, tas netiks pastiprināts. To izmanto, lietojot signālu gariem vadiem: noderīgajam signālam ir atšķirīga fāze, savukārt traucējumu signāls abās ieejās ir vienāds.

Ko var iegūt operatīvā pastiprinātāja izejā

Ideāla operatīvā pastiprinātāja izejas pretestībai ir tendence uz nulli, kas teorētiski ļauj iegūt izejā patvaļīgi lielu, tikai bezgalīgu signālu. Patiesībā reāla darbības pastiprinātāja izejas spriegumu ierobežo barošanas avotu spriegums: ja bipolārā barošanas spriegums, piemēram, ir ± 15V, tad pie izejas vienkārši nav iespējams iegūt +20 vai -25.

Tas attiecas uz pastāvīgu spriegumu pastiprināšanu. Pastiprināšanas gadījumā, piemēram, sinusoīds pie izejas, jāiegūst arī sinusoīds, kura amplitūda nepārsniedz barošanas spriegumu.

Ieejas un izejas spriegumi nedrīkst būt lielāki par barošanas avotu spriegumu. Piemēram, ja strāvas avots ir ± 15 V, izejas spriegums ir zemāks par 0,5 ... 1,5 V. Bet dažas mūsdienu mikroshēmas ļauj iegūt vienādu ar barošanas spriegumu izejā un ieejā. Šis īpašums datu lapās tiek saukts par sliedi-sliedei, burtiski kā no riepas līdz riepai. Izvēloties operatīvo pastiprinātāju, jums jāpievērš uzmanība šim īpašumam.

Ieejas pretestība

Abu operētājsistēmas ieeju ieejas pretestība ir ļoti liela un atrodas simtos MegaOhm un dažos gadījumos pat GigaOhm. Salīdzinājumam: iepriekšminētā K1UT401 ieejas pretestība bija tikai daži desmiti kOhm.

Ieejas pretestība, protams, nesasniedz bezgalību, tāpat kā ideāls darbības pastiprinātājs, taču tā joprojām ir tik liela, ka neietekmē ieejas signāla līmeni. No tā mēs varam secināt, ka ieejās neplūst strāva. Šis ir viens no galvenajiem principiem, ko izmanto operētājsistēmas pastiprinātāju ķēžu aprēķināšanā un analīzē. Pagaidām jums tas vienkārši jāatceras.

Pēdējais paziņojums tieši attiecas uz darbības pastiprinātājiem. Tik augsts ieejas pretestība ir raksturīga pašiem operatīvajiem pastiprinātājiem, taču dažādu uz tā balstītu ķēžu ieejas pretestība var būt daudz zemāka. Šis apstāklis ​​vienmēr būtu jāatceras. Un tagad esiet uzmanīgi, stāsts sākas par vissvarīgāko.

Negatīvas atsauksmes (OOS)

OOS nav nekas cits kā savienojums starp izeju un ieeju, kurā no ieejas signāla tiek atņemta daļa no izejas. Šāds savienojums noved pie pieauguma samazināšanās. Atšķirībā no OOS, ir pozitīva atgriezeniskā saite (POS), kas pretēji summē ieejas signālu ar daļu no izejas. Šādi savienojumi tiek izmantoti ne tikai elektroniskajā tehnoloģijā, bet daudzos citos gadījumos, piemēram, mehānikā. Šo atgriezenisko saiti var raksturot šādi: OOS noved pie sistēmas stabilitātes, pozitīvs - pie tās nestabilitātes.

Saistībā ar attiecīgajiem operatīvajiem pastiprinātājiem OOS ļauj iestatīt pastiprinājumu ar pietiekamu precizitāti, kā arī rada daudz kvalitatīvākus un pat patīkamākus uzlabojumus ķēdē. Bet vispirms jums ir jāizdomā, kā darbojas OOS.Kā piemēru apsveriet ķēdi, kuru var atrast jebkurā automatizācijas mācību grāmatā.

1. attēls

Aizdedzināt U. izejas signāla izeju. no izejas tas caur OOS ķēdi caur summēšanas ierīci (apli ar plus zīmi iekšpusē) ar pārsūtīšanas koeficientu β, šajā gadījumā mazāks par vienu. Ja šis koeficients ir lielāks par vienotību, kas ir tehniski iespējams, tad signāla pastiprināšanas vietā mēs iegūstam tā vājinājumu. Bet pagaidām mēs pieņemsim, ka mums ir nepieciešams precīzs pastiprinājums.

OOS klints ir tikai negadījums

Ja pārtraucat atgriezeniskās saites cilpu, tad spriegums pie operatora pastiprinātāja izejas būs U.out. = K * U.in. Teorētiski milzīga vērtība. Faktiski to ierobežos barošanas sprieguma lielums. Tas jau tika teikts iepriekš. Līdzīgs piemērs: ja tas ir elektromotors ar apgriezienu stabilizāciju (arī atgriezenisko saiti), tad tas vienkārši paātrināsies, cik vien iespējams. Šajā gadījumā viņi saka, ka sistēma gāja klajā.

Caur OOS ķēdes ķēdi izejas signālu vājina β * U. izeja. Tāpēc tikai (U.in-β * U.out) nonāk pastiprinātāja ieejā caur papildinātāju. Mīnus zīme norāda, ka atgriezeniskā saite ir negatīva. Pēc ierīces šķērsošanas ar K palielinājumu izvade būs U.out = K * (U.in.-β * U.out). Savukārt visas sistēmas ieguvums K.us. = U.out./U.in. un izrādās, ka U.out. = K *

Pēc dažām pārvērtībām mēs varam iegūt šādu rezultātu: K.US. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Visas šīs transformācijas noveda pie vienkāršas formulas K.us = K / (1+ K * β). Ja mēs pieņemam, ka K in ir pietiekami liels (un operatīvā pastiprinātāja gadījumā tas tiešām ir), tad iekavās esošā ierīce neradīs īpašus laika apstākļus, to var izmest, kā rezultātā formula iegūst šādu formu:

K. = 1 / β

Iegūtā formula (kas faktiski bija iemesls, kāpēc tika apvienots viss žogs no formulām) ļauj mums apgalvot, ka darbības pastiprinātāja pārvades koeficients atgriezeniskās saites ķēdē nekādā veidā nav atkarīgs no paša operētājsistēmas pastiprinātāja ieguvuma, bet tiek noteikts tikai ar atgriezeniskās saites ķēdes parametriem , tā pārvades koeficients β. Bet, neskatoties uz to, jo lielāks ir paša operētājsistēmas pastiprinātāja ieguvums, jo precīzāka ir norādītā formula, jo stabilāka ķēde darbojas.

Tāpēc operētājsistēmas pastiprinātāju pastiprināšanas kaskādēm nav nepieciešama noregulēšana, kā parasti tranzistora kaskādēm: tikko aprēķināti atgriezeniskās saites rezistori, pielodēti, ieguva nepieciešamo kaskādes pastiprinājumu. Kā tas tiek darīts, tiks aprakstīts nākamajā rakstā.