Операционни усилватели. Част 2. Перфектният оперативен усилвател

За да разберат по-добре принципите на конструиране на вериги с помощта на операционни усилватели, те често използват концепцията за идеален операционен усилвател. Каква е неговата идеалност, прекрасните му свойства? Не са толкова много от тях, но всички те са склонни или към нула, или дори до безкрайност. Но се държи така операционен усилвател не са обхванати от обратна връзка (ОС) и като цяло нямат външни връзки.

В тази статия ще се опитаме да говорим за обратна връзка и някои схеми за включване на операционни усилватели, без да споменаваме тромавите математически формули с интеграли. Но някои, много прости и разбираеми, на ниво осми клас на училището, които ще помогнат да се разбере общото значение, все още не могат да бъдат избегнати.

спечелят от

При такова "разрастващо" усилване е достатъчно да приложите само няколко микроволта към входовете си (например мрежова намеса), за да получите изходно напрежение, близко до 15V. Това състояние показва насищане на изхода.

Подходящо е да се припомни същото състояние в транзисторите. Естествено, в тази форма въобще не се получава печалба. Следователно реалните операционни усилватели винаги са обхванати от отрицателна обратна връзка, която ще бъде разгледана по-долу.

Въпреки че трябва да се отбележи, че доста често операционните усилватели се използват без обратна връзка, а в някои случаи и с положителна обратна връзка. Това приложение е намерено в сравняваните - устройства за точно сравнение на аналогови сигнали. Сравнителите се предлагат под формата на специализирани микросхеми и също са част от други микросхеми. Само помнете легендарното интегриран таймер NE555, който съдържа в себе си два сравнителя.

Почти нова история

По едно време домашната електронна индустрия също овладява производството на операционни усилватели. Първият операционен усилвател е K1UT401A (B), впоследствие преименуван на K140UD1 със същите букви в края. Така че, като почти точно копие на американския брат UA702, аналогът с буквата А при захранващо напрежение ± 6V има печалба в диапазона от 500 ... 4500 и с буквата B (± 12V) 1500 ... 13000.

По съвременни стандарти това е просто нелепо, но въпреки това тези архаични усилватели все още могат да бъдат намерени. Но дори и с такава "малка" печалба, беше невъзможно да се направи без отрицателна обратна връзка.

И точно появата на операционни усилватели в интегриран дизайн въведе този универсален компонент в индустриални, битови и любителски вериги. В крайна сметка трябва да признаете, че оперативен усилвател с електронни тръби или дори транзисторен вариант, освен в защитните AVM, не би могъл да се използва.

Входове и изходи на операционни усилватели

Операционният усилвател има два входа и един изход и, разбира се, два изхода за подаване на напрежение. Това е минималният набор от заключения, който е жизненоважен. Точно така е и с повечето съвременни операционни усилватели. Веднъж имаше заключения за свързване на елементи на честотна корекция и балансиране.

Храната най-често е двуполюсна със средна точка, което дава възможност да се извършва усилване с постоянно напрежение. В този случай е общоприето, че честотният обхват на операционните усилватели започва от 0 Hz, а горната честота е ограничена както от типа на самия операционен усилвател, неговата вътрешна верига, така и от типа на транзисторите и неговата комутационна верига.

Ширината на лентата на идеален операционен усилвател се простира от постоянен ток до безкрайност.Също така скоростта или скоростта на въртене на изходния сигнал клонят към безкрайност. Но засега няма да разглеждаме този въпрос.

Какво подобрява операционния усилвател

Изходното напрежение на операционния усилвател е пропорционално на разликата в напрежението на неговите входове. В този случай абсолютното ниво на сигналите, както и тяхната полярност, не играят особена роля. Само разликата има значение. И тъй като всички термини в електрониката идват от английския език, тогава е време да запомните думата "различен", което означава разнородни, разлика (речникът "Multitran"), а усилвателите на този принцип на работа се наричат ​​диференциални.

Какво не усилва операционния усилвател

Тук можем да си припомним и такова прекрасно свойство на операционните усилватели като затихването на сигнал в общ режим: ако един и същ сигнал се приложи и към двата входа, той няма да бъде усилен. Това се използва, когато се прилага сигнал върху дълги проводници: полезният сигнал има различна фаза, докато интерференционният сигнал и на двата входа е един и същ.

Какво може да се получи на изхода на операционния усилвател

Изходният импеданс на идеален операционен усилвател клони към нула, което теоретично ви позволява да получите изходен сигнал произволно голям, просто безкраен. Всъщност изходното напрежение на реален работен усилвател е ограничено от напрежението на източниците на енергия: ако биполярно захранващо напрежение, например, ± 15V, тогава е невъзможно да се получат +20 или -25 на изхода.

Това е по отношение на усилването на постоянните напрежения. В случай на усилване, например, синусоида на изхода, трябва да се получи и синусоида, амплитудата на която не надвишава захранващото напрежение.

Входните и изходните напрежения не могат да бъдат по-високи от напрежението на източниците на енергия. Например, когато се захранва от ± 15V, изходното напрежение е по-ниско с 0,5 ... 1,5V. Но някои съвременни микросхеми позволяват получаване на равно на захранващото напрежение на изхода и входа. Това свойство в таблиците с данни се нарича Rail-to-Rail, буквално като „гума за гума“. Когато избирате операционен усилвател, трябва да обърнете внимание на това свойство.

Входен импеданс

Входният импеданс и на двата входа на операционния усилвател е много голям и е в рамките на стотици MegaOhm, а в някои случаи дори и GigaOhm. За сравнение: гореспоменатият K1UT401 има входно съпротивление само няколко десетки kOhm.

Входният импеданс, разбира се, не достига безкрайност, като идеален операционен усилвател, но все още е толкова голям, че не влияе на нивата на входния сигнал. От това можем да заключим, че във входовете не тече ток. Това е един от основните принципи, използвани при изчисляването и анализа на веригите на операционните усилватели. За сега просто трябва да го запомните.

Последното твърдение се отнася пряко до операционните усилватели. Такъв висок входен импеданс е присъщ на самите операционни усилватели, но входният импеданс на различни вериги въз основа на него може да бъде много по-нисък. Това обстоятелство трябва винаги да се помни. И сега, внимавайте, започва историята за най-важното.

Отрицателна обратна връзка (OOS)

OOS не е нищо повече от връзка между изхода и входа, при която част от изхода се изважда от входния сигнал. Такава връзка води до намаляване на печалбата. За разлика от OOS, има положителна обратна връзка (POS), която обратно сумира входния сигнал с част от изхода. Такива връзки се използват не само в електронните технологии, но и в много други случаи, например в механиката. Ефектът от тези отзиви може да се характеризира по следния начин: OOS води до стабилност на системата, положителните води до нейната нестабилност.

По отношение на въпросните операционни усилватели OOS ви позволява да настроите усилването с достатъчна точност, а също така води до много по-качествени и дори приятни подобрения на веригата. Но първо трябва да разберете как работи OOS.Като пример, помислете за схема, която може да бъде намерена във всеки учебник по автоматизация.

Фигура 1

Игнален изходен сигнал U.out. от изхода той преминава към сумиращото устройство (кръг със знак плюс вътре) през OOS веригата с коефициент на прехвърляне β, в този случай, по-малък от единица. Ако този коефициент се направи по-голям от единството, което е технически възможно, тогава вместо да усилим сигнала, получаваме неговото затихване. Но засега ще приемем, че се нуждаем точно от подсилване.

OOS скала е просто случайност

Ако прекъснете контура за обратна връзка, тогава напрежението на изхода на операционния усилвател ще бъде U.out. = K * U.in. Теоретично огромна стойност. Всъщност тя ще бъде ограничена от величината на захранващото напрежение. Това вече беше казано по-рано. Подобен пример: ако това е електродвигател със стабилизация на оборотите (също обратна връзка), тогава той просто ще се ускори, доколкото е възможно. В този случай те казват, че системата вървеше "на педала".

Преминавайки през веригата на OOS веригата, изходният сигнал се затихва от β * U.output. Следователно, само (U.in.-β * U.out.) Идва към входа на усилвателя през добавката. Знакът минус показва, че обратната връзка е отрицателна. След преминаване през устройството с усилване на K, изходът ще бъде U.out. = K * (U.in.-β * U.out.). От своя страна, печалбата на цялата система K.us. = U.out./U.in. и се оказва, че U.out. = K *

След някои трансформации можем да получим следния резултат: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Всички тези трансформации доведоха до простата формула K.us. = K / (1+ K * β). Ако приемем, че K in е достатъчно голям (и в случай на използване на операционен усилвател това наистина е така), тогава единицата в скоби няма да издържи много време, може да бъде изхвърлена, в резултат на което формулата ще приеме следната форма:

K.us. = 1 / β

Получената формула (която всъщност беше причината, поради която цялата ограда от формулите беше обединена) ни позволява да заявим, че коефициентът на предаване на операционния усилвател във веригата за обратна връзка по никакъв начин не зависи от усилването на самия операционен усилвател, а се определя само от параметрите на веригата за обратна връзка , коефициентът му на предаване β. Но въпреки това, колкото по-голяма е печалбата на самия операционен усилвател, толкова по-точна дава дадената формула, толкова по-стабилна работи схемата.

Следователно каскадите за усилване на операционните усилватели не изискват настройка, както обичайните транзисторни каскади: току-що изчислените резистори за обратна връзка, споени, получиха необходимата каскадна печалба. Как се прави това ще бъде описано в следващата статия.