Обратна връзка Операционни схеми на усилвателя

Повторител и инвертиращ усилвател

В края на статията „Идеалният оперативен усилвател“ Показано е, че когато се използва операционен усилвател в различни вериги на превключване, усилването на каскадата върху един оперативен усилвател (OA) зависи само от дълбочината на обратна връзка. Следователно, във формулите за определяне на печалбата на определена верига, печалбата на "голия" оп-усилвател, така да се каже, не се използва. Това е точно онзи огромен коефициент, който е посочен в директории.

Тогава е напълно уместно да зададете въпроса: „Ако крайният резултат (печалба) не зависи от този огромен„ референтен “коефициент, тогава каква е разликата между OPAMP с усилване няколко хиляди пъти и със същия opamp, но с усилване няколкостотин хиляди и дори милиони? “

Отговорът е съвсем прост. И в двата случая резултатът ще бъде един и същ, каскадната печалба ще се определя от елементите на OOS, но във втория случай (opamp с висока печалба), веригата работи по-стабилно, по-точно, скоростта на такива вериги е много по-висока. По добра причина оп усилвателите са разделени на оп усилватели с общо приложение и висока точност, прецизност.

Както вече споменахме, въпросните „оперативни“ усилватели са получени по онова време, когато те се използват главно за извършване на математически операции в аналогови компютри (AVM). Това бяха операции на събиране, изваждане, умножение, деление, набраздяване и много други функции.

Тези антителувски усилватели се извършват на електронни тръби, по-късно на дискретни транзистори и други радио компоненти. Естествено, размерите на дори транзисторните усилватели са достатъчно големи, за да бъдат използвани в аматьорски конструкции.

И едва след като благодарение на постиженията на интегрираната електроника, усилвателите станаха с размер на обикновен транзистор с ниска мощност, използването на тези части в домакинското оборудване и аматьорските вериги стана оправдано.

Между другото, модерните оп усилватели, дори с доста високо качество, на цена не много по-висока от два или три транзистора. Това твърдение се отнася за усилватели с общо предназначение. Прецизните усилватели могат да струват малко повече.

Относно веригите на усилвателя, веднага си струва да се отбележи, че всички те се захранват от биполярен източник на енергия. Такъв режим е най-„обичайният“ за оп усилвател, който позволява да се усилват не само променливотокови променливи сигнали, например синусоида, но и постоянни сигнали или просто напрежение.

И все пак, доста често захранването на веригите на усилвателя се извършва от еднополюсен източник. Вярно е, че в този случай не е възможно да увеличите постоянното напрежение. Но често се случва това просто да не е необходимо. Веригите с еднополярно захранване ще бъдат описани по-късно, но засега ще продължим за схемите за включване на усилвателя с биполярно захранване.

Захранващото напрежение на повечето оптични усилватели е най-често в рамките на ± 15V. Но това изобщо не означава, че това напрежение не може да се направи малко по-ниско (по-високо не се препоръчва). Много оптични усилватели работят много стабилно, като се започне от ± 3V, а някои модели дори ± 1.5V. Такава възможност е посочена в техническата документация (DataSheet).

Последовател на напрежение

Това е най-простото устройство по отношение на схемата на оп усилвател; веригата му е показана на фигура 1.

Фигура 1. Верига на напрежение на операционен усилвател

Лесно е да се види, че за създаването на такава схема не е бил нужен нито един детайл, с изключение на самия оптичен усилвател. Вярно е, че захранващата връзка не е показана на фигурата, но такъв контур на схемите се среща много често. Единственото, което бих искал да отбележа, е, че между изводите на оп-усилващото захранване (например за KR140UD708 оп-усилвател, това са изводи 7 и 4) и общият проводник трябва да бъде свързан блокиращи кондензатори с капацитет 0,01 ... 0,5 μF.

Тяхната цел е да направят работата на усилвателя по-стабилна, да се отърват от самовъзбуждането на веригата по силовите вериги. Кондензаторите трябва да бъдат свързани възможно най-близо до захранващите клеми на чипа. Понякога е свързан един кондензатор въз основа на група от няколко микросхема. Същите кондензатори могат да се видят на платки с цифрови микросхеми, тяхното предназначение е същото.

Коефициентът на усилване на повторителя е равен на единство, или, казано по друг начин, също няма печалба. Тогава защо такава схема? Тук е напълно подходящо да се припомни, че има транзисторна верига - последовател на емитер, чиято основна цел е съвпадение на каскади с различни входни съпротивления. Подобни каскади (ретранслатори) също се наричат ​​буфер.

Входното съпротивление на ретранслатора на оптичния усилвател се изчислява като произведение на входното съпротивление на усилвателя чрез неговото усилване. Например за споменатия UD708 входният импеданс е приблизително 0,5 MΩ, усилването е най-малко 30 000, а може и повече. Ако умножите тези числа, тогава входният импеданс е 15 GΩ, което е сравнимо със съпротивлението на не много висококачествена изолация, като хартия. Такъв висок резултат е малко вероятно да бъде постигнат с конвенционален последовател на емитер.

Така че описанията не са под въпрос, по-долу са показани фигурите, показващи работата на всички схеми, описани в програмния симулатор Multisim. Разбира се, всички тези схеми могат да бъдат сглобени на дъската, но не най-лошите резултати могат да се получат на екрана на монитора.

Всъщност тук е дори малко по-добре: не е нужно да ходите някъде на рафта, за да смените резистора или микросхемата. Тук всичко, дори измервателните уреди, е в програмата и „получава“ с помощта на мишката или клавиатурата.

Фигура 2 показва схемата на ретранслатора, направена в програмата Multisim.

Фигура 2

Изучаването на веригата е доста просто. Синусоидален сигнал с честота 1 KHz и амплитуда 2 V се прилага към входа на ретранслатора от функционалния генератор, както е показано на фигура 3.

Фигура 3

Сигналът на входа и изхода на ретранслатора се наблюдава от осцилоскопа: входният сигнал се показва със син лъч, изходният лъч е червен.

Фигура 4

И защо, внимателният четец ще попита, изходният (червен) сигнал е два пъти по-голям от входния син? Всичко е много просто: с еднаква чувствителност на каналите на осцилоскопа, и двете синусоиди с еднаква амплитуда и фаза се сливат в едно, скриват се един зад друг.

За да разберем и двамата наведнъж, трябваше да намалим чувствителността на един от каналите, в случая - на входа. В резултат синята вълна на синуса стана точно наполовина по-голяма от екрана и спря да се крие зад червената. Въпреки че за да постигнете такъв резултат, можете просто да изместите лъчите с контролите на осцилоскопа, оставяйки чувствителността на каналите същата.

И двата синусоида са разположени симетрично по отношение на часовата ос, което показва, че постоянният компонент на сигнала е равен на нула. И какво ще се случи, ако към входния сигнал се добави малък DC компонент? Виртуалният генератор ви позволява да измествате синусоидата по оста Y. Нека се опитаме да я изместим нагоре с 500mV.

Фигура 5

Какво се получи от това е показано на фигура 6.

Фигура 6

Прави впечатление, че входните и изходните синусоиди се покачиха с половин волт, без да се променят изобщо. Това предполага, че ретранслаторът предава точно константния компонент на сигнала. Но най-често те се опитват да се отърват от този постоянен компонент, правят го равен на нула, което избягва използването на такива елементи на веригата като междуетапни кондензатори за изолация.

Повторителят е, разбира се, добър и дори красив: не беше необходим нито един допълнителен детайл (въпреки че има ретранслаторни вериги с незначителни „допълнения“), но те не получиха никаква печалба.Какъв усилвател е това? За да получите усилвател, просто добавете няколко подробности, как да направите това ще бъде описано по-късно.

Инвертиращ усилвател

За да направите инвертиращ усилвател от оп усилвателя, достатъчно е да добавите само два резистора. Какво стана от това е показано на фигура 7.

Фигура 7. Схема на инверторния усилвател

Коефициентът на усилване на такъв усилвател се изчислява по формулата K = - (R2 / R1). Знакът минус не означава, че усилвателят се е оказал лош, а само че изходният сигнал ще бъде противоположен на фазата на входа. Не е чудно, че усилвателят се нарича инвертиращ. Тук би било подходящо да припомним транзистора, включен в схемата с OE. И там изходният сигнал върху колектора на транзистора е в антифаза с входния сигнал, подаден към основата.

Тук си струва да си спомните колко усилия трябва да положите, за да получите чист неизкривен синусоид върху колектора на транзистора. Изисква се съответно да се избере пристрастието на базата на транзистора. Това по правило е доста сложно, в зависимост от много параметри.

При използване на оп-усилвател е достатъчно просто да се изчисли съпротивлението на резисторите според формулата и да се получи дадена печалба. Оказва се, че настройването на схема на оп-усилвател е много по-просто от настройването на няколко транзисторни каскади. Затова човек не трябва да се страхува, че схемата няма да работи, няма да работи.

Фигура 8

Тук всичко е същото като на предишните фигури: входният сигнал е показан в синьо, той е червен след усилвателя. Всичко съответства на формулата K = - (R2 / R1). Изходният сигнал е в антифаза с входа (което съответства на знака минус във формулата), а амплитудата на изходния сигнал е точно два пъти по-висока от входната. Което е вярно и със съотношението (R2 / R1) = (20/10) = 2. За да направите печалбата например 10, достатъчно е да увеличите съпротивлението на резистора R2 до 100KΩ.

Всъщност веригата на инвертиращ усилвател може да бъде малко по-сложна, такава опция е показана на фигура 9.

Фигура 9Инвертираща схема на усилвателя

Тук се появи нова част - резисторът R3 (по-скоро просто изчезна от предишната верига). Целта му е да компенсира входните токове на реален опмпам, за да се намали температурната нестабилност на DC компонента на изхода. Стойността на този резистор се избира по формулата R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Съвременните високо стабилни opamps позволяват неинвертиращият вход да бъде свързан към общ проводник директно без резистор R3. Въпреки че наличието на този елемент няма да направи нищо лошо, но при сегашния мащаб на производството, когато спестяват от всичко, предпочитат да не инсталират този резистор.

Формулите за изчисляване на инвертиращия усилвател са показани на фигура 10. Защо на фигурата? Да, само за яснота, в ред текст те не биха изглеждали толкова познати и разбираеми, нямаше да бъдат толкова забележими.

Фигура 10

За печалбата беше споменато по-рано. Тук трябва да се отбележи входното и изходното съпротивление на неинвертиращ усилвател. Изглежда, че всичко е ясно с входното съпротивление: оказва се, че е равно на съпротивлението на резистора R1, но изходното съпротивление ще трябва да се изчисли по формулата, показана на фигура 11.

Буквата K ”обозначава референтния коефициент на усилвателя. Тук, моля, изчислете какъв ще бъде изходният импеданс. Това ще се окаже доста малка цифра, дори и за среден оп усилвател като UD7 с неговия K ”равен на не повече от 30 000. В този случай това е добре: в края на краищата, колкото по-малък е изходният импеданс на каскадата (това се отнася не само за каскадите на усилвателя), толкова по-мощно е натоварването, в разумни граници разбира се, в граници, тази каскада може да бъде свързана.

Трябва да се направи отделна забележка относно единицата в знаменателя на формулата за изчисляване на изходното съпротивление. Да предположим, че съотношението R2 / R1 е например 100. Това е съотношението, получено в случай на усилване на инвертиращия усилвател 100.Оказва се, че ако това устройство бъде изхвърлено, нищо няма да се промени много. Всъщност това не е напълно вярно.

Да приемем, че съпротивлението на резистор R2 е нула, както в случая на повторител. Тогава, без единство, целият знаменател става нула, а изходното съпротивление също е равно на нула. И ако тогава тази нула е някъде в знаменателя на формулата, как нареждате да я разделите? Следователно е просто невъзможно да се отървете от тази на пръв поглед незначителна единица.

В една статия, дори и достатъчно голяма, просто не пишете. Следователно, вие ще имате всичко, което не е било подходящо да разкажете в следващата статия. Ще има описание на неинвертиращ усилвател, диференциален усилвател, еднополюсен усилвател на мощността. Ще бъде дадено и описание на прости схеми за проверка на opamp.

Борис Аладишкин