Wzmacniacze operacyjne. Część 2. Idealny wzmacniacz operacyjny

Aby lepiej zrozumieć zasady konstruowania obwodów przy użyciu wzmacniaczy operacyjnych, często używają koncepcji idealnego wzmacniacza operacyjnego. Jaka jest jego idealność, cudowne właściwości? Nie ma ich tak wielu, ale wszystkie mają tendencję do zerowania, a nawet do nieskończoności. Ale tak się zachowuje wzmacniacz operacyjny nie są objęte sprzężeniem zwrotnym (OS) i ogólnie nie mają żadnych połączeń zewnętrznych.

W tym artykule postaramy się mówić o sprzężeniu zwrotnym i niektórych schematach włączania wzmacniaczy operacyjnych bez wspominania o uciążliwych formułach matematycznych z całkami. Ale niektórych, bardzo prostych i zrozumiałych, na poziomie ósmej klasy szkoły, które pomogą zrozumieć ogólne znaczenie, nadal nie da się uniknąć.

Zysk

Przy tak „rosnącym” wzmocnieniu wystarczy zastosować tylko kilka mikrowoltów na wejściach (na przykład zakłócenia sieciowe), aby uzyskać napięcie wyjściowe zbliżone do 15 V. Ten stan wskazuje nasycenie wyjścia.

Należy przypomnieć ten sam stan w tranzystorach. Oczywiście w tej formie nie ma żadnego zysku. Dlatego rzeczywiste wzmacniacze operacyjne są zawsze objęte ujemnym sprzężeniem zwrotnym, które zostanie omówione poniżej.

Chociaż należy zauważyć, że dość często wzmacniacze operacyjne są używane bez sprzężenia zwrotnego, aw niektórych przypadkach z sprzężeniem dodatnim. Ta aplikacja znajduje się w komparatory - urządzenia do dokładnego porównania sygnałów analogowych. Komparatory są dostępne w postaci specjalistycznych mikroukładów, a także stanowią część innych mikroukładów. Pamiętaj tylko o legendzie zintegrowany zegar NE555, który zawiera w sobie dwa komparatory.

Prawie najnowsza historia

W pewnym momencie krajowy przemysł elektroniczny opanował również produkcję wzmacniaczy operacyjnych. Pierwszym wzmacniaczem operacyjnym był K1UT401A (B), następnie przemianowany na K140UD1 z tymi samymi literami na końcu. Tak więc, będąc niemal dokładną kopią amerykańskiego brata UA702, analog z literą A przy napięciu zasilania ± 6V miał zysk w zakresie 500 ... 4500, a literą B (± 12V) 1500 ... 13000.

Według współczesnych standardów jest to po prostu śmieszne, ale mimo to archaiczne wzmacniacze wciąż można znaleźć. Ale nawet przy tak „niewielkim” wzmocnieniu nie można było obejść się bez negatywnego sprzężenia zwrotnego.

I właśnie pojawienie się wzmacniaczy operacyjnych w zintegrowanej konstrukcji wprowadziło ten uniwersalny komponent do obwodów przemysłowych, domowych i amatorskich. W końcu musisz przyznać, że wzmacniacz operacyjny z lampami elektronicznymi, a nawet opcja tranzystorowa, z wyjątkiem AVM-ów obronnych, nie mogły być użyte.

Wejścia i wyjścia wzmacniaczy operacyjnych

Wzmacniacz operacyjny ma dwa wejścia i jedno wyjście oraz, oczywiście, dwa wyjścia do zasilania napięciem. Jest to minimalny zestaw istotnych wniosków. Tak właśnie jest z większością nowoczesnych wzmacniaczy operacyjnych. Kiedyś były wnioski dotyczące połączenia elementów korekcji częstotliwości i równoważenia.

Jedzenie jest najczęściej dwubiegunowe z punktem środkowym, co umożliwia przeprowadzenie wzmocnienia przez stałe napięcie. W tym przypadku ogólnie przyjmuje się, że zakres częstotliwości wzmacniaczy operacyjnych zaczyna się od 0 Hz, a górna częstotliwość jest ograniczona zarówno przez rodzaj samego wzmacniacza operacyjnego, jego obwód wewnętrzny i rodzaj tranzystorów, jak i obwód przełączający.

Szerokość pasma idealnego wzmacniacza operacyjnego rozciąga się od prądu stałego do nieskończoności.Ponadto prędkość lub szybkość narastania sygnału wyjściowego dąży do nieskończoności. Ale na razie nie rozważymy tego problemu.

Co poprawia działanie wzmacniacza operacyjnego

Napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego jest proporcjonalne do różnicy napięć na jego wejściach. W tym przypadku absolutny poziom sygnałów, a także ich polaryzacja, nie odgrywają specjalnej roli. Liczy się tylko różnica. A ponieważ wszystkie terminy w elektronice pochodzą z języka angielskiego, czas przypomnieć sobie słowo „różne”, co oznacza heterogeniczną różnicę (słownik „Multitran”), a wzmacniacze tej zasady działania nazywane są różnicowymi.

Co nie wzmacnia wzmacniacza operacyjnego

Tutaj możemy również przywołać tak cudowną właściwość wzmacniaczy operacyjnych, jak tłumienie sygnału trybu wspólnego: jeśli ten sam sygnał zostanie zastosowany do obu wejść, nie zostanie wzmocniony. Jest to stosowane przy przykładaniu sygnału przez długie przewody: użyteczny sygnał ma inną fazę, podczas gdy sygnał interferencyjny na obu wejściach jest taki sam.

Co można uzyskać na wyjściu wzmacniacza operacyjnego

Impedancja wyjściowa idealnego wzmacniacza operacyjnego dąży do zera, co teoretycznie pozwala uzyskać arbitralnie duży, nieskończony sygnał na wyjściu. W rzeczywistości napięcie wyjściowe rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego jest ograniczone napięciem źródeł zasilania: jeśli dwubiegunowe napięcie zasilania, na przykład ± 15 V, to po prostu niemożliwe jest uzyskanie +20 lub -25 na wyjściu.

Dotyczy to wzmocnienia stałych napięć. W przypadku wzmocnienia, na przykład sinusoidy na wyjściu, należy również uzyskać sinusoidę, której amplituda nie przekracza napięcia zasilania.

Napięcia wejściowe i wyjściowe nie mogą być wyższe niż napięcie źródeł energii. Na przykład przy zasilaniu ± 15 V napięcie wyjściowe jest niższe o 0,5 ... 1,5 V. Ale niektóre współczesne mikroukłady umożliwiają wyrównanie napięcia zasilania na wyjściu i wejściu. Ta właściwość w arkuszach danych jest określana jako „od szyny do szyny”, dosłownie „od opony do opony”. Wybierając wzmacniacz operacyjny, należy zwrócić uwagę na tę właściwość.

Impedancja wejściowa

Impedancja wejściowa obu wejść wzmacniacza operacyjnego jest bardzo duża i wynosi setki MegaOhm, aw niektórych przypadkach nawet GigaOhm. Dla porównania: wyżej wspomniany K1UT401 miał impedancję wejściową zaledwie kilkudziesięciu kiloomów.

Impedancja wejściowa oczywiście nie osiąga nieskończoności, jak idealny wzmacniacz operacyjny, ale wciąż jest tak duża, że ​​nie wpływa na poziomy sygnału wejściowego. Z tego można wnioskować, że na wejściach nie płynie prąd. Jest to jedna z głównych zasad stosowanych w obliczeniach i analizach obwodów wzmacniaczy operacyjnych. Na razie musisz o tym pamiętać.

Ostatnie stwierdzenie dotyczy bezpośrednio wzmacniaczy operacyjnych. Tak wysoka impedancja wejściowa jest nieodłącznym elementem samych wzmacniaczy operacyjnych, ale impedancja wejściowa różnych opartych na niej obwodów może być znacznie niższa. Tę okoliczność należy zawsze pamiętać. A teraz uważaj, historia zaczyna się od najważniejszej rzeczy.

Negatywne opinie (OOS)

OOS to nic innego jak połączenie między wyjściem a wejściem, w którym część wyjścia jest odejmowana od sygnału wejściowego. Takie połączenie prowadzi do zmniejszenia wzmocnienia. W przeciwieństwie do OOS istnieje dodatnie sprzężenie zwrotne (POS), które odwrotnie sumuje sygnał wejściowy z częścią wyjścia. Takie połączenia są stosowane nie tylko w technologii elektronicznej, ale w wielu innych przypadkach, na przykład w mechanice. Efekt tych sprzężeń zwrotnych można scharakteryzować następująco: OOS prowadzi do stabilności systemu, pozytywne prowadzi do jego niestabilności.

W stosunku do wzmacniaczy operacyjnych, o których mowa, OOS pozwala ustawić wzmocnienie z wystarczającą dokładnością, a także prowadzi do wielu bardziej jakościowych, a nawet przyjemnych ulepszeń obwodu. Ale najpierw musisz dowiedzieć się, jak działa OOS.Jako przykład rozważ obwód, który można znaleźć w dowolnym podręczniku automatyki.

Rycina 1

Ignal wyjście wyjściowe U. z wyjścia przechodzi do urządzenia sumującego (koło ze znakiem plus wewnątrz) przez obwód OOS o współczynniku przenoszenia β, w tym przypadku mniejszym niż jeden. Jeśli współczynnik ten jest większy od jedności, co jest technicznie możliwe, to zamiast wzmacniać sygnał, uzyskujemy jego tłumienie. Ale na razie założymy, że potrzebujemy właśnie wzmocnienia.

Klif OOS to tylko wypadek

Jeśli przerwiesz pętlę sprzężenia zwrotnego, napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego wyniesie U.out. = K * U.in. Teoretycznie ogromna wartość. W rzeczywistości będzie on ograniczony wielkością napięcia zasilającego. To już zostało powiedziane wcześniej. Podobny przykład: jeśli jest to silnik elektryczny ze stabilizacją obrotów (również sprzężenie zwrotne), wówczas po prostu przyspieszy tak daleko, jak to możliwe. W tym przypadku mówią, że system zaczął „sprzedawać”.

Przechodząc przez obwód obwodu OOS, sygnał wyjściowy jest tłumiony przez wyjście β * U. Dlatego tylko (U.in.-β * U.out.) Dociera do wejścia wzmacniacza przez sumator. Znak minus wskazuje, że sprzężenie zwrotne jest ujemne. Po przejściu przez urządzenie ze wzmocnieniem K, wyjście będzie wynosić U.out = K * (U.in. β * U.out.). Z kolei wzmocnienie całego układu K.us. = U.out./U.in. i okazuje się, że U.out. = K *

Po niektórych przekształceniach możemy uzyskać następujący wynik: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Wszystkie te przekształcenia doprowadziły do ​​prostej formuły K.us. = K / (1+ K * β). Jeśli założymy, że K in jest wystarczająco duży (a w przypadku zastosowania wzmacniacza operacyjnego tak jest naprawdę), to jednostka w nawiasach nie wykona żadnej specjalnej pogody, można ją odrzucić, w wyniku czego formuła przyjmie następującą postać:

K.us. = 1 / β

Powstała formuła (która w rzeczywistości była przyczyną, dla której cała płot z formuł została zebrana w pulę) pozwala stwierdzić, że współczynnik przenoszenia wzmacniacza operacyjnego w obwodzie sprzężenia zwrotnego w żaden sposób nie zależy od wzmocnienia samego wzmacniacza operacyjnego, ale jest determinowany tylko parametrami obwodu sprzężenia zwrotnego , jego współczynnik transmisji β. Niemniej jednak, im wyższe wzmocnienie samego wzmacniacza operacyjnego, tym dokładniejsza jest podana formuła, tym bardziej stabilny jest obwód.

Dlatego kaskady wzmacniające na wzmacniaczach operacyjnych nie wymagają strojenia, jak zwykle kaskady tranzystorowe: właśnie obliczone rezystory sprzężenia zwrotnego, lutowane, uzyskały wymagany zysk kaskady. Jak to zostanie zrobione, zostanie opisane w następnym artykule.