Sprzężenie zwrotne Operacyjne obwody wzmacniacza

Wzmacniacz i wzmacniacz odwracający

Na końcu artykułu „Idealny wzmacniacz operacyjny” Wykazano, że przy zastosowaniu wzmacniacza operacyjnego w różnych obwodach przełączających wzmocnienie kaskady na pojedynczym wzmacniaczu operacyjnym (OA) zależy tylko od głębokości sprzężenia zwrotnego. Dlatego we wzorach określających wzmocnienie określonego obwodu nie stosuje się wzmocnienia „nagiego” wzmacniacza operacyjnego, że tak powiem. To właśnie ten ogromny współczynnik określony w katalogach.

Następnie należy zadać pytanie: „Jeśli wynik końcowy (wzmocnienie) nie zależy od tego ogromnego współczynnika„ referencyjnego ”, to jaka jest różnica między opampem z amplifikacją kilka tysięcy razy i tym samym opampem, ale z amplifikacją kilkaset tysięcy a nawet miliony? ”

Odpowiedź jest dość prosta. W obu przypadkach wynik będzie taki sam, wzmocnienie kaskady zostanie określone przez elementy OOS, ale w drugim przypadku (opamp o wysokim wzmocnieniu) obwód działa bardziej stabilnie, a dokładniej, prędkość takich obwodów jest znacznie wyższa. Nie bez powodu wzmacniacze operacyjne dzielą się na ogólne wzmacniacze operacyjne i precyzyjne.

Jak już wspomniano, wspomniane „operacyjne” wzmacniacze zostały odebrane w tym czasie, kiedy były one głównie używane do wykonywania operacji matematycznych w komputerach analogowych (AVM). Były to operacje dodawania, odejmowania, mnożenia, dzielenia, kwadratowania i wielu innych funkcji.

Te przedpotopowe wzmacniacze operacyjne zostały wykonane na lampach elektronowych, później na dyskretnych tranzystorach i innych komponentach radiowych. Oczywiście wymiary nawet tranzystorowych wzmacniaczy operacyjnych były wystarczająco duże, aby można je było stosować w konstrukcjach amatorskich.

Dopiero dzięki osiągnięciom zintegrowanej elektroniki wzmacniacze operacyjne stały się zwykłymi tranzystorami małej mocy, uzasadnione było użycie tych części w sprzęcie gospodarstwa domowego i obwodach amatorskich.

Nawiasem mówiąc, nowoczesne wzmacniacze operacyjne, nawet dość wysokiej jakości, w cenie nieco wyższej niż dwa lub trzy tranzystory. To stwierdzenie dotyczy wzmacniaczy operacyjnych ogólnego przeznaczenia. Wzmacniacze precyzyjne mogą kosztować nieco więcej.

Jeśli chodzi o obwody wzmacniacza operacyjnego, warto od razu zauważyć, że wszystkie są zasilane dwubiegunowym źródłem zasilania. Taki tryb jest najbardziej „zwykły” dla wzmacniacza operacyjnego, który umożliwia wzmacnianie nie tylko sygnałów napięcia przemiennego, na przykład sinusoidy, ale także sygnałów prądu stałego lub po prostu napięcia.

A jednak dość często zasilanie obwodów wzmacniacza operacyjnego jest wykonane ze źródła jednobiegunowego. To prawda, że ​​w tym przypadku nie można zwiększyć stałego napięcia. Ale często zdarza się, że nie jest to po prostu konieczne. Obwody z unipolarnym zasilaczem zostaną opisane później, ale na razie kontynuujemy schematy włączania wzmacniacza operacyjnego z zasilaniem bipolarnym.

Napięcie zasilania większości wzmacniaczy operacyjnych wynosi najczęściej ± 15 V. Ale to wcale nie oznacza, że ​​napięcia tego nie da się nieco obniżyć (wyższe nie jest zalecane). Wiele wzmacniaczy operacyjnych działa bardzo stabilnie od ± 3 V, a niektóre modele nawet ± 1,5 V. Taka możliwość jest wskazana w dokumentacji technicznej (DataSheet).

Popychacz napięcia

Jest to najprostsze urządzenie pod względem obwodów wzmacniacza operacyjnego; jego obwód pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Obwód wtórnika napięcia na wzmacniaczu operacyjnym

Łatwo zauważyć, że do stworzenia takiego schematu nie był potrzebny żaden szczegół, z wyjątkiem samego systemu operacyjnego. To prawda, że ​​liczba nie pokazuje połączenia zasilania, ale taki zarys schematów znajduje się bardzo często. Jedyne, na co chciałbym zwrócić uwagę, to to, że między zaciskami zasilacza operacyjnego (na przykład dla wzmacniacza operacyjnego KR140UD708 są to wnioski 7 i 4) i należy podłączyć wspólny przewód kondensatory blokujące o pojemności 0,01 ... 0,5 μF.

Ich celem jest zwiększenie stabilności działania wzmacniacza operacyjnego, aby pozbyć się samowzbudzenia obwodu wzdłuż obwodów mocy. Kondensatory powinny być podłączone jak najbliżej zacisków zasilania układu. Czasami jeden kondensator jest podłączony w oparciu o grupę kilku mikroukładów. Te same kondensatory można zobaczyć na płytkach z cyfrowymi mikroukładami, ich cel jest taki sam.

Wzmocnienie wzmacniacza jest równe jedności lub, inaczej mówiąc, nie ma też wzmocnienia. Skąd więc taki schemat? W tym miejscu należy przypomnieć, że istnieje obwód tranzystorowy - popychacz emitera, którego głównym celem jest dopasowanie kaskad o różnych rezystancjach wejściowych. Podobne kaskady (repeatery) są również nazywane buforami.

Rezystancja wejściowa wzmacniacza wzmacniacza operacyjnego jest obliczana jako iloczyn impedancji wejściowej wzmacniacza operacyjnego przez jego wzmocnienie. Na przykład dla wspomnianego UD708 impedancja wejściowa wynosi około 0,5 MΩ, wzmocnienie wynosi co najmniej 30 000, a może więcej. Po pomnożeniu tych liczb impedancja wejściowa wynosi 15 GΩ, co jest porównywalne z rezystancją niezbyt wysokiej jakości izolacji, takiej jak papier. Tak wysokiego wyniku raczej nie osiągnie się przy konwencjonalnym urządzeniu śledzącym emiter.

Aby opisy nie budziły wątpliwości, poniżej znajdują się rysunki pokazujące działanie wszystkich obwodów opisanych w programie symulator Multisim. Oczywiście wszystkie te schematy można montować na płycie pilśniowej, ale nie najgorsze wyniki można uzyskać na ekranie monitora.

W rzeczywistości jest tu jeszcze trochę lepiej: nie musisz iść gdzieś na półkę, aby zmienić rezystor lub mikroukład. Tutaj wszystko, nawet przyrządy pomiarowe, jest w programie i „dostaje się” za pomocą myszy lub klawiatury.

Ryc. 2 pokazuje układy repeatera wykonane w programie Multisim.

Rycina 2

Badanie obwodu jest dość proste. Sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1 KHz i amplitudzie 2 V jest przykładany na wejście repeatera z generatora funkcjonalnego, jak pokazano na rycinie 3.

Rycina 3

Oscyloskop obserwuje sygnał na wejściu i wyjściu repeatera: sygnał wejściowy jest wyświetlany przez niebieską wiązkę, a wyjściowa jest czerwona.

Rycina 4

I dlaczego, uważny czytelnik zapyta, czy sygnał wyjściowy (czerwony) jest dwa razy większy niż wejściowy niebieski? Wszystko jest bardzo proste: przy tej samej czułości kanałów oscyloskopu obie sinusoidy o tej samej amplitudzie i fazie łączą się w jeden, chowając się za sobą.

Aby rozróżnić oba z nich jednocześnie, musieliśmy zmniejszyć czułość jednego z kanałów, w tym przypadku wejścia. W rezultacie niebieska fala sinusoidalna osiągnęła dokładnie połowę wielkości na ekranie i przestała się chować za czerwoną. Chociaż aby osiągnąć taki wynik, możesz po prostu przesunąć promienie za pomocą elementów sterujących oscyloskopu, pozostawiając czułość kanałów taką samą.

Obie sinusoidy są umieszczone symetrycznie względem osi czasu, co wskazuje, że stała składowa sygnału jest równa zero. A co się stanie, jeśli do sygnału wejściowego zostanie dodany niewielki komponent DC? Wirtualny generator pozwala przesunąć falę sinusoidalną wzdłuż osi Y. Spróbujmy przesunąć ją w górę o 500mV.

Rycina 5

Co z tego wynika, pokazano na rycinie 6.

Rycina 6

Zauważalne jest, że sinusoidy wejściowe i wyjściowe wzrosły o pół wolta, nie zmieniając się wcale. Sugeruje to, że repeater dokładnie transmitował stałą składową sygnału. Ale najczęściej próbują pozbyć się tego stałego komponentu, aby był równy zero, co pozwala uniknąć użycia takich elementów obwodu, jak międzystopniowe kondensatory izolacyjne.

Repeater jest oczywiście dobry, a nawet piękny: nie był potrzebny żaden dodatkowy szczegół (chociaż istnieją obwody repeatera z niewielkimi „dodatkami”), ale nie otrzymały żadnego wzmocnienia.Co to za wzmacniacz? Aby uzyskać wzmacniacz, po prostu dodaj kilka szczegółów, jak to zrobić, zostanie opisane później.

Wzmacniacz odwracający

Aby zrobić wzmacniacz odwracający ze wzmacniacza operacyjnego, wystarczy dodać tylko dwa oporniki. Co z tego wynika, pokazano na ryc. 7.

Rysunek 7. Obwód wzmacniacza falownika

Wzmocnienie takiego wzmacniacza oblicza się według wzoru K = - (R2 / R1). Znak minus nie oznacza, że ​​wzmacniacz okazał się zły, a jedynie to, że sygnał wyjściowy będzie przeciwny w fazie względem wejścia. Nic dziwnego, że wzmacniacz nazywa się odwracaniem. W tym przypadku należy przypomnieć tranzystor zawarty w schemacie z OE. Tam również sygnał wyjściowy na kolektorze tranzystora znajduje się w fazie przeciwfazowej z sygnałem wejściowym dostarczanym do podstawy.

To jest miejsce, w którym warto pamiętać, ile wysiłku musisz włożyć, aby uzyskać czyste niezakłócone sinusoidy na kolektorze tranzystora. Konieczne jest odpowiednie dobranie polaryzacji na podstawie tranzystora. Z reguły jest to dość skomplikowane, w zależności od wielu parametrów.

Gdy używasz wzmacniacza operacyjnego, wystarczy po prostu obliczyć rezystancję rezystorów zgodnie ze wzorem i uzyskać określone wzmocnienie. Okazuje się, że ustawienie obwodu wzmacniacza operacyjnego jest znacznie prostsze niż ustawienie kilku stopni tranzystora. Dlatego nie należy obawiać się, że program nie zadziała, nie zadziała.

Rycina 8

Tutaj wszystko jest takie samo, jak na poprzednich rysunkach: sygnał wejściowy pokazany jest na niebiesko, czerwony za wzmacniaczem. Wszystko odpowiada formule K = - (R2 / R1). Sygnał wyjściowy jest przeciwfazowy z wejściem (co odpowiada znakowi minus we wzorze), a amplituda sygnału wyjściowego jest dokładnie dwa razy większa niż wejście. To samo dotyczy stosunku (R2 / R1) = (20/10) = 2. Aby uzyskać wzmocnienie, na przykład 10, wystarczy zwiększyć rezystancję rezystora R2 do 100 kΩ.

W rzeczywistości obwód wzmacniacza odwracającego może być nieco bardziej skomplikowany, taką opcję pokazano na rycinie 9.

Rycina 9Odwracający obwód wzmacniacza

Pojawiła się tutaj nowa część - rezystor R3 (raczej po prostu zniknął z poprzedniego obwodu). Jego celem jest kompensacja prądów wejściowych rzeczywistego systemu operacyjnego w celu zmniejszenia niestabilności temperaturowej komponentu DC na wyjściu. Wartość tego rezystora jest wybierana wzorem R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Nowoczesne wysoce stabilne opampy umożliwiają bezpośrednie podłączenie nieodwracającego wejścia do wspólnego przewodu bezpośrednio bez rezystora R3. Chociaż obecność tego elementu nie zrobi nic złego, ale przy obecnej skali produkcji, gdy oszczędzają na wszystkim, wolą nie instalować tego rezystora.

Wzory do obliczania wzmacniacza odwracającego pokazano na rysunku 10. Dlaczego na rysunku? Tak, tylko dla jasności, w linii tekstu nie wyglądałyby tak znajomo i zrozumiale, nie byłyby tak zauważalne.

Rycina 10

O zysku wspomniano wcześniej. Na uwagę zasługują rezystancje wejściowe i wyjściowe wzmacniacza nieodwracającego. Wszystko wydaje się jasne z rezystancją wejściową: okazuje się, że jest równa rezystancji rezystora R1, ale rezystancję wyjściową trzeba będzie obliczyć zgodnie ze wzorem pokazanym na rycinie 11.

Litera K ”oznacza współczynnik odniesienia wzmacniacza operacyjnego. Tutaj proszę obliczyć, jaka będzie impedancja wyjściowa. Okaże się, że będzie to dość mała liczba, nawet dla przeciętnego wzmacniacza operacyjnego typu UD7 o wartości K ”równej nie większej niż 30 000. W tym przypadku jest to dobre: ​​w końcu im niższy opór wyjściowy kaskady (dotyczy to nie tylko kaskad na wzmacniaczu operacyjnym), tym silniejsze jest obciążenie, w rozsądnych granicach , oczywiście w ramach limitów tę kaskadę można podłączyć.

Oddzielna uwaga powinna być poczyniona o jednostce w mianowniku wzoru do obliczania rezystancji wyjściowej. Załóżmy, że stosunek R2 / R1 wynosi na przykład 100. Jest to stosunek uzyskany w przypadku wzmocnienia wzmacniacza odwracającego 100.Okazuje się, że jeśli ta jednostka zostanie odrzucona, nic się nie zmieni. W rzeczywistości nie jest to do końca prawda.

Załóżmy, że rezystancja rezystora R2 wynosi zero, podobnie jak w przypadku repeatera. Następnie bez jedności cały mianownik staje się zerowy, a rezystancja wyjściowa również wynosi zero. A jeśli więc to zero jest gdzieś w mianowniku formuły, to jak go podzielić? Dlatego po prostu niemożliwe jest pozbyć się tej pozornie nieistotnej jednostki.

W jednym artykule, nawet wystarczająco dużym, po prostu nie pisz. Dlatego będziesz mieć wszystko, co nie pasowało do opowiedzenia w następnym artykule. Będzie opis wzmacniacza nieodwracającego, wzmacniacza różnicowego, jednobiegunowego wzmacniacza mocy. Podany zostanie również opis prostych obwodów do sprawdzania opampa.

Boris Aladyshkin