เครื่องขยายสัญญาณการดำเนินงาน ตอนที่ 2. แอมป์ที่สมบูรณ์แบบ

เพื่อทำความเข้าใจหลักการของการสร้างวงจรโดยใช้แอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานบ่อยครั้งพวกเขาจะใช้แนวคิดของแอมพลิฟายเออร์ในอุดมคติ อุดมการณ์ของมันคืออะไรคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมของมัน? มีไม่มาก แต่มีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์หรือแม้กระทั่งไม่มีที่สิ้นสุด แต่มีพฤติกรรมเช่นนั้น เครื่องขยายเสียงในการปฏิบัติงาน ไม่ครอบคลุมโดยฟีดแบ็ก (OS) และโดยทั่วไปจะไม่มีการเชื่อมต่อภายนอกใด ๆ

ในบทความนี้เราจะพยายามพูดคุยเกี่ยวกับผลตอบรับและรูปแบบบางอย่างสำหรับการรวมตัวขยายสัญญาณปฏิบัติการโดยไม่ต้องพูดถึงสูตรทางคณิตศาสตร์ที่ยุ่งยากกับอินทิกรัล แต่บางคนค่อนข้างเรียบง่ายและเข้าใจได้ในระดับชั้นที่แปดของโรงเรียนซึ่งจะช่วยให้เข้าใจความหมายทั่วไปยังคงหลีกเลี่ยงไม่ได้

ได้รับของ

ด้วยการได้รับ "อาละวาด" ดังกล่าวก็เพียงพอที่จะใช้ microvolts เพียงไม่กี่ตัวกับอินพุต (ตัวอย่างเช่นการรบกวนของสายไฟหลัก) เพื่อให้ได้แรงดันเอาต์พุตใกล้กับ 15V สถานะนี้ระบุถึงความอิ่มตัวของเอาต์พุต

มีความเหมาะสมที่จะเรียกคืนสถานะเดียวกันในทรานซิสเตอร์ ตามธรรมชาติในรูปแบบนี้จะไม่ได้รับอะไรเลย ดังนั้นแอมพลิฟายเออร์ในการใช้งานจริงจึงได้รับการตอบรับเชิงลบซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่าง

แม้ว่ามันควรจะสังเกตว่ามักจะใช้เครื่องขยายเสียงในการดำเนินงานโดยไม่มีข้อเสนอแนะและในบางกรณีมีการตอบรับเชิงบวก แอปพลิเคชันนี้พบใน comparators - อุปกรณ์สำหรับการเปรียบเทียบความแม่นยำของสัญญาณอะนาล็อก อุปกรณ์เปรียบเทียบมีให้ในรูปแบบของวงจรเฉพาะและยังเป็นส่วนหนึ่งของวงจรขนาดเล็กอื่น ๆ แค่จำตำนาน แบบบูรณาการจับเวลา NE555ซึ่งมีภายในตัวเปรียบเทียบสองตัว

ประวัติศาสตร์ที่ผ่านมาเกือบ

ในครั้งเดียวอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในประเทศยังเชี่ยวชาญการผลิตแอมป์ที่ใช้งานได้ แอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงานตัวแรกคือ K1UT401A (B) ต่อมาเปลี่ยนชื่อเป็น K140UD1 ด้วยตัวอักษรเดียวกันในตอนท้าย ดังนั้นการเป็นสำเนาที่แน่นอนของพี่ชายชาวอเมริกัน UA702 อะนาล็อกที่มีตัวอักษร A ที่แรงดันไฟฟ้า± 6V ได้รับในช่วง 500 ... 4500 และตัวอักษร B (± 12V) 1500 ... 13000

ตามมาตรฐานที่ทันสมัยนี่เป็นเพียงเรื่องไร้สาระ แต่อย่างไรก็ตามเครื่องขยายเสียงโบราณเหล่านี้ยังสามารถพบได้ แต่ถึงแม้จะได้ "น้อย" ดังกล่าวก็เป็นไปไม่ได้ที่จะทำโดยไม่มีการตอบรับเชิงลบ

และเพียงแค่รูปลักษณ์ของแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้ในการออกแบบแบบบูรณาการได้แนะนำส่วนประกอบที่เป็นสากลนี้เข้าสู่วงจรอุตสาหกรรม ท้ายที่สุดคุณต้องยอมรับว่าแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานกับหลอดอิเล็กทรอนิกส์หรือแม้แต่ตัวเลือกทรานซิสเตอร์ยกเว้นในการป้องกัน AVM ไม่สามารถใช้งานได้

อินพุตและเอาต์พุตของตัวขยายสัญญาณการดำเนินงาน

แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานมีสองอินพุตและหนึ่งเอาต์พุตและแน่นอนสองเอาต์พุตสำหรับการจ่ายแรงดันไฟฟ้า นี่คือข้อสรุปขั้นต่ำที่สำคัญยิ่ง นี่คือสิ่งที่เป็นจริงด้วยแอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงานที่ทันสมัยที่สุด เมื่อมีข้อสรุปสำหรับการเชื่อมต่อองค์ประกอบของการแก้ไขความถี่และความสมดุล

อาหารมักเป็นขั้วสองขั้วที่มีจุดกึ่งกลางซึ่งทำให้สามารถขยายสัญญาณด้วยแรงดันไฟฟ้าคงที่ได้ ในกรณีนี้เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าช่วงความถี่ของแอมพลิฟายเออร์เริ่มต้นจาก 0 Hz และความถี่บนถูก จำกัด ทั้งประเภทแอมพลิฟายเออร์ตัวเองวงจรภายในและชนิดของทรานซิสเตอร์และวงจรสวิตชิ่ง

แบนด์วิดธ์ของแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานในอุดมคตินั้นมีตั้งแต่ DC ไปจนถึงอินฟินิตี้นอกจากนี้ความเร็วหรืออัตราการฆ่าของสัญญาณเอาท์พุตมีแนวโน้มที่จะไม่มีที่สิ้นสุด แต่เราจะไม่พิจารณาปัญหานี้ในตอนนี้

สิ่งที่ช่วยเพิ่มแอมป์การทำงาน

แรงดันเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานนั้นแปรผันตามความแตกต่างของแรงดันที่อินพุต ในกรณีนี้ระดับที่แน่นอนของสัญญาณเช่นเดียวกับขั้วของพวกเขาไม่ได้มีบทบาทพิเศษ ความแตกต่างเท่านั้นที่สำคัญ และเนื่องจากคำศัพท์ทางอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดมาจากภาษาอังกฤษดังนั้นจึงถึงเวลาที่ต้องจำคำว่า "แตกต่าง" ซึ่งหมายถึงความแตกต่างความแตกต่าง (พจนานุกรม "Multitran") และแอมปลิฟายเออร์ของหลักการทำงานนี้เรียกว่าดิฟเฟอเรนเชียล

สิ่งที่ไม่ขยายแอมป์การทำงาน

ที่นี่เรายังสามารถจำคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมของแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้เช่นเดียวกับการลดทอนสัญญาณโหมดทั่วไป: หากใช้สัญญาณเดียวกันกับอินพุตทั้งสองสัญญาณจะไม่ถูกขยาย สิ่งนี้ใช้เมื่อใช้สัญญาณผ่านสายยาว: สัญญาณที่เป็นประโยชน์มีเฟสที่แตกต่างกันในขณะที่สัญญาณรบกวนที่อินพุตทั้งสองเหมือนกัน

สิ่งที่สามารถหาได้ที่เอาท์พุทของแอมป์ขยายเสียง

อิมพีแดนซ์เอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์ในอุดมคตินั้นมีค่าเป็นศูนย์ซึ่งในทางทฤษฎีแล้วคุณจะได้รับสัญญาณขนาดใหญ่โดยพลการไม่ จำกัด ที่เอาต์พุต ในความเป็นจริงแรงดันเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์สำหรับการใช้งานจริงนั้นถูก จำกัด ด้วยแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ: หากแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟแบบสองขั้วเช่น± 15V ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะได้รับ +20 หรือ -25

นี่คือเกี่ยวกับการขยายของแรงดันไฟฟ้าคงที่ ในกรณีที่มีการขยายสัญญาณเช่นไซน์ไซด์ที่เอาต์พุตควรจะได้รับไซน์ด้วยความกว้างไม่เกินแรงดันไฟฟ้า

แรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาต์พุตไม่สามารถสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าของแหล่งพลังงาน ตัวอย่างเช่นเมื่อใช้พลังงานโดย± 15V แรงดันเอาต์พุตจะลดลง 0.5 ... 1.5V แต่วงจรที่ทันสมัยบางตัวอนุญาตให้มีแรงดันเท่ากับอุปทานที่เอาท์พุทและอินพุต คุณสมบัติในเอกสารข้อมูลนี้เรียกว่า Rail-to-Rail หมายถึง“ ยางต่อยาง” เมื่อเลือกแอมพลิฟายเออร์สำหรับการใช้งานคุณควรใส่ใจกับคุณสมบัตินี้

อินพุตความต้านทาน

อิมพีแดนซ์อินพุตของอินพุตแอมพลิฟายเออร์ทั้งสองมีขนาดใหญ่มากและอยู่ใน MegaOhm นับร้อยและในบางกรณีแม้แต่ GigaOhm สำหรับการเปรียบเทียบ: K1UT401 ที่กล่าวถึงข้างต้นมีความต้านทานอินพุตเพียงไม่กี่สิบ kOhm

แน่นอนว่าอิมพีแดนซ์อินพุตนั้นมีค่าไม่ถึงอินฟินิตี้เช่นแอมพลิฟายเออร์ในอุดมคติ แต่ก็ยังมีขนาดใหญ่มากจนไม่ส่งผลกระทบต่อระดับสัญญาณอินพุท จากนี้เราสามารถสรุปได้ว่าไม่มีกระแสในอินพุต นี่เป็นหนึ่งในหลักการสำคัญที่ใช้ในการคำนวณและวิเคราะห์วงจรในแอมปลิฟายเออร์ที่ใช้งาน สำหรับตอนนี้คุณต้องจำไว้

คำสั่งสุดท้ายเกี่ยวข้องโดยตรงกับเครื่องขยายสัญญาณการดำเนินงาน ความต้านทานอินพุตสูงดังกล่าวมีอยู่ในแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานของตัวเอง แต่อิมพีแดนซ์อินพุตของวงจรต่าง ๆ ที่อยู่บนพื้นฐานนั้นอาจต่ำกว่ามาก ควรจำเหตุการณ์เช่นนี้เสมอ และตอนนี้ระวังเรื่องราวเริ่มต้นด้วยสิ่งที่สำคัญที่สุด

ข้อเสนอแนะเชิงลบ (OOS)

OOS ไม่มีอะไรมากไปกว่าการเชื่อมต่อระหว่างเอาท์พุทและอินพุทซึ่งส่วนหนึ่งของเอาท์พุทจะถูกลบออกจากสัญญาณอินพุต การเชื่อมต่อเช่นนี้นำไปสู่การลดลงของกำไร ซึ่งแตกต่างจาก OOS มีการตอบรับเชิงบวก (POS) ซึ่งรวมสัญญาณอินพุตกับส่วนหนึ่งของเอาต์พุต การเชื่อมต่อดังกล่าวไม่เพียง แต่ใช้ในเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น แต่ในหลายกรณีเช่นในกลศาสตร์ ผลของการตอบกลับเหล่านี้สามารถกำหนดลักษณะดังนี้ OOS นำไปสู่ความมั่นคงของระบบบวกนำไปสู่ความไม่แน่นอน

ในความสัมพันธ์กับแอมปลิฟายเออร์ที่เป็นปัญหา OOS ช่วยให้คุณตั้งค่ากำไรด้วยความแม่นยำที่เพียงพอและยังนำไปสู่การปรับปรุงคุณภาพและแม้แต่วงจรที่น่าพอใจ แต่ก่อนอื่นคุณต้องคิดออกว่า OOS ทำงานอย่างไรเป็นตัวอย่างให้พิจารณาวงจรที่สามารถพบได้ในตำราเรียนใด ๆ เกี่ยวกับระบบอัตโนมัติ

รูปที่ 1

ละเว้นเอาต์พุตสัญญาณ U.output จากเอาต์พุตที่ส่งไปยังอุปกรณ์รวม (วงกลมที่มีเครื่องหมายบวกอยู่) ผ่านวงจร OOS ที่มีสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนβในกรณีนี้น้อยกว่าหนึ่ง หากสัมประสิทธิ์นี้ทำมากกว่าความสามัคคีซึ่งเป็นไปได้ในทางเทคนิคแล้วแทนที่จะขยายสัญญาณเราจะได้รับการลดทอน แต่สำหรับตอนนี้เราจะสมมติว่าเราต้องการการเสริมความแข็งแกร่งอย่างแม่นยำ

หน้าผา OOS เป็นเพียงอุบัติเหตุ

หากคุณทำลายลูปป้อนกลับแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงานจะเป็น U.out = K * U มูลค่ามหาศาลในทางทฤษฎี ในความเป็นจริงมันจะถูก จำกัด โดยขนาดของแรงดันไฟฟ้า เรื่องนี้ได้รับการกล่าวก่อนหน้านี้ ตัวอย่างที่คล้ายกัน: ถ้าเป็นมอเตอร์ไฟฟ้าที่มีความเสถียรของการปฏิวัติ (เช่นการป้อนกลับ) มันก็จะเร่งความเร็วเท่าที่จะทำได้ ในกรณีนี้พวกเขาบอกว่าระบบไป "เร่ขาย"

ผ่านวงจรของวงจร OOS สัญญาณเอาท์พุทจะถูกลดทอนโดยβ * U.output ดังนั้นเฉพาะ (U.in. -β * U.out.) มาที่อินพุตของเครื่องขยายเสียงผ่านตัวบวกเครื่องหมายลบแสดงว่าข้อเสนอแนะนั้นเป็นค่าลบ หลังจากผ่านอุปกรณ์ที่มี gain K เอาต์พุตจะเป็น U.output = K * (U.in. -β * U.out.) ในทางกลับกันการเพิ่มขึ้นของทั้งระบบ K.us. = U.out./U.in และปรากฎว่า U.out. = K *

หลังจากการแปลงบางอย่างหนึ่งสามารถรับผลลัพธ์ต่อไปนี้: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

การแปลงทั้งหมดเหล่านี้นำไปสู่สูตรอย่างง่าย K.us. = K / (1+ K * β) หากเราสมมติว่า K in มีขนาดใหญ่พอ (และในกรณีของการใช้แอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้จริง ๆ ) จากนั้นยูนิตในวงเล็บจะไม่ได้รับสภาพอากาศมากนักสามารถทิ้งได้เนื่องจากสูตรจะใช้รูปแบบต่อไปนี้:

เคซัส = 1 / β

สูตรที่เกิดขึ้น (ซึ่งอันที่จริงแล้วเป็นเหตุผลว่าทำไมทั้งรั้วของสูตรถูกรวมเข้าด้วยกัน) ทำให้เราสามารถระบุได้ว่าสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนของแอมพลิฟายเออร์ในวงจรป้อนกลับไม่ได้ขึ้นอยู่กับกำไรของแอมพลิฟายเออร์ตัวเอง ค่าสัมประสิทธิ์การส่งของมันβ แต่อย่างไรก็ตามยิ่งได้รับแอมพลิฟายเออร์ในการทำงานที่สูงขึ้นเท่าไหร่สูตรที่กำหนดก็ยิ่งแม่นยำมากขึ้นเท่านั้น

ดังนั้นแอมพลิฟายเออร์แบบลดหลั่นบนแอมปลิฟายเออร์ในการดำเนินงานไม่จำเป็นต้องทำการจูนตามปกติการลดหลั่นของทรานซิสเตอร์: เพียงแค่ตัวต้านทานป้อนกลับแบบสะท้อนกลับที่ถูกคำนวณบัดกรีได้รับน้ำตกที่ต้องการ วิธีทำสิ่งนี้จะอธิบายไว้ในบทความถัดไป