ข้อเสนอแนะวงจรเครื่องขยายการดำเนินงาน

ทวนและแอมป์ย้อนกลับ

ในตอนท้ายของบทความ “ แอมพลิฟายเออร์ในอุดมคติ” มันแสดงให้เห็นว่าเมื่อใช้แอมพลิฟายเออร์สำหรับการดำเนินงานในวงจรสวิตชิ่งที่หลากหลายการขยายของแอมพลิฟายเออร์สำหรับแอมพลิฟายเออร์ (OA) ขึ้นอยู่กับความลึกของเสียงตอบรับเท่านั้น ดังนั้นในสูตรเพื่อหากำไรของวงจรหนึ่ง ๆ จะไม่ได้ใช้ประโยชน์จาก "เปลือย" op-amp เพื่อพูด นั่นเป็นเพียงสัมประสิทธิ์ขนาดใหญ่ที่ระบุไว้ในไดเรกทอรี

ก็ค่อนข้างเหมาะสมที่จะถามคำถาม:“ ถ้าผลลัพธ์สุดท้าย (กำไร) ไม่ขึ้นอยู่กับสัมประสิทธิ์“ อ้างอิง” ขนาดใหญ่นี้แล้วความแตกต่างระหว่าง opamp ที่มีการขยายหลายพันครั้งและด้วย opamp เดียวกัน แต่มีการขยายหลายแสน และอีกหลายล้าน?”

คำตอบนั้นง่ายมาก ในทั้งสองกรณีผลลัพธ์จะเหมือนกันอัตราการเพิ่มของน้ำตกจะถูกกำหนดโดยองค์ประกอบ OOS แต่ในกรณีที่สอง (opamp ที่มีอัตราขยายสูง) วงจรทำงานมีเสถียรภาพมากขึ้นแม่นยำมากขึ้นความเร็วของวงจรดังกล่าวจะสูงกว่ามาก ด้วยเหตุผลที่ดีแอมป์แอมป์จะถูกแบ่งออกเป็นแอมป์แอปพลิเคชันทั่วไปและความแม่นยำสูงความแม่นยำ

ดังที่ได้กล่าวไปแล้วเครื่องขยายเสียง“ การปฏิบัติงาน” ที่เป็นปัญหาได้รับมาในช่วงเวลาดังกล่าวเมื่อพวกเขาใช้เป็นหลักในการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ในคอมพิวเตอร์แอนะล็อก (AVM) สิ่งเหล่านี้เป็นการดำเนินการของการบวกการลบการคูณการหารการหารและการทำงานอื่น ๆ อีกมากมาย

op-amps antediluvian เหล่านี้ถูกดำเนินการบนหลอดอิเล็กตรอนต่อมาในทรานซิสเตอร์แบบแยกและส่วนประกอบวิทยุอื่น ๆ โดยธรรมชาติขนาดของแอมป์ทรานซิสเตอร์แม้มีขนาดใหญ่พอที่จะใช้ในการสร้างมือสมัครเล่น

และหลังจากนั้นด้วยความสำเร็จของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการ op-amps ก็กลายเป็นขนาดของทรานซิสเตอร์พลังงานต่ำธรรมดาการใช้ชิ้นส่วนเหล่านี้ในอุปกรณ์ที่ใช้ในครัวเรือนและวงจรมือสมัครเล่นกลายเป็นธรรม

โดยวิธีการที่ทันสมัย ​​op-amps แม้คุณภาพค่อนข้างสูงในราคาไม่สูงกว่าทรานซิสเตอร์สองหรือสาม คำสั่งนี้ใช้กับแอมป์สหกรณ์ทั่วไป แอมพลิฟายเออร์ที่มีความแม่นยำอาจมีราคาสูงขึ้น

เกี่ยวกับวงจรบน op-amp มันเป็นเรื่องที่น่าสังเกตว่าพวกมันถูกขับเคลื่อนโดยแหล่งพลังงานสองขั้ว โหมดดังกล่าวเป็นโหมด "ปกติ" ที่สุดสำหรับ op-amp ซึ่งช่วยขยายสัญญาณ AC แรงดันไฟฟ้าไม่เพียงสัญญาณไซน์เช่นสัญญาณไซน์หรือแรงดันไฟฟ้า

และบ่อยครั้งที่แหล่งจ่ายไฟของวงจรบน op-amp นั้นทำมาจากแหล่งกำเนิดพลังงานเดียว จริงในกรณีนี้มันเป็นไปไม่ได้ที่จะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าคงที่ แต่บ่อยครั้งที่มันไม่จำเป็น วงจรที่มีแหล่งจ่ายไฟแบบ unipolar จะอธิบายในภายหลัง แต่สำหรับตอนนี้เราจะดำเนินการต่อเกี่ยวกับแผนการสำหรับการเปิด op-amp ด้วยพลังงานแบบ bipolar

แรงดันไฟฟ้าของ op-amps ส่วนใหญ่มักภายใน± 15V แต่นี่ไม่ได้หมายความว่าแรงดันไฟฟ้านี้ไม่สามารถทำได้ค่อนข้างต่ำ (ไม่แนะนำให้สูงขึ้น) op-amps หลายตัวทำงานอย่างเสถียรเริ่มตั้งแต่± 3V และบางรุ่นอาจมีค่า± 1.5V ความเป็นไปได้ดังกล่าวระบุไว้ในเอกสารทางเทคนิค (DataSheet)

ผู้ติดตามแรงดันไฟฟ้า

เป็นอุปกรณ์วงจรที่ง่ายที่สุดใน op-amp วงจรจะแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1. วงจรติดตามแรงดันไฟฟ้าของเครื่องขยายเสียงที่ใช้งาน

มันง่ายที่จะเห็นว่าการสร้างรูปแบบดังกล่าวไม่จำเป็นต้องมีรายละเอียดเพียงอย่างเดียวยกเว้นสำหรับแอมป์ตัวเอง จริงการเชื่อมต่อสายไฟไม่ได้แสดงไว้ในภาพ แต่พบโครงร่างดังกล่าวบ่อยครั้งมาก สิ่งเดียวที่ฉันต้องการทราบคือระหว่างขั้วของแหล่งจ่ายไฟ op-amp (ตัวอย่างเช่นสำหรับ KR140UD708 op-amp สิ่งเหล่านี้คือข้อสรุป 7 และ 4) และควรจะเชื่อมต่อสายทั่วไป การปิดกั้นตัวเก็บประจุ ด้วยความจุ 0.01 ... 0.5 μF

วัตถุประสงค์ของพวกเขาคือเพื่อให้การดำเนินงานของแอมป์สหกรณ์มีเสถียรภาพมากขึ้นเพื่อกำจัดการกระตุ้นของวงจรตามวงจรไฟฟ้า ตัวเก็บประจุควรเชื่อมต่อให้ใกล้กับขั้วอำนาจของชิปมากที่สุด บางครั้งตัวเก็บประจุตัวหนึ่งเชื่อมต่ออยู่กับกลุ่มของไมโครหลายวงจร ตัวเก็บประจุแบบเดียวกันนั้นสามารถเห็นได้บนบอร์ดที่มีวงจรดิจิตอลขนาดเล็กจุดประสงค์ของมันก็เหมือนกัน

กำไรของ repeater นั้นเท่ากับความสามัคคีหรือเพื่อนำไปใช้ในทางอื่นไม่มีประโยชน์เช่นกัน แล้วทำไมโครงการดังกล่าว ที่นี่มันค่อนข้างเหมาะสมที่จะจำว่ามีวงจรทรานซิสเตอร์ - ผู้ติดตาม emitter วัตถุประสงค์หลักของการจับคู่ของน้ำตกที่มีความต้านทานอินพุตที่แตกต่างกัน พรูที่คล้ายกัน (ทวนซ้ำ) จะเรียกว่าบัฟเฟอร์

ความต้านทานอินพุตของ repeater บน op-amp นั้นคำนวณจากผลของอิมพิแดนซ์อินพุตของ op-amp โดยอัตราขยาย ตัวอย่างเช่นสำหรับ UD708 ที่กล่าวถึงความต้านทานอินพุตมีค่าประมาณ 0.5 MΩอัตราขยายจะเพิ่มขึ้นอย่างน้อย 30,000 และอาจมากกว่านั้น ถ้าคุณคูณตัวเลขเหล่านี้แล้วอิมพีแดนซ์อินพุตคือ 15 GΩซึ่งเทียบได้กับความต้านทานของฉนวนที่มีคุณภาพไม่มากเช่นกระดาษ ผลลัพธ์ที่สูงเช่นนี้ไม่น่าจะเกิดขึ้นได้กับผู้ติดตาม emitter ธรรมดา

เพื่อให้คำอธิบายไม่ต้องสงสัยด้านล่างเป็นตัวเลขที่แสดงการทำงานของวงจรทั้งหมดที่อธิบายไว้ในโปรแกรมจำลอง Multisim แน่นอนรูปแบบเหล่านี้ทั้งหมดสามารถประกอบบนเขียงหั่นขนม แต่ไม่สามารถได้ผลลัพธ์ที่เลวร้ายที่สุดบนหน้าจอมอนิเตอร์

ที่จริงแล้วมันดีกว่านิดหน่อยที่นี่: คุณไม่ต้องไปที่ไหนสักแห่งบนหิ้งเพื่อเปลี่ยนตัวต้านทานหรือไมโครเซอร์กิต ทุกอย่างที่นี่แม้แต่เครื่องมือวัดก็อยู่ในโปรแกรมและ "รับ" โดยใช้เมาส์หรือแป้นพิมพ์

รูปที่ 2 แสดงวงจร repeater ในโปรแกรม Multisim

รูปที่ 2

การศึกษาวงจรค่อนข้างง่าย สัญญาณไซน์ที่มีความถี่ 1 KHz และแอมพลิจูด 2 V ถูกนำไปใช้กับอินพุตของ repeater จากเครื่องกำเนิดการทำงานดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3

สัญญาณที่อินพุทและเอาท์พุทของ repeater นั้นถูกตรวจจับโดยออสซิลโลสโคป: สัญญาณอินพุตจะแสดงด้วยลำแสงสีฟ้า, ลำแสงเอาต์พุตเป็นสีแดง

รูปที่ 4

และทำไมผู้อ่านที่สนใจจะถามว่าสัญญาณเอาท์พุต (สีแดง) ใหญ่เป็นสองเท่าของอินพุทสีฟ้าหรือไม่? ทุกอย่างง่ายมาก: ด้วยความไวเท่ากันของช่องออสซิลโลสโคปไซนัสทั้งสองที่มีแอมพลิจูดเดียวกันและเฟสรวมเข้าด้วยกันให้ซ่อนอยู่ด้านหลังกันและกัน

เพื่อให้ทั้งคู่ออกมาพร้อมกันเราต้องลดความไวของหนึ่งในช่องในกรณีนี้อินพุต ด้วยเหตุนี้คลื่นไซน์สีน้ำเงินจึงกลายเป็นครึ่งหนึ่งของขนาดบนหน้าจอและหยุดซ่อนด้านหลังสีแดง ถึงแม้ว่าจะได้ผลลัพธ์ดังกล่าวคุณก็สามารถเลื่อนรังสีด้วยการควบคุมของออสซิลโลสโคปโดยทำให้ความไวของช่องสัญญาณลดลง

ไซนัสด์ทั้งสองนั้นตั้งอยู่แบบสมมาตรสัมพันธ์กับแกนเวลาซึ่งบ่งชี้ว่าส่วนประกอบคงที่ของสัญญาณเท่ากับศูนย์ และจะเกิดอะไรขึ้นหากมีการเพิ่มส่วนประกอบ DC ขนาดเล็กลงในสัญญาณอินพุต เครื่องกำเนิดเสมือนอนุญาตให้คุณเลื่อนคลื่นไซน์ไปตามแกน Y ลองเปลี่ยนเป็น 500mV ขึ้นไป

รูปที่ 5

สิ่งที่ออกมาจากสิ่งนี้แสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6

เป็นที่น่าสังเกตว่าไซนัสด์อินพุทและเอาท์พุตเพิ่มขึ้นครึ่งโวลต์ในขณะที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลย สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าตัวทวนสัญญาณส่งสัญญาณค่าคงที่ขององค์ประกอบอย่างแม่นยำ แต่บ่อยครั้งที่พวกเขาพยายามที่จะกำจัดส่วนประกอบคงที่นี้ทำให้มันเท่ากับศูนย์ซึ่งหลีกเลี่ยงการใช้องค์ประกอบวงจรเช่นตัวเก็บประจุแยกช่วง

แน่นอนว่า repeater นั้นดีและสวยงาม: ไม่ต้องการรายละเอียดเพิ่มเติม (แม้ว่าจะมีวงจร repeater ที่มี "การเพิ่มเติม" เล็กน้อย) แต่พวกเขาไม่ได้รับประโยชน์ใด ๆเครื่องขยายเสียงแบบนี้คืออะไร? ในการรับแอมพลิฟายเออร์เพียงเพิ่มรายละเอียดเล็ก ๆ น้อย ๆ วิธีการทำสิ่งนี้จะอธิบายในภายหลัง

แอมป์อินเวอร์เตอร์

ในการสร้างแอมป์ย้อนกลับจาก op-amp มันก็เพียงพอที่จะเพิ่มตัวต้านทานเพียงสองตัว สิ่งที่มานี้แสดงในรูปที่ 7

รูปที่ 7 วงจรเครื่องขยายเสียงอินเวอร์เตอร์

อัตราขยายของเครื่องขยายเสียงดังกล่าวคำนวณโดยสูตร K = - (R2 / R1) เครื่องหมายลบไม่ได้หมายความว่าแอมพลิฟายเออร์นั้นเสีย แต่สัญญาณเอาต์พุตจะอยู่ในทิศทางตรงกันข้ามกับเฟสของอินพุต ไม่น่าแปลกใจที่แอมป์เรียกว่ากลับหัวกลับหาง ที่นี่จะเป็นการเหมาะสมที่จะเรียกคืนทรานซิสเตอร์ที่รวมอยู่ในโครงการด้วย OE ที่นั่นเช่นกันสัญญาณเอาต์พุตบนตัวสะสมของทรานซิสเตอร์อยู่ในแอนติเฟสด้วยสัญญาณอินพุตที่ส่งไปยังฐาน

นี่คือที่ที่มันควรค่าแก่การจดจำว่าคุณต้องใช้ความพยายามมากแค่ไหนเพื่อที่จะได้รับไซน์อยด์บริสุทธิ์ที่ไม่มีการเรียงลำดับบนตัวสะสมของทรานซิสเตอร์ จำเป็นต้องเลือกไบอัสตามทรานซิสเตอร์ กฎนี้ค่อนข้างซับซ้อนขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์หลายตัว

เมื่อใช้ op-amp มันก็เพียงพอที่จะคำนวณความต้านทานของตัวต้านทานตามสูตรและได้รับผลตอบแทนที่กำหนด ปรากฎว่าการตั้งค่าวงจรบน op-amp นั้นง่ายกว่าการติดตั้งทรานซิสเตอร์หลายหลาก ดังนั้นหนึ่งไม่ควรกลัวว่าโครงการจะไม่ทำงานก็จะไม่ทำงาน

รูปที่ 8

ที่นี่ทุกอย่างเหมือนกับในรูปก่อนหน้า: สัญญาณอินพุตจะแสดงเป็นสีน้ำเงินมันเป็นสีแดงหลังจากแอมพลิฟายเออร์ ทุกอย่างสอดคล้องกับสูตร K = - (R2 / R1) สัญญาณเอาท์พุตอยู่ใน antiphase พร้อมกับอินพุต (ซึ่งสอดคล้องกับเครื่องหมายลบในสูตร) ​​และแอมพลิจูดของสัญญาณเอาท์พุทเป็นสองเท่าของอินพุต ซึ่งเป็นจริงด้วยอัตราส่วน (R2 / R1) = (20/10) = 2 เพื่อให้ได้รับเช่น 10 ก็เพียงพอที่จะเพิ่มความต้านทานของตัวต้านทาน R2 เป็น100KΩ

ในความเป็นจริงวงจรของแอมพลิฟายเออร์กลับด้านอาจมีความซับซ้อนมากกว่าเช่นตัวเลือกดังแสดงในรูปที่ 9

รูปที่ 9วงจรขยายสัญญาณอินเวอร์เตอร์

ส่วนใหม่ปรากฏขึ้นที่นี่ - ตัวต้านทาน R3 (ค่อนข้างจะหายไปจากวงจรก่อนหน้านี้) โดยมีวัตถุประสงค์คือเพื่อชดเชยกระแสอินพุตของ opamp จริงเพื่อลดความไม่แน่นอนของอุณหภูมิของส่วนประกอบ DC ที่เอาท์พุท ค่าของตัวต้านทานนี้ถูกเลือกโดยสูตร R3 = R1 * R2 / (R1 + R2)

opamp ที่มีความเสถียรสูงและทันสมัยช่วยให้สามารถเชื่อมต่ออินพุตที่ไม่กลับเข้ากับลวดทั่วไปได้โดยตรงโดยไม่ต้องมีตัวต้านทาน R3 แม้ว่าการปรากฏตัวขององค์ประกอบนี้จะไม่ทำอะไรไม่ดี แต่ในระดับการผลิตปัจจุบันเมื่อพวกเขาบันทึกในทุกสิ่งที่พวกเขาต้องการที่จะไม่ติดตั้งตัวต้านทานนี้

สูตรสำหรับคำนวณแอมพลิฟายเออร์กลับด้านแสดงในรูปที่ 10 ทำไมถึงอยู่ในรูป ใช่เพียงเพื่อความชัดเจนในบรรทัดของข้อความที่พวกเขาจะไม่ดูคุ้นเคยและเข้าใจได้จะไม่สามารถสังเกตเห็นได้

รูปที่ 10

เกี่ยวกับกำไรดังกล่าวก่อนหน้านี้ ที่นี่ความต้านทานอินพุทและเอาท์พุทของแอมพลิฟายเออร์ที่ไม่กลับด้านมีความสำคัญ ทุกอย่างดูเหมือนจะชัดเจนด้วยความต้านทานอินพุต: มันจะเท่ากับความต้านทานของตัวต้านทาน R1 แต่ความต้านทานเอาต์พุตจะต้องคำนวณตามสูตรที่แสดงในรูปที่ 11

ตัวอักษร K” หมายถึงสัมประสิทธิ์การอ้างอิงของ op-amp ที่นี่โปรดคำนวณว่าอิมพิแดนซ์เอาท์พุทจะเท่ากับอะไร มันจะกลายเป็นรูปร่างที่ค่อนข้างเล็กแม้สำหรับแอมป์เฉลี่ยประเภท UD7 ที่มี K” เท่ากับไม่เกิน 30,000 ในกรณีนี้นี่เป็นสิ่งที่ดี: หลังจากทั้งหมดความต้านทานเอาท์พุทของคาสเคดที่ต่ำลง แน่นอนภายในขีด จำกัด น้ำตกนี้สามารถเชื่อมต่อได้

ควรมีคำพูดแยกต่างหากเกี่ยวกับหน่วยในตัวส่วนของสูตรสำหรับการคำนวณความต้านทานเอาต์พุต สมมติว่าอัตราส่วนคือ R2 / R1 ตัวอย่างเช่น 100 นี่คืออัตราส่วนที่ได้รับในกรณีของอัตราขยายของแอมพลิฟายเออร์กลับด้าน 100ปรากฎว่าหากหน่วยนี้ถูกทิ้งแล้วไม่มีอะไรจะเปลี่ยนแปลงมาก ในความเป็นจริงมันไม่จริงทั้งหมด

สมมติว่าความต้านทานของตัวต้านทาน R2 เป็นศูนย์เช่นเดียวกับในกรณีของตัวต้านทาน ตัวหารทั้งหมดจะกลายเป็นศูนย์และความต้านทานเอาต์พุตก็เป็นศูนย์เช่นกัน และถ้าศูนย์นี้ปรากฏที่ใดที่หนึ่งในตัวหารของสูตรคุณจะสั่งให้หารได้อย่างไร? ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้เลยที่จะกำจัดหน่วยที่ไม่มีนัยสำคัญนี้

ในบทความเดียวมีขนาดใหญ่พอเพียงอย่าเขียน ดังนั้นคุณจะมีทุกสิ่งที่ไม่เหมาะสมที่จะบอกในบทความถัดไป จะมีคำอธิบายของเครื่องขยายเสียงที่ไม่กลับด้านเครื่องขยายเสียงที่แตกต่างกันเครื่องขยายเสียงกำลังเดียว คำอธิบายจะได้รับจากวงจรที่เรียบง่ายสำหรับการตรวจสอบ opamp

Boris Aladyshkin