Operačné zosilňovače. Časť 2. Dokonalý operačný zosilňovač

Aby lepšie porozumeli princípom konštrukcie obvodov pomocou operačných zosilňovačov, často používajú koncept ideálneho operačného zosilňovača. Aká je jeho ideálnosť, nádherné vlastnosti? Nie je ich toľko, ale všetci majú sklon buď k nule, alebo dokonca k nekonečnu. Ale správa sa takto operačný zosilňovač nie sú pokryté spätnou väzbou (OS) a spravidla nemajú externé pripojenia.

V tomto článku sa pokúsime hovoriť o spätnej väzbe a niektorých schémach zahrnutia operačných zosilňovačov bez toho, aby sme spomenuli ťažkopádne matematické vzorce s integrálmi. Ale niektorým, celkom jednoduchým a zrozumiteľným na úrovni ôsmej triedy školy, ktoré pomôžu pochopiť všeobecný význam, sa stále nedá vyhnúť.

zisk

S týmto „nespútaným“ ziskom stačí na jeho vstupy aplikovať iba niekoľko mikrovoltov (napríklad rušenie zo siete), aby sa výstupné napätie priblížilo k 15V. Tento stav indikuje saturáciu výstupu.

Je vhodné pripomenúť ten istý stav v tranzistoroch. Prirodzene, v tejto forme sa nedosiahne vôbec žiadny zisk. Preto sú skutočné operačné zosilňovače vždy pokryté negatívnou spätnou väzbou, ktorá bude uvedená nižšie.

Je potrebné poznamenať, že operačné zosilňovače sa často používajú bez spätnej väzby av niektorých prípadoch s pozitívnou spätnou väzbou. Táto aplikácia sa nachádza v komparátory - zariadenia na presné porovnávanie analógových signálov. Komparátory sú k dispozícii vo forme špecializovaných mikroobvodov a sú tiež súčasťou iných mikroobvodov. Len si pamätajte legendárny integrovaný časovač NE555, ktorý v sebe obsahuje dva komparátory.

Takmer nedávna história

Domáci elektronický priemysel naraz zvládol aj výrobu operačných zosilňovačov. Prvým operačným zosilňovačom bol K1UT401A (B), ktorý bol na konci premenovaný na K140UD1. Takže, takmer ako kópia amerického brata UA702, mal analóg s písmenom A pri napájacom napätí ± 6V zisk v rozsahu 500 ... 4500 a písmenom B (± 12 V) 1500 ... 13000.

Podľa moderných štandardov je to iba smiešne, napriek tomu však tieto archaické zosilňovače stále nájdete. Ale aj pri takomto „malom“ zisku nebolo možné dosiahnuť negatívnu spätnú väzbu.

A práve vzhľad operačných zosilňovačov v integrovanom dizajne predstavil tento univerzálny komponent do priemyselných, domácich a amatérskych obvodov. Koniec koncov, musíte uznať, že operačný zosilňovač s elektronickými trubicami alebo dokonca tranzistorový doplnok, s výnimkou obranných AVM, nemožno použiť.

Vstupy a výstupy operačných zosilňovačov

Operačný zosilňovač má dva vstupy a jeden výstup a samozrejme dva výstupy na napájanie napätia. Toto je minimálny súbor záverov, ktorý je nevyhnutný. Takto to je u najmodernejších operačných zosilňovačov. Raz boli závery o spojovacích prvkoch korekcie a vyváženia frekvencie.

Jedlo je najčastejšie bipolárne so stredným bodom, čo umožňuje vykonávať zosilnenie konštantným napätím. V tomto prípade sa všeobecne akceptuje, že frekvenčný rozsah operačných zosilňovačov začína od 0 Hz a horná frekvencia je obmedzená ako samotným typom operačného zosilňovača, jeho vnútorným obvodom a typom tranzistorov, tak aj jeho spínacím obvodom.

Šírka pásma ideálneho operačného zosilňovača siaha od DC po nekonečno.Rýchlosť alebo vybočovacia rýchlosť výstupného signálu má tiež sklon k nekonečnu. Tento problém sa však zatiaľ nebudeme zaoberať.

Čo vylepšuje operačný zosilňovač

Výstupné napätie operačného zosilňovača je úmerné rozdielu napätia na jeho vstupoch. V tomto prípade absolútna úroveň signálov, ako aj ich polarita nehrajú špeciálnu úlohu. Záleží len na rozdiele. A keďže všetky pojmy v elektronike pochádzajú z anglického jazyka, je na čase si zapamätať slovo „different“, čo znamená heterogénny, rozdiel (slovník „Multitran“) a zosilňovače tohto princípu činnosti sa nazývajú diferenciálne.

Čo nezosilňuje operačný zosilňovač

Tu si tiež môžeme pripomenúť takú úžasnú vlastnosť operačných zosilňovačov, ako je zoslabenie signálu v spoločnom režime: ak sa ten istý signál použije na oba vstupy, nebude sa zosilňovať. Používa sa pri aplikácii signálu na dlhé káble: užitočný signál má inú fázu, zatiaľ čo rušivý signál na oboch vstupoch je rovnaký.

Čo možno získať na výstupe operačného zosilňovača

Výstupná impedancia ideálneho operačného zosilňovača má sklon k nule, čo teoreticky umožňuje získať ľubovoľne veľký, len nekonečný signál na výstupe. V skutočnosti je výstupné napätie skutočného operačného zosilňovača obmedzené napätím zdrojov energie: ak je bipolárne napájacie napätie napríklad ± 15 V, potom je jednoducho nemožné získať na výstupe +20 alebo -25.

Ide o zosilnenie konštantného napätia. V prípade zosilnenia, napríklad, sínusoidu na výstupe, by sa mal tiež získať sínusoid, ktorého amplitúda nepresahuje napájacie napätie.

Vstupné a výstupné napätie nesmie byť vyššie ako napätie zdrojov energie. Napríklad pri napájaní ± 15 V je výstupné napätie nižšie o 0,5 ... 1,5 V. Niektoré moderné mikroobvody však umožňujú vyrovnať napájacie napätie na výstupe a vstupe. Táto vlastnosť v technických listoch sa označuje ako Rail-to-Rail, doslova ako „pneumatika na pneumatiku“. Pri výbere operačného zosilňovača by ste mali venovať túto vlastnosť.

Vstupná impedancia

Vstupná impedancia oboch vstupov operačného zosilňovača je veľmi veľká a je v rámci stoviek MegaOhm, v niektorých prípadoch dokonca GigaOhm. Na porovnanie: vyššie uvedená K1UT401 mala vstupnú impedanciu iba niekoľko desiatok kOhm.

Vstupná impedancia samozrejme nedosahuje nekonečno, ako ideálny operačný zosilňovač, ale je stále tak veľká, že neovplyvňuje úrovne vstupného signálu. Z toho môžeme vyvodiť, že na vstupoch neprúdia žiadne súčasné toky. Toto je jeden z hlavných princípov používaných pri výpočte a analýze obvodov operačných zosilňovačov. Zatiaľ si na to musíte pamätať.

Posledné vyhlásenie sa týka priamo operačných zosilňovačov. Takáto vysoká vstupná impedancia je inherentná samotným operačným zosilňovačom, ale vstupná impedancia rôznych obvodov založených na nej môže byť oveľa nižšia. Na túto okolnosť by sa malo vždy pamätať. A teraz buďte opatrní, príbeh začína najdôležitejšou vecou.

Negatívna spätná väzba (OOS)

OOS nie je nič viac ako spojenie medzi výstupom a vstupom, v ktorom je časť výstupu odpočítaná od vstupného signálu. Takéto spojenie vedie k zníženiu zisku. Na rozdiel od OOS existuje pozitívna spätná väzba (POS), ktorá naopak sumarizuje vstupný signál s časťou výstupu. Takéto spojenia sa používajú nielen v elektronickej technológii, ale v mnohých ďalších prípadoch, napríklad v mechanike. Účinok týchto spätných väzieb možno charakterizovať nasledovne: OOS vedie k stabilite systému, pozitívny vedie k jeho nestabilite.

Vo vzťahu k príslušným operačným zosilňovačom vám OOS umožňuje nastaviť zisk s dostatočnou presnosťou a vedie tiež k mnohým kvalitatívnejším a dokonca príjemnejším vylepšeniam obvodu. Najprv však musíte zistiť, ako funguje OOS.Ako príklad uvážte obvod, ktorý nájdete v akejkoľvek učebnici automatizácie.

Obrázok 1

Výstup ignorovaného výstupného signálu U. z výstupu prechádza do súčtovacieho zariadenia (kružnica so znamienkom plus vo vnútri) cez obvod OOS s prevodovým koeficientom β, v tomto prípade menším ako jeden. Ak je tento koeficient väčší ako jednota, čo je technicky možné, získame namiesto zosilnenia signálu jeho útlm. Ale zatiaľ budeme predpokladať, že potrebujeme presné posilnenie.

Útes OOS je len nehoda

Ak prerušíte spätnoväzbovú slučku, napätie na výstupe operačného zosilňovača bude U.out. = K * U.in. Teoreticky obrovská hodnota. V skutočnosti bude obmedzená veľkosťou napájacieho napätia. To už bolo povedané skôr. Podobný príklad: ak ide o elektromotor so stabilizáciou otáčok (tiež spätnou väzbou), potom čo najrýchlejšie akceleruje. V tomto prípade hovoria, že systém išiel „podomový“.

Výstupným signálom, ktorý prechádza obvodom obvodu OOS, sa tlmí ß * U. výstup. Preto iba vstup (U.in.-β * U.out.) Prichádza na vstup zosilňovača cez sčítač. Znamienko mínus znamená, že spätná väzba je negatívna. Po prechode zariadením so ziskom K bude výstup U.out. = K * (U.in.-β * U.out.). Zisk celého systému K.us. = U.out./U.in. a ukáže sa, že U.out. = K *

Po niektorých transformáciách môžeme získať nasledujúci výsledok: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Všetky tieto transformácie viedli k jednoduchému vzorcu K.us. = K / (1+ K * ß). Ak predpokladáme, že K in je dosť veľká (a v prípade použitia operačného zosilňovača je to naozaj tak), potom jednotka v zátvorkách nebude robiť veľa počasia, môže byť vyradená, v dôsledku čoho bude mať vzorec nasledujúcu formu:

K.us = 1 / ß

Výsledný vzorec (ktorý bol v skutočnosti dôvodom, prečo bol celý plot vzorcov združený) umožňuje konštatovať, že prevodový koeficient operačného zosilňovača v spätnoväzbovom obvode nijako nezávisí od zisku samotného operačného zosilňovača, ale je určený iba parametrami spätnoväzbového obvodu. , jeho koeficient prenosu β. Ale napriek tomu, čím vyšší je zisk samotného operačného zosilňovača, tým presnejší je uvedený vzorec, tým stabilnejší obvod pracuje.

Preto zosilňovacie kaskády na operačných zosilňovačoch nevyžadujú ladenie, ako obvykle tranzistorové kaskády: práve vypočítané odpory spätnej väzby, spájkované, získali požadovaný zisk kaskády. Ako sa to podarí, sa opíše v nasledujúcom článku.