Obvody operačného zosilňovača spätnej väzby

Opakovač a inverzný zosilňovač

Na konci článku „Ideálny operačný zosilňovač“ Ukázalo sa, že pri použití operačného zosilňovača v rôznych spínacích obvodoch závisí zosilnenie kaskády na jednom prevádzkovom zosilňovači (OA) iba od hĺbky spätnej väzby. Preto vo vzorcoch na určovanie zisku konkrétneho obvodu sa teda zisk „holého“ operačného zosilňovača nepoužíva. To je len ten obrovský koeficient, ktorý je uvedený v adresároch.

Potom je celkom vhodné položiť otázku: „Ak konečný výsledok (zisk) nezávisí od tohto obrovského„ referenčného “koeficientu, aký je rozdiel medzi operačným zosilňovačom so zosilnením niekoľkokrát a rovnakým zosilnením, ale so zosilnením niekoíko stotisíc a dokonca milióny? “

Odpoveď je pomerne jednoduchá. V obidvoch prípadoch bude výsledok rovnaký, kaskádový zisk bude určený OOS prvkami, ale v druhom prípade (operačný zosilňovač s vysokým ziskom) obvod pracuje stabilnejšie, presnejšie, rýchlosť takýchto obvodov je oveľa vyššia. Z dobrého dôvodu sa operačné zosilňovače delia na operačné zosilňovače všeobecnej aplikácie a vysoko presné, presné.

Ako už bolo uvedené, príslušné „operačné“ zosilňovače boli prijaté v tom čase, keď sa používali hlavne na vykonávanie matematických operácií v analógových počítačoch (AVM). Boli to operácie sčítania, odčítania, násobenia, delenia, vyrovnania a mnoho ďalších funkcií.

Tieto predné zosilňovače boli vykonávané na elektrónových elektrónkach, neskôr na diskrétnych tranzistoroch a iných rádiových komponentoch. Rozmery dokonca tranzistorových operačných zosilňovačov boli, prirodzene, dostatočne veľké, aby sa dali použiť v amatérskych konštrukciách.

A až potom, čo sa vďaka úspechom integrovanej elektroniky stali operačné zosilňovače veľkosťou bežného tranzistora s nízkym príkonom, bolo použitie týchto častí v domácich zariadeniach a amatérskych obvodoch opodstatnené.

Mimochodom, moderné operačné zosilňovače, dokonca dosť vysokej kvality, za cenu mierne vyššiu ako dva alebo tri tranzistory. Toto vyhlásenie sa vzťahuje na všeobecné použitie v zosilňovačoch. Presné zosilňovače môžu stáť o niečo viac.

Pokiaľ ide o obvody na operačnom zosilňovači, je potrebné okamžite poznamenať, že všetky sú napájané z bipolárneho zdroja energie. Takýto režim je najbežnejší pre operačný zosilňovač, ktorý umožňuje zosilňovať nielen signály striedavého napätia, napríklad sínusoidy, ale aj signály jednosmerného prúdu alebo jednoducho napätie.

Napájanie obvodov v operačnom zosilňovači sa však často robí z unipolárneho zdroja. Je pravda, že v tomto prípade nie je možné zvýšiť konštantné napätie. Často sa však stáva, že to jednoducho nie je potrebné. Obvody s unipolárnym napájaním budú opísané neskôr, ale zatiaľ budeme pokračovať v schémach zapínania operačného zosilňovača s bipolárnym napájaním.

Napájacie napätie väčšiny op-ampérov je najčastejšie v rozmedzí ± 15V. To však vôbec neznamená, že toto napätie nemôže byť o niečo nižšie (vyššie sa neodporúča). Mnoho operačných zosilňovačov pracuje veľmi stabilne od ± 3 V a niektoré modely dokonca ± 1,5 V. Takáto možnosť je uvedená v technickej dokumentácii (DataSheet).

Sledovač napätia

Je to najjednoduchšie zariadenie z hľadiska obvodov na operačnom zosilňovači, ktorého obvod je znázornený na obrázku 1.

Obrázok 1. Obvod sledovača napätia na operačnom zosilňovači

Je ľahké vidieť, že na vytvorenie takejto schémy nebolo potrebné mať jediný detail, s výnimkou samotného OS. Je pravda, že obrázok neukazuje napájacie pripojenie, ale taký prehľad schém sa nachádza veľmi často. Jediné, čo by som chcel poznamenať, je, že medzi svorkami napájacieho zdroja op-amp (napríklad pre operačný zosilňovač KR140UD708 sú to závery 7 a 4) a spoločný vodič by mal byť pripojený. blokovacie kondenzátory s kapacitou 0,01 ... 0,5 μF.

Ich účelom je, aby sa prevádzka operačného zosilňovača stala stabilnejšou, aby sa zabránilo samovzrušeniu obvodu pozdĺž výkonových obvodov. Kondenzátory by mali byť pripojené čo najbližšie k napájacím svorkám čipu. Niekedy je jeden kondenzátor pripojený na základe skupiny niekoľkých mikroobvodov. Rovnaké kondenzátory je možné vidieť na doskách s digitálnymi mikroobvodmi, ich účel je rovnaký.

Výnos opakovača sa rovná jednote alebo, inak povedané, ani zisk neexistuje. Tak prečo taká schéma? Tu je celkom vhodné pripomenúť, že existuje tranzistorový obvod - emitorový sledovač, ktorého hlavným účelom je porovnávanie kaskád s rôznymi vstupnými odpormi. Podobné kaskády (opakovače) sa tiež nazývajú vyrovnávacia pamäť.

Vstupný odpor zosilňovača na op-amp sa vypočíta ako súčin vstupnej impedancie op-amp na základe jeho zosilnenia. Napríklad pre uvedený UD708 je vstupná impedancia približne 0,5 MΩ, zisk je najmenej 30 000 a možno viac. Ak vynásobíte tieto čísla, potom je vstupná impedancia 15 GΩ, čo je porovnateľné s odporom málo kvalitnej izolácie, ako je papier. Taký vysoký výsledok sa pravdepodobne nedosiahne s konvenčným emitorovým sledovačom.

Aby nedošlo k pochybnostiam o popisoch, nižšie sú obrázky ukazujúce činnosť všetkých obvodov opísaných v programovom simulátore Multisim. Samozrejme, všetky tieto schémy môžu byť zostavené na doštičku, ale nie najhoršie výsledky je možné získať na obrazovke monitora.

V skutočnosti je to o niečo lepšie: nemusíte ísť niekde na poličku, aby ste zmenili odpor alebo mikroobvod. Tu je všetko, dokonca aj meracie prístroje, v programe a „získava“ pomocou myši alebo klávesnice.

Obrázok 2 zobrazuje obvody zosilňovača vyrobené v programe Multisim.

Obrázok 2

Štúdium okruhu je pomerne jednoduché. Sínusový signál s frekvenciou 1 kHz a amplitúdou 2 V sa privádza na vstup zosilňovača z funkčného generátora, ako je znázornené na obrázku 3.

Obrázok 3

Signál na vstupe a výstupe zosilňovača je pozorovaný osciloskopom: vstupný signál je zobrazený modrým lúčom, výstupný lúč je červený.

Obrázok 4

A prečo sa pozorný čitateľ opýta, je výstupný (červený) signál dvakrát väčší ako modrý vstup? Všetko je veľmi jednoduché: za rovnakou citlivosťou kanálov osciloskopu sa za sebou skrývajú sínusoidy s rovnakou amplitúdou a fázou.

Aby sme ich dokázali rozoznať naraz, museli sme znížiť citlivosť jedného z kanálov, v tomto prípade vstupu. Výsledkom bolo, že sínusová vlna bola na obrazovke presne polovičná a zastavila sa za červenou. Aj keď chcete dosiahnuť takýto výsledok, môžete jednoducho posunúť lúče pomocou ovládačov osciloskopu, pričom citlivosť kanálov zostane rovnaká.

Oba sínusoidy sú umiestnené symetricky vzhľadom na časovú os, čo naznačuje, že konštantná zložka signálu sa rovná nule. A čo sa stane, keď sa k vstupnému signálu pridá malý jednosmerný komponent? Virtuálny generátor vám umožňuje posunúť sínusovú vlnu pozdĺž osi Y. Pokúsime sa ju posunúť smerom nahor o 500 mV.

Obrázok 5

Čo z toho vyplynulo, je znázornené na obrázku 6.

Obrázok 6

Je zrejmé, že vstupné a výstupné sínusoidy vzrástli o pol voltu, pričom sa vôbec nezmenili. To naznačuje, že zosilňovač presne vysiela konštantnú zložku signálu. Ale najčastejšie sa snažia zbaviť tejto konštantnej zložky, urobiť ju rovnou nule, ktorá sa vyhýba použitiu takých obvodových prvkov ako medzistupňových izolačných kondenzátorov.

Opakovač je, samozrejme, dobrý a dokonca krásny: neboli potrebné žiadne ďalšie podrobnosti (hoci existujú opakovacie obvody s malými „dodatkami“), ale nezískali žiadny zisk.Aký je to zosilňovač? Ak chcete získať zosilňovač, stačí pridať niekoľko detailov, ako to urobíme ďalej.

Invertujúci zosilňovač

Na vytvorenie invertujúceho zosilňovača z operačného zosilňovača stačí pridať iba dva odpory. To, čo z toho vyplynulo, je znázornené na obrázku 7.

Obrázok 7. Obvod invertorového zosilňovača

Zisk takého zosilňovača sa vypočíta podľa vzorca K = - (R2 / R1). Znamienko mínus neznamená, že sa zosilňovač ukázal ako zlý, ale iba to, že výstupný signál bude vo fáze oproti vstupu. Niet divu, že sa zosilňovač nazýva invertujúci. Tu by bolo vhodné pripomenúť tranzistor zahrnutý v schéme s OE. Aj tu je výstupný signál na kolektore tranzistora v antifáze so vstupným signálom dodávaným do základne.

Na tomto mieste je potrebné pamätať na to, koľko úsilia musíte vynaložiť, aby ste získali čistý neskreslený sínusoid na kolektore tranzistora. Je potrebné zodpovedajúcim spôsobom zvoliť predpätie na základe tranzistora. To je spravidla dosť komplikované v závislosti od mnohých parametrov.

Pri použití operačného zosilňovača stačí jednoducho vypočítať odpor rezistorov podľa vzorca a získať daný zisk. Ukazuje sa, že nastavenie obvodu na operačnom zosilňovači je omnoho jednoduchšie ako nastavenie niekoľkých tranzistorových kaskád. Preto by sme sa nemali báť, že schéma nebude fungovať, nebude fungovať.

Obrázok 8

Tu je všetko rovnaké ako na predchádzajúcich obrázkoch: vstupný signál je zobrazený modrou farbou, po zosilňovači je červený. Všetko zodpovedá vzorcu K = - (R2 / R1). Výstupný signál je v antifáze so vstupom (čo zodpovedá znamienku mínus vo vzorci) a amplitúda výstupného signálu je presne dvojnásobkom vstupu. To platí aj pre pomer (R2 / R1) = (20/10) = 2. Aby sa dosiahol zisk napríklad 10, stačí zvýšiť odpor rezistora R2 na 100 kΩ.

V skutočnosti môže byť obvod inverzného zosilňovača trochu komplikovanejší, takáto možnosť je znázornená na obr.

Obrázok 9Invertujúci obvod zosilňovača

Objavila sa nová časť - rezistor R3 (skôr zmizol z predchádzajúceho obvodu). Jeho účelom je kompenzovať vstupné prúdy skutočného zosilňovača, aby sa znížila nestabilita teploty jednosmernej zložky na výstupe. Hodnota tohto rezistora je vybraná vzorcom R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Moderné vysoko stabilné operačné zosilňovače umožňujú pripojenie neinvertujúceho vstupu na spoločný drôt priamo bez odporu R3. Hoci prítomnosť tohto prvku neurobí nič zlé, ale pri súčasnej miere výroby, keď šetria všetko, radšej neinštalujú tento odpor.

Vzorce na výpočet inverzného zosilňovača sú uvedené na obrázku 10. Prečo na obrázku? Áno, len kvôli prehľadnosti by v riadku textu nevyzerali tak dobre a zrozumiteľne, nebolo by také znateľné.

Obrázok 10

O zisku bol spomenutý už skôr. Tu sú pozoruhodné vstupné a výstupné odpory neinvertujúceho zosilňovača. Pri vstupnom odpore sa zdá byť všetko jasné: ukázalo sa, že sa rovná odporu rezistora R1, ale výstupný odpor sa bude musieť vypočítať podľa vzorca znázorneného na obrázku 11.

Písmeno K 'označuje referenčný koeficient operačného zosilňovača. Tu vypočítajte, aká bude výstupná impedancia. Ukázalo sa, že ide o pomerne malú hodnotu, a to aj pre priemerný operačný zosilňovač, ako je UD7, pričom jeho K “sa rovná nie viac ako 30 000. V tomto prípade je to dobré: koniec koncov, čím nižšia je výstupná impedancia kaskády (to sa netýka iba kaskád na operačnom zosilňovači), tým je zaťaženie rozumnejšie túto kaskádu je samozrejme možné prepojiť.

Osobitná poznámka by sa mala urobiť o jednotke v menovateli vzorca na výpočet výstupného odporu. Predpokladajme, že pomer R2 / R1 je napríklad 100. Je to pomer získaný v prípade zosilnenia inverzného zosilňovača 100.Ukazuje sa, že ak sa táto jednotka zahodí, nič sa veľmi nezmení. V skutočnosti to nie je úplne pravda.

Predpokladajme, že odpor rezistora R2 je nulový, ako v prípade opakovača. Potom bez jednoty sa celý menovateľ stane nulovým a výstupný odpor je tiež nulový. A ak sa potom táto nula objaví niekde v menovateli vzorca, ako si ju prajete rozdeliť? Preto je jednoducho nemožné zbaviť sa tejto zdanlivo nevýznamnej jednotky.

V jednom článku, aj keď dostatočne veľký, jednoducho nepíšete. Preto budete mať všetko, čo sa nehodilo povedať v nasledujúcom článku. Bude opísaný neinvertujúci zosilňovač, diferenciálny zosilňovač, unipolárny zosilňovač výkonu. Opisuje sa tiež jednoduchý obvod na kontrolu operačného zosilňovača.

Boris Aladyshkin