Λειτουργικοί ενισχυτές σε γραμμικά κυκλώματα. Τελεστικος ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ? Είναι πολύ απλό

Συχνά άρχισαν να μου κάνουν ερωτήσεις για αναλογικά ηλεκτρονικά. Η συνεδρία θεωρούσε τους μαθητές δεδομένους; ;) Εντάξει, ήρθε η ώρα για λίγη εκπαιδευτική δραστηριότητα. Ειδικότερα, σχετικά με τη λειτουργία των τελεστικών ενισχυτών. Τι είναι, με τι τρώγεται και πώς να το υπολογίσετε.

Τι είναι αυτό
Ένας λειτουργικός ενισχυτής είναι ένας ενισχυτής με δύο εισόδους, όχι... χμμ... υψηλό κέρδος σήματος και μία έξοδο. Εκείνοι. έχουμε U out = K*U in και K ιδανικά ισούται με άπειρο. Στην πράξη, βέβαια, τα νούμερα είναι πιο μέτρια. Ας πούμε 1.000.000 Αλλά ακόμα και τέτοιοι αριθμοί σου ταράζουν το μυαλό όταν προσπαθείς να τους εφαρμόσεις απευθείας. Επομένως, όπως στο νηπιαγωγείο, ένα χριστουγεννιάτικο δέντρο, δύο, τρία, πολλά χριστουγεννιάτικα δέντρα - έχουμε πολλή ενίσχυση εδώ;) Και αυτό είναι.

Και υπάρχουν δύο είσοδοι. Και το ένα από αυτά είναι άμεσο, και το άλλο είναι αντίστροφο.

Επιπλέον, οι είσοδοι είναι υψηλής αντίστασης. Εκείνοι. Η αντίσταση εισόδου τους είναι άπειρη στην ιδανική περίπτωση και ΠΟΛΥ υψηλή στην πραγματική περίπτωση. Ο αριθμός εκεί πηγαίνει σε εκατοντάδες MegaOhms, ή ακόμα και gigaohms. Εκείνοι. μετρά την τάση στην είσοδο, αλλά έχει ελάχιστη επίδραση σε αυτήν. Και μπορούμε να υποθέσουμε ότι δεν ρέει ρεύμα στο op-amp.

Η τάση εξόδου σε αυτήν την περίπτωση υπολογίζεται ως εξής:

U out =(U 2 -U 1)*K

Προφανώς, αν η τάση στην άμεση είσοδο είναι μεγαλύτερη από την αντίστροφη είσοδο, τότε η έξοδος είναι συν άπειρο. Διαφορετικά θα είναι μείον το άπειρο.

Φυσικά, σε ένα πραγματικό κύκλωμα δεν θα υπάρχουν άπειρα συν και πλην, και θα αντικατασταθούν από την υψηλότερη και τη χαμηλότερη δυνατή τάση τροφοδοσίας του ενισχυτή. Και θα πάρουμε:

Συγκριτής
Μια συσκευή που σας επιτρέπει να συγκρίνετε δύο αναλογικά σήματα και να βγάλετε μια ετυμηγορία - ποιο σήμα είναι μεγαλύτερο. Ήδη ενδιαφέρουσα. Μπορείτε να βρείτε πολλές εφαρμογές για αυτό. Παρεμπιπτόντως, ο ίδιος συγκριτής είναι ενσωματωμένος στους περισσότερους μικροελεγκτές και έδειξα πώς να το χρησιμοποιήσω χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του AVR σε άρθρα σχετικά με τη δημιουργία. Ο συγκριτής είναι επίσης εξαιρετικός για τη δημιουργία.

Αλλά το θέμα δεν περιορίζεται σε έναν συγκριτή, γιατί εάν εισάγετε ανατροφοδότηση, τότε πολλά μπορούν να γίνουν από τον op-amp.

Ανατροφοδότηση
Εάν πάρουμε ένα σήμα από την έξοδο και το στείλουμε κατευθείαν στην είσοδο, τότε θα προκύψει ανατροφοδότηση.

Θετική ανταπόκριση
Ας πάρουμε και ας οδηγήσουμε το σήμα απευθείας από την έξοδο στην άμεση είσοδο.

• Η τάση U1 είναι μεγαλύτερη από το μηδέν - η έξοδος είναι -15 βολτ
• Η τάση U1 είναι μικρότερη από το μηδέν - η έξοδος είναι +15 βολτ

Τι συμβαίνει αν η τάση είναι μηδέν; Θεωρητικά, η έξοδος πρέπει να είναι μηδέν. Αλλά στην πραγματικότητα, η τάση δεν θα είναι ΠΟΤΕ μηδέν. Εξάλλου, ακόμα κι αν το φορτίο του δεξιού υπερτερεί του φορτίου του αριστερού ένα προς ένα ηλεκτρόνιο, τότε αυτό είναι ήδη αρκετό για να οδηγήσει το δυναμικό στην έξοδο με άπειρο κέρδος. Και στην έξοδο θα ξεκινήσει όλη η κόλαση - το σήμα πηδά εδώ κι εκεί με την ταχύτητα των τυχαίων διαταραχών που προκαλούνται στις εισόδους του συγκριτή.

Για να λυθεί αυτό το πρόβλημα, εισάγεται η υστέρηση. Εκείνοι. ένα είδος κενού μεταξύ της μετάβασης από τη μια κατάσταση στην άλλη. Για να γίνει αυτό, εισάγονται θετικά σχόλια, όπως αυτό:

Υποθέτουμε ότι αυτή τη στιγμή υπάρχουν +10 βολτ στην αντίστροφη είσοδο. Η έξοδος από το op-amp είναι μείον 15 βολτ. Στην άμεση είσοδο δεν είναι πλέον μηδέν, αλλά ένα μικρό μέρος της τάσης εξόδου από το διαχωριστικό. Περίπου -1,4 βολτ Τώρα, έως ότου η τάση στην αντίστροφη είσοδο πέσει κάτω από -1,4 βολτ, η έξοδος op-amp δεν θα αλλάξει την τάση της. Και μόλις η τάση πέσει κάτω από -1,4, η έξοδος του op-amp θα μεταπηδήσει απότομα στο +15 και θα υπάρχει ήδη μια προκατάληψη +1,4 βολτ στην άμεση είσοδο.

Και για να αλλάξετε την τάση στην έξοδο του συγκριτή, το σήμα U1 θα χρειαστεί να αυξηθεί έως και 2,8 βολτ για να φτάσει στο ανώτερο επίπεδο του +1,4.

Ένα είδος κενού εμφανίζεται όπου δεν υπάρχει ευαισθησία, μεταξύ 1,4 και -1,4 βολτ. Το πλάτος του διακένου ελέγχεται από τις αναλογίες των αντιστάσεων στα R1 και R2. Η οριακή τάση υπολογίζεται ως Uout/(R1+R2) * R1 Ας πούμε ότι το 1 έως το 100 θα δώσει +/-0,14 βολτ.

Ωστόσο, οι op-amp χρησιμοποιούνται συχνότερα σε λειτουργία αρνητικής ανάδρασης.

Αρνητικά σχόλια
Εντάξει, ας το θέσω αλλιώς:

Στην περίπτωση αρνητικής ανάδρασης, ο ενισχυτής λειτουργίας έχει μια ενδιαφέρουσα ιδιότητα. Θα προσπαθεί πάντα να ρυθμίζει την τάση εξόδου του έτσι ώστε οι τάσεις στις εισόδους να είναι ίσες, με αποτέλεσμα να μηδενίζεται η διαφορά.
Μέχρι να διαβάσω αυτό στο σπουδαίο βιβλίο των συντρόφων Horowitz και Hill, δεν μπορούσα να μπω στο έργο του OU. Αλλά αποδείχθηκε απλό.

Επαναληπτικός
Και πήραμε έναν επαναλήπτη. Εκείνοι. στην είσοδο U 1, στην αντίστροφη είσοδο U out = U 1. Λοιπόν, αποδεικνύεται ότι U έξω = U 1.

Το ερώτημα είναι, γιατί χρειαζόμαστε τέτοια ευτυχία; Ήταν δυνατή η απευθείας σύνδεση του καλωδίου και δεν θα χρειαζόταν op-amp!

Είναι δυνατό, αλλά όχι πάντα. Ας φανταστούμε αυτή την κατάσταση: υπάρχει ένας αισθητήρας κατασκευασμένος με τη μορφή ενός ωμικού διαχωριστή:

Η χαμηλότερη αντίσταση αλλάζει την τιμή της, αλλάζει η κατανομή των τάσεων εξόδου από τον διαχωριστή. Και πρέπει να λαμβάνουμε μετρήσεις από αυτό με ένα βολτόμετρο. Αλλά το βολτόμετρο έχει τη δική του εσωτερική αντίσταση, αν και μεγάλη, αλλά θα αλλάξει τις ενδείξεις από τον αισθητήρα. Επιπλέον, τι γίνεται αν δεν θέλουμε βολτόμετρο, αλλά θέλουμε η λάμπα να αλλάξει φωτεινότητα; Δεν υπάρχει πλέον τρόπος να συνδέσετε μια λάμπα εδώ! Επομένως, αποθηκεύουμε την έξοδο με έναν λειτουργικό ενισχυτή. Η αντίσταση εισόδου του είναι τεράστια και η επιρροή του θα είναι ελάχιστη και η έξοδος μπορεί να παρέχει αρκετά αξιοσημείωτο ρεύμα (δεκάδες milliamps, ή ακόμα και εκατοντάδες), το οποίο είναι αρκετά αρκετό για τη λειτουργία του λαμπτήρα.
Γενικά, μπορείτε να βρείτε εφαρμογές για επαναλήπτη. Ειδικά σε αναλογικά κυκλώματα ακριβείας. Ή όπου το κύκλωμα ενός σταδίου μπορεί να επηρεάσει τη λειτουργία ενός άλλου, για να τα διαχωρίσει.

Ενισχυτής
Τώρα ας κάνουμε μια προσποίηση με τα αυτιά μας - λάβετε τα σχόλιά μας και συνδέστε τα στο έδαφος μέσω ενός διαιρέτη τάσης:

Τώρα η μισή τάση εξόδου παρέχεται στην αντίστροφη είσοδο. Αλλά ο ενισχυτής πρέπει ακόμα να εξισώσει τις τάσεις στις εισόδους του. Τι θα πρέπει να κάνει; Αυτό είναι σωστό - αυξήστε την τάση στην έξοδο σας δύο φορές υψηλότερα από πριν για να αντισταθμίσετε το διαχωριστικό που προκύπτει.

Τώρα θα υπάρχει U 1 στην ευθεία. Σε αντίστροφο U out /2 = U 1 ή U out = 2*U 1.

Ας βάλουμε έναν διαιρέτη με διαφορετικό λόγο - η κατάσταση θα αλλάξει με τον ίδιο τρόπο. Για να μην χρειαστεί να περιστρέψετε τον τύπο διαιρέτη τάσης στο μυαλό σας, θα σας το δώσω αμέσως:

U out = U 1 *(1+R 1 /R 2)

Είναι μνημονικό να θυμόμαστε αυτό που χωρίζεται σε πολύ απλό:

Αποδεικνύεται ότι το σήμα εισόδου περνά μέσα από μια αλυσίδα αντιστάσεων R 2, R 1 σε U έξω. Σε αυτή την περίπτωση, η άμεση είσοδος του ενισχυτή τίθεται στο μηδέν. Ας θυμηθούμε τις συνήθειες του οπ-ενισχυτή - θα προσπαθήσει, με άγκιστρο ή με στραβοπάτημα, να διασφαλίσει ότι θα παράγεται τάση ίση με την άμεση είσοδο στην αντίστροφη είσοδό του. Εκείνοι. μηδέν. Ο μόνος τρόπος για να γίνει αυτό είναι να χαμηλώσετε την τάση εξόδου κάτω από το μηδέν, έτσι ώστε να εμφανίζεται ένα μηδέν στο σημείο 1.

Ετσι. Ας φανταστούμε ότι U έξω =0. Είναι ακόμα μηδέν. Και η τάση εισόδου, για παράδειγμα, είναι 10 βολτ σε σχέση με το U out. Ένας διαιρέτης των R 1 και R 2 θα τον χωρίσει στο μισό. Έτσι, στο σημείο 1 υπάρχουν πέντε βολτ.

Τα πέντε βολτ δεν είναι μηδέν και ο ενισχυτής μειώνει την έξοδό του μέχρι το σημείο 1 να μηδενιστεί. Για να γίνει αυτό, η έξοδος πρέπει να γίνει (-10) βολτ. Σε αυτή την περίπτωση, σε σχέση με την είσοδο, η διαφορά θα είναι 20 βολτ, και ο διαχωριστής θα μας δώσει ακριβώς 0 στο σημείο 1. Έχουμε έναν αντιστροφέα.

Μπορούμε όμως να επιλέξουμε και άλλες αντιστάσεις ώστε ο διαιρέτης μας να παράγει διαφορετικούς συντελεστές!
Γενικά, ο τύπος κέρδους για έναν τέτοιο ενισχυτή θα είναι ο ακόλουθος:

U έξω = - U σε * R 1 / R 2

Λοιπόν, μια μνημονική εικόνα για γρήγορη απομνημόνευση xy από xy.

Ας υποθέσουμε ότι τα U 2 και U 1 είναι 10 βολτ το καθένα. Τότε στο 2ο σημείο θα υπάρχουν 5 βολτ. Και η έξοδος θα πρέπει να γίνει τέτοια ώστε στο 1ο σημείο να υπάρχουν και 5 βολτ. Δηλαδή μηδέν. Έτσι αποδεικνύεται ότι 10 βολτ μείον 10 βολτ ισούται με μηδέν. Σωστά :)

Εάν το U 1 γίνει 20 βολτ, τότε η έξοδος θα πρέπει να πέσει στα -10 βολτ.
Κάντε τα μαθηματικά μόνοι σας - η διαφορά μεταξύ U 1 και U out θα είναι 30 βολτ. Το ρεύμα μέσω της αντίστασης R4 θα είναι (U 1 -U out)/(R 3 +R 4) = 30/20000 = 0,0015A και η πτώση τάσης στην αντίσταση R 4 θα είναι R 4 *I 4 = 10000 * 0,0015 = 15 βολτ. Αφαιρέστε την πτώση 15 βολτ από την πτώση εισόδου 20 και λάβετε 5 βολτ.

Έτσι, ο op-amp μας έλυσε ένα αριθμητικό πρόβλημα από το 10 αφαιρέθηκε το 20, με αποτέλεσμα -10 βολτ.

Επιπλέον, το πρόβλημα περιέχει συντελεστές που καθορίζονται από αντιστάσεις. Απλώς, για λόγους απλότητας, έχω επιλέξει αντιστάσεις ίδιας αξίας και επομένως όλοι οι συντελεστές είναι ίσοι με έναν. Αλλά στην πραγματικότητα, αν πάρουμε αυθαίρετες αντιστάσεις, τότε η εξάρτηση της εξόδου από την είσοδο θα είναι ως εξής:

U out = U 2 *K 2 - U 1 *K 1

K 2 = ((R 3 +R 4) * R 6) / (R 6 +R 5)*R 4
K 1 = R 3 / R 4

Η μνημονική τεχνική για την ανάμνηση του τύπου για τον υπολογισμό των συντελεστών είναι η εξής:
Σωστά σύμφωνα με το σχέδιο. Ο αριθμητής του κλάσματος βρίσκεται στην κορυφή, οπότε αθροίζουμε τις ανώτερες αντιστάσεις στο κύκλωμα ροής ρεύματος και πολλαπλασιάζουμε με την κάτω. Ο παρονομαστής είναι κάτω, οπότε αθροίζουμε τις κάτω αντιστάσεις και πολλαπλασιάζουμε με την επάνω.

Όλα είναι απλά εδώ. Επειδή Το σημείο 1 μειώνεται συνεχώς στο 0, τότε μπορούμε να υποθέσουμε ότι τα ρεύματα που ρέουν σε αυτό είναι πάντα ίσα με U/R και τα ρεύματα που εισέρχονται στον κόμβο 1 αθροίζονται. Η αναλογία της αντίστασης εισόδου προς την αντίσταση ανάδρασης καθορίζει το βάρος του εισερχόμενου ρεύματος.

Μπορεί να υπάρχουν όσα κλαδιά θέλετε, αλλά ζωγράφισα μόνο δύο.

U out = -1(R 3 *U 1 /R 1 + R 3 *U 2 /R 2)

Οι αντιστάσεις στην είσοδο (R 1, R 2) καθορίζουν την ποσότητα του ρεύματος και επομένως το συνολικό βάρος του εισερχόμενου σήματος. Εάν κάνετε όλες τις αντιστάσεις ίσες, όπως έκανα εγώ, τότε το βάρος θα είναι το ίδιο και ο πολλαπλασιαστικός συντελεστής κάθε όρου θα είναι ίσος με 1. Και U out = -1(U 1 +U 2)

Μη αντιστρεφόμενος αθροιστής
Όλα είναι λίγο πιο περίπλοκα εδώ, αλλά είναι παρόμοια.

Uout = U 1 *K 1 + U 2 *K 2

K 1 = R 5 / R 1
K 2 = R 5 / R 2

Επιπλέον, οι αντιστάσεις στην ανάδραση πρέπει να είναι τέτοιες ώστε να τηρείται η εξίσωση R 3 / R 4 = K 1 + K 2

Γενικά, μπορείτε να κάνετε οποιαδήποτε μαθηματικά χρησιμοποιώντας λειτουργικούς ενισχυτές, να προσθέσετε, να πολλαπλασιάσετε, να διαιρέσετε, να υπολογίσετε παραγώγους και ολοκληρώματα. Και σχεδόν αμέσως. Οι αναλογικοί υπολογιστές κατασκευάζονται με χρήση ενισχυτών λειτουργίας. Είδα μάλιστα ένα από αυτά στον πέμπτο όροφο του SUSU - ένας ανόητος στο μέγεθος μισού δωματίου. Πολλά μεταλλικά ντουλάπια. Το πρόγραμμα πληκτρολογείται συνδέοντας διαφορετικά μπλοκ με καλώδια :)

Έχει αποδειχθεί ότι όταν χρησιμοποιείται ένας λειτουργικός ενισχυτής σε διάφορα κυκλώματα μεταγωγής, το κέρδος μιας βαθμίδας σε έναν μόνο λειτουργικό ενισχυτή (op-amp) εξαρτάται μόνο από το βάθος ανάδρασης. Επομένως, σε τύπους για τον προσδιορισμό του κέρδους ενός συγκεκριμένου κυκλώματος, δεν χρησιμοποιείται το κέρδος του ίδιου του, ούτως ειπείν, «γυμνού» op-amp. Δηλαδή ακριβώς τον τεράστιο συντελεστή που αναγράφεται σε βιβλία αναφοράς.

Τότε είναι πολύ σωστό να τεθεί το ερώτημα: «Αν το τελικό αποτέλεσμα (κέρδος) δεν εξαρτάται από αυτόν τον τεράστιο συντελεστή «αναφοράς», τότε ποια είναι η διαφορά μεταξύ ενός op-amp με κέρδος πολλών χιλιάδων φορές και με το ίδιο op-amp, αλλά με κέρδος πολλών εκατοντάδων χιλιάδων και ακόμη και εκατομμυρίων;

Η απάντηση είναι αρκετά απλή. Και στις δύο περιπτώσεις, το αποτέλεσμα θα είναι το ίδιο, το κέρδος του καταρράκτη θα καθοριστεί από τα στοιχεία OOS, αλλά στη δεύτερη περίπτωση (op-amp με υψηλό κέρδος) το κύκλωμα λειτουργεί πιο σταθερά, με μεγαλύτερη ακρίβεια, η απόδοση τέτοιων κυκλώματα είναι πολύ υψηλότερα. Δεν είναι χωρίς λόγο ότι οι op-amp χωρίζονται σε op-amp γενικής χρήσης και υψηλής ακρίβειας ακριβείας.

Όπως ήδη αναφέρθηκε, οι εν λόγω ενισχυτές έλαβαν το όνομά τους «λειτουργικό» εκείνη τη μακρινή εποχή, όταν χρησιμοποιούνταν κυρίως για την εκτέλεση μαθηματικών πράξεων σε αναλογικούς υπολογιστές (AVM). Αυτές ήταν οι πράξεις πρόσθεσης, αφαίρεσης, πολλαπλασιασμού, διαίρεσης, τετραγωνισμού και πολλών άλλων συναρτήσεων.

Αυτοί οι προκατακλυσμιαίοι op-amp κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας σωλήνες κενού και αργότερα σε διακριτά τρανζίστορ και άλλα ραδιοεξαρτήματα. Φυσικά, οι διαστάσεις ακόμη και των οπ-ενισχυτών τρανζίστορ ήταν αρκετά μεγάλες για να χρησιμοποιηθούν σε ερασιτεχνικά σχέδια.

Και μόνο αφού, χάρη στα επιτεύγματα των ενσωματωμένων ηλεκτρονικών, οι op-amp έγιναν το μέγεθος ενός συνηθισμένου τρανζίστορ χαμηλής ισχύος, δικαιολογήθηκε η χρήση αυτών των εξαρτημάτων σε οικιακό εξοπλισμό και ερασιτεχνικά κυκλώματα.

Παρεμπιπτόντως, οι σύγχρονοι ενισχυτές λειτουργίας, ακόμη και αρκετά υψηλής ποιότητας, δεν έχουν πολύ υψηλότερη τιμή από δύο ή τρία τρανζίστορ. Αυτή η δήλωση ισχύει για ενισχυτές γενικής χρήσης. Οι ενισχυτές ακριβείας μπορεί να κοστίζουν λίγο περισσότερο.

Όσον αφορά τα κυκλώματα op-amp, αξίζει να σημειώσουμε αμέσως ότι είναι όλα σχεδιασμένα για να τροφοδοτούνται από μια διπολική πηγή ισχύος. Αυτή η λειτουργία είναι η πιο «οικεία» για έναν ενισχυτή op-amp, επιτρέποντάς του να ενισχύει όχι μόνο σήματα εναλλασσόμενης τάσης, για παράδειγμα ένα ημιτονοειδές κύμα, αλλά και σήματα συνεχούς ρεύματος ή απλώς τάση.

Και όμως, πολύ συχνά, τα κυκλώματα op-amp τροφοδοτούνται από μονοπολική πηγή. Είναι αλήθεια ότι σε αυτή την περίπτωση δεν είναι δυνατή η αύξηση της σταθερής τάσης. Αλλά συμβαίνει συχνά ότι αυτό απλά δεν είναι απαραίτητο. Τα κυκλώματα με μονοπολική τροφοδοσία θα συζητηθούν αργότερα, αλλά προς το παρόν ας συνεχίσουμε για τα κυκλώματα για την ενεργοποίηση των op-amp με διπολική παροχή ρεύματος.

Η τάση τροφοδοσίας των περισσότερων ενισχυτών λειτουργίας είναι τις περισσότερες φορές εντός ±15 V. Αλλά αυτό δεν σημαίνει καθόλου ότι αυτή η τάση δεν μπορεί να γίνει ελαφρώς χαμηλότερη (δεν συνιστάται υψηλότερη). Πολλοί op-amp λειτουργούν πολύ σταθερά ξεκινώντας από ±3V και ορισμένα μοντέλα ακόμη και ±1,5V. Αυτή η δυνατότητα αναφέρεται στην τεχνική τεκμηρίωση (Δελτίο δεδομένων).

Αναμεταδότης τάσης

Είναι η απλούστερη συσκευή op-amp από την άποψη του σχεδιασμού του κυκλώματος της φαίνεται στο σχήμα 1.

Σχήμα 1. Κύκλωμα παρακολούθησης τάσης λειτουργικού ενισχυτή

Είναι εύκολο να δει κανείς ότι για να δημιουργηθεί ένα τέτοιο κύκλωμα, δεν χρειαζόταν ούτε ένα εξάρτημα εκτός από τον ίδιο τον op-amp. Είναι αλήθεια ότι το σχήμα δεν δείχνει τη σύνδεση ρεύματος, αλλά τέτοια διαγράμματα βρίσκονται συνεχώς. Το μόνο πράγμα που θα ήθελα να σημειώσω είναι ότι μεταξύ των ακίδων τροφοδοσίας op-amp (για παράδειγμα, για τον op-amp KR140UD708 αυτοί είναι οι ακροδέκτες 7 και 4) και το κοινό καλώδιο πρέπει να συνδεθεί με χωρητικότητα 0,01...0,5 μF.

Σκοπός τους είναι να κάνουν τη λειτουργία του οπ-ενισχυτή πιο σταθερή, να απαλλαγούν από την αυτοδιέγερση του κυκλώματος κατά μήκος των κυκλωμάτων ισχύος. Οι πυκνωτές πρέπει να συνδέονται όσο το δυνατόν πιο κοντά στις ακίδες ισχύος του μικροκυκλώματος. Μερικές φορές ένας πυκνωτής συνδέεται ανά ομάδα πολλών μικροκυκλωμάτων. Οι ίδιοι πυκνωτές φαίνονται σε πλακέτες με ψηφιακά μικροκυκλώματα, ο σκοπός τους είναι ο ίδιος.

Το κέρδος επαναλήπτη είναι ίσο με ενότητα ή, για να το θέσω αλλιώς, δεν υπάρχει καθόλου κέρδος. Τότε γιατί χρειαζόμαστε ένα τέτοιο σύστημα; Εδώ είναι πολύ σκόπιμο να θυμόμαστε ότι υπάρχει ένα κύκλωμα τρανζίστορ - ένας ακόλουθος εκπομπού, ο κύριος σκοπός του οποίου είναι να ταιριάζει με καταρράκτες με διαφορετικές αντιστάσεις εισόδου. Τέτοιοι καταρράκτες (repeaters) ονομάζονται επίσης καταρράκτες buffer.

Η σύνθετη αντίσταση εισόδου ενός επαναλήπτη σε έναν ενισχυτή op-amp υπολογίζεται ως το γινόμενο της σύνθετης αντίστασης εισόδου του op-amp και του κέρδους του. Για παράδειγμα, για το αναφερόμενο UD708, η σύνθετη αντίσταση εισόδου είναι περίπου 0,5 MOhm, το κέρδος είναι τουλάχιστον 30.000 και ίσως περισσότερο. Εάν πολλαπλασιαστούν αυτοί οι αριθμοί, η αντίσταση εισόδου είναι 15 GOhm, η οποία είναι συγκρίσιμη με την αντίσταση μιας όχι πολύ υψηλής ποιότητας μόνωσης, όπως το χαρτί. Ένα τόσο υψηλό αποτέλεσμα είναι απίθανο να επιτευχθεί με έναν συμβατικό οπαδό εκπομπών.

Για να μην εγείρουν αμφιβολίες οι περιγραφές, παρακάτω θα υπάρχουν εικόνες που δείχνουν τη λειτουργία όλων των περιγραφόμενων κυκλωμάτων στο πρόγραμμα προσομοιωτή Multisim. Φυσικά, όλα αυτά τα κυκλώματα μπορούν να συναρμολογηθούν σε πίνακες ψωμιού, αλλά δεν μπορούν να ληφθούν χειρότερα αποτελέσματα σε μια οθόνη οθόνης.

Στην πραγματικότητα, είναι ακόμα λίγο καλύτερα εδώ: δεν χρειάζεται να σκαρφαλώσετε σε ένα ράφι κάπου για να αλλάξετε αντίσταση ή μικροκύκλωμα. Εδώ τα πάντα, ακόμα και τα όργανα μέτρησης, είναι στο πρόγραμμα και μπορούν να «προσεγγιστούν» χρησιμοποιώντας το ποντίκι ή το πληκτρολόγιο.

Το σχήμα 2 δείχνει ένα κύκλωμα επαναλήπτη που δημιουργήθηκε στο πρόγραμμα Multisim.

Σχήμα 2.

Η έρευνα του κυκλώματος είναι αρκετά απλή. Ένα ημιτονοειδές σήμα με συχνότητα 1 KHz και πλάτος 2 V παρέχεται στην είσοδο του επαναλήπτη από τη λειτουργική γεννήτρια, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.

Εικόνα 3.

Το σήμα στην είσοδο και στην έξοδο του επαναλήπτη παρατηρείται από έναν παλμογράφο: το σήμα εισόδου εμφανίζεται ως μπλε δέσμη, η δέσμη εξόδου ως κόκκινη.

Εικόνα 4.

Γιατί, μπορεί να ρωτήσει ο προσεκτικός αναγνώστης, το σήμα εξόδου (κόκκινο) είναι διπλάσιο από το μπλε σήμα εισόδου; Όλα είναι πολύ απλά: με την ίδια ευαισθησία των καναλιών του παλμογράφου, και τα δύο ημιτονοειδή με το ίδιο πλάτος και φάση συγχωνεύονται σε ένα, κρύβονται το ένα πίσω από το άλλο.

Για να δούμε και τα δύο ταυτόχρονα, έπρεπε να μειώσουμε την ευαισθησία ενός από τα κανάλια, σε αυτήν την περίπτωση την είσοδο. Ως αποτέλεσμα, το μπλε ημιτονοειδές έγινε ακριβώς το μισό μέγεθος στην οθόνη και σταμάτησε να κρύβεται πίσω από το κόκκινο. Αν και, για να επιτύχετε ένα παρόμοιο αποτέλεσμα, μπορείτε απλά να μετατοπίσετε τις δέσμες χρησιμοποιώντας τα χειριστήρια του παλμογράφου, αφήνοντας την ευαισθησία των καναλιών ίδια.

Και τα δύο ημιτονοειδή βρίσκονται συμμετρικά σε σχέση με τον άξονα του χρόνου, πράγμα που δείχνει ότι η σταθερή συνιστώσα του σήματος είναι μηδέν. Τι συμβαίνει εάν προσθέσετε ένα μικρό στοιχείο DC στο σήμα εισόδου; Η εικονική γεννήτρια σάς επιτρέπει να μετατοπίσετε το ημιτονοειδές κύμα κατά μήκος του άξονα Y Ας προσπαθήσουμε να το μετατοπίσουμε προς τα πάνω κατά 500 mV.

Εικόνα 5.

Αυτό που προέκυψε από αυτό φαίνεται στο Σχήμα 6.

Εικόνα 6.

Είναι αξιοσημείωτο ότι τα ημιτονοειδή εισόδου και εξόδου ανέβηκαν κατά μισό βολτ, χωρίς να αλλάξουν καθόλου. Αυτό δείχνει ότι ο επαναλήπτης μετέδωσε με ακρίβεια το στοιχείο DC του σήματος. Αλλά τις περισσότερες φορές προσπαθούν να απαλλαγούν από αυτό το σταθερό στοιχείο και να το κάνουν ίσο με το μηδέν, γεγονός που αποφεύγει τη χρήση στοιχείων κυκλώματος όπως πυκνωτές αποσύνδεσης ενδιάμεσων σταδίων.

Ο επαναλήπτης είναι, φυσικά, καλός και μάλιστα όμορφος: δεν χρειαζόταν ούτε ένα επιπλέον εξάρτημα (αν και υπάρχουν κυκλώματα επαναλήπτη με μικρά "πρόσθετα"), αλλά δεν έλαβαν κανένα κέρδος. Τι είδους ενισχυτής είναι αυτός τότε; Για να δημιουργήσετε έναν ενισχυτή, χρειάζεται μόνο να προσθέσετε μερικές λεπτομέρειες για το πώς να το κάνετε αυτό θα συζητηθεί αργότερα.

Ενισχυτής αναστροφής

Για να φτιάξετε έναν αναστροφικό ενισχυτή από έναν op-amp, αρκεί να προσθέσετε μόνο δύο αντιστάσεις. Αυτό που προέκυψε από αυτό φαίνεται στο Σχήμα 7.

Εικόνα 7. Κύκλωμα ενισχυτή αναστροφής

Το κέρδος ενός τέτοιου ενισχυτή υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον τύπο K=-(R2/R1). Το σύμβολο μείον δεν σημαίνει ότι ο ενισχυτής αποδείχθηκε κακός, αλλά μόνο ότι το σήμα εξόδου θα είναι αντίθετο σε φάση από το σήμα εισόδου. Δεν είναι για τίποτα που ο ενισχυτής ονομάζεται ενισχυτής αναστροφής. Εδώ θα ήταν σκόπιμο να ανακαλέσουμε το τρανζίστορ που είναι συνδεδεμένο σύμφωνα με το κύκλωμα με την ΟΕ. Και εκεί, το σήμα εξόδου στον συλλέκτη του τρανζίστορ είναι εκτός φάσης με το σήμα εισόδου που εφαρμόζεται στη βάση.

Εδώ αξίζει να θυμάστε πόση προσπάθεια θα πρέπει να καταβάλετε για να έχετε ένα καθαρό, μη παραμορφωμένο ημιτονοειδές κύμα στον συλλέκτη του τρανζίστορ. Είναι απαραίτητο να επιλέξετε ανάλογα την προκατάληψη στη βάση του τρανζίστορ. Αυτό είναι συνήθως αρκετά περίπλοκο και εξαρτάται από πολλές παραμέτρους.

Όταν χρησιμοποιείτε ένα op-amp, αρκεί απλώς να υπολογίσετε την αντίσταση των αντιστάσεων σύμφωνα με τον τύπο και να λάβετε το καθορισμένο κέρδος. Αποδεικνύεται ότι η ρύθμιση ενός κυκλώματος χρησιμοποιώντας έναν ενισχυτή op-amp είναι πολύ πιο απλή από τη ρύθμιση πολλών σταδίων τρανζίστορ. Επομένως, δεν υπάρχει λόγος να φοβάστε ότι το σχέδιο δεν θα λειτουργήσει, δεν θα λειτουργήσει.

Εικόνα 8.

Όλα εδώ είναι τα ίδια όπως στα προηγούμενα σχήματα: το σήμα εισόδου εμφανίζεται με μπλε χρώμα και το σήμα μετά τον ενισχυτή εμφανίζεται με κόκκινο. Όλα αντιστοιχούν στον τύπο K=-(R2/R1). Το σήμα εξόδου είναι εκτός φάσης με την είσοδο (που αντιστοιχεί στο σύμβολο μείον στον τύπο) και το πλάτος του σήματος εξόδου είναι ακριβώς διπλάσιο από την είσοδο. Κάτι που ισχύει και για την αναλογία (R2/R1)=(20/10)=2. Για να κάνετε το κέρδος, για παράδειγμα, 10, αρκεί να αυξήσετε την αντίσταση της αντίστασης R2 στα 100 KOhm.

Στην πραγματικότητα, το κύκλωμα του ενισχυτή αναστροφής μπορεί να είναι κάπως πιο περίπλοκο, αυτή η επιλογή φαίνεται στο Σχήμα 9.

Εικόνα 9.

Ένα νέο μέρος εμφανίστηκε εδώ - η αντίσταση R3 (αντίθετα, απλώς εξαφανίστηκε από το προηγούμενο κύκλωμα). Σκοπός του είναι να αντισταθμίσει τα ρεύματα εισόδου ενός πραγματικού οπ-ενισχυτή προκειμένου να μειωθεί η αστάθεια θερμοκρασίας του στοιχείου DC στην έξοδο. Η τιμή αυτής της αντίστασης επιλέγεται σύμφωνα με τον τύπο R3=R1*R2/(R1+R2).

Τα σύγχρονα εξαιρετικά σταθερά op-amp επιτρέπουν τη σύνδεση της μη αναστροφικής εισόδου στο κοινό καλώδιο απευθείας χωρίς αντίσταση R3. Αν και η παρουσία αυτού του στοιχείου δεν θα κάνει τίποτα κακό, στην τρέχουσα κλίμακα παραγωγής, όταν εξοικονομούν τα πάντα, προτιμούν να μην εγκαταστήσουν αυτήν την αντίσταση.

Οι τύποι για τον υπολογισμό του αναστροφικού ενισχυτή φαίνονται στο Σχήμα 10. Γιατί στο σχήμα; Ναι, για λόγους σαφήνειας, σε μια γραμμή κειμένου δεν θα φαίνονταν τόσο οικεία και κατανοητά, δεν θα ήταν τόσο αισθητά.

Εικόνα 10.

Ο παράγοντας κέρδος αναφέρθηκε προηγουμένως. Το μόνο πράγμα που αξίζει προσοχής εδώ είναι οι σύνθετες αντιστάσεις εισόδου και εξόδου του μη αντιστρεπτικού ενισχυτή. Όλα φαίνεται να είναι ξεκάθαρα με την αντίσταση εισόδου: αποδεικνύεται ότι είναι ίση με την αντίσταση της αντίστασης R1, αλλά η αντίσταση εξόδου θα πρέπει να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο που φαίνεται στο Σχήμα 11.

Το γράμμα "K" υποδηλώνει τον συντελεστή αναφοράς του op-amp. Εδώ, παρακαλώ, υπολογίστε ποια θα είναι η αντίσταση εξόδου. Το αποτέλεσμα θα είναι ένας αρκετά μικρός αριθμός, ακόμη και για έναν μέσο ενισχυτή τύπου UD7 με το K” του να μην υπερβαίνει τα 30.000 Σε αυτή την περίπτωση, αυτό είναι καλό: τελικά, όσο χαμηλότερη είναι η αντίσταση εξόδου του καταρράκτη (αυτό δεν ισχύει μόνο για καταρράκτες op-amp), όσο πιο ισχυρό είναι το φορτίο, με λογικούς όρους, φυσικά, εντός ορίων, μπορείτε να συνδεθείτε σε αυτόν τον καταρράκτη.

Θα πρέπει να γίνει ειδική σημείωση σχετικά με τη μονάδα στον παρονομαστή του τύπου για τον υπολογισμό της αντίστασης εξόδου. Ας υποθέσουμε ότι ο λόγος R2/R1 είναι, για παράδειγμα, 100. Αυτός είναι ακριβώς ο λόγος που θα ληφθεί στην περίπτωση ενός κέρδους ενισχυτή αναστροφής 100. Αποδεικνύεται ότι εάν αυτή η μονάδα απορριφθεί, τότε τίποτα δεν θα αλλάξει πολύ . Στην πραγματικότητα αυτό δεν είναι αλήθεια.

Ας υποθέσουμε ότι η αντίσταση της αντίστασης R2 είναι μηδενική, όπως στην περίπτωση ενός επαναλήπτη. Στη συνέχεια, χωρίς ένα, ολόκληρος ο παρονομαστής γίνεται μηδέν και η αντίσταση εξόδου θα είναι εξίσου μηδενική. Και αν αργότερα αυτό το μηδέν καταλήξει κάπου στον παρονομαστή του τύπου, πώς διατάσσετε να διαιρεθεί με αυτόν; Επομένως, είναι απλά αδύνατο να απαλλαγούμε από αυτή τη φαινομενικά ασήμαντη μονάδα.

Δεν μπορείτε να γράψετε τα πάντα σε ένα άρθρο, ακόμη και ένα αρκετά μεγάλο. Επομένως, όλα όσα δεν χωρούσαν στο επόμενο άρθρο θα πρέπει να καλυφθούν. Θα υπάρχει περιγραφή ενός μη αναστροφικού ενισχυτή, ενός διαφορικού ενισχυτή και ενός ενισχυτή μονής παροχής. Θα δοθεί επίσης μια περιγραφή απλών κυκλωμάτων για τη δοκιμή των op-amp.

Ξεκίνησα μια σειρά άρθρων σχετικά με τα δομικά στοιχεία των σύγχρονων αναλογικών ηλεκτρονικών – λειτουργικών ενισχυτών. Δόθηκε ένας ορισμός του op-amp και ορισμένων παραμέτρων και δόθηκε επίσης μια ταξινόμηση των λειτουργικών ενισχυτών. Αυτό το άρθρο θα καλύψει την έννοια ενός ιδανικού λειτουργικού ενισχυτή και θα δοθούν τα βασικά κυκλώματα για τη σύνδεση ενός λειτουργικού ενισχυτή.

Ιδανικός λειτουργικός ενισχυτής και οι ιδιότητές του

Δεδομένου ότι ο κόσμος μας δεν είναι ιδανικός, δεν υπάρχουν ιδανικοί λειτουργικοί ενισχυτές. Ωστόσο, οι παράμετροι των σύγχρονων op-amp βρίσκονται σε αρκετά υψηλό επίπεδο, επομένως η ανάλυση των κυκλωμάτων με ιδανικούς op-amps δίνει αποτελέσματα πολύ κοντά σε πραγματικούς ενισχυτές.

Για την κατανόηση της λειτουργίας των κυκλωμάτων op-amp, εισάγονται ορισμένες υποθέσεις που μειώνουν τους πραγματικούς ενισχυτές op-amp σε ιδανικούς ενισχυτές. Υπάρχουν μόνο πέντε τέτοιες υποθέσεις:

1. Το ρεύμα που διαρρέει τις εισόδους op-amp υποτίθεται ότι είναι μηδέν.
2. Το κέρδος του op-amp υποτίθεται ότι είναι απείρως μεγάλο, δηλαδή, η τάση εξόδου του ενισχυτή μπορεί να φτάσει οποιαδήποτε τιμή, αλλά στην πραγματικότητα περιορίζεται από την τάση τροφοδοσίας.
3. Η διαφορά τάσης μεταξύ των εισόδων ενός ιδανικού op-amp είναι μηδέν, δηλαδή εάν ένας από τους ακροδέκτες είναι συνδεδεμένος στη γείωση, τότε ο δεύτερος ακροδέκτης έχει το ίδιο δυναμικό. Επίσης, προκύπτει ότι η σύνθετη αντίσταση εισόδου ενός ιδανικού ενισχυτή είναι άπειρη.
4. Η σύνθετη αντίσταση εξόδου ενός ιδανικού op-amp είναι μηδέν.
5. Η απόκριση πλάτους-συχνότητας ενός ιδανικού op-amp είναι επίπεδη, δηλαδή το κέρδος δεν εξαρτάται από τη συχνότητα του σήματος εισόδου.

Η εγγύτητα των παραμέτρων ενός πραγματικού λειτουργικού ενισχυτή με τις ιδανικές καθορίζει την ακρίβεια με την οποία μπορεί να λειτουργήσει ένας συγκεκριμένος ενισχυτής λειτουργίας, καθώς και να ανακαλύψει την τιμή ενός συγκεκριμένου λειτουργικού ενισχυτή και να επιλέξει γρήγορα και σωστά τον κατάλληλο οπ-ενισχυτή.

Με βάση τις παραδοχές που περιγράφονται παραπάνω, καθίσταται δυνατή η ανάλυση και η εξαγωγή σχέσεων για τα βασικά κυκλώματα του λειτουργικού ενισχυτή.

Βασικά κυκλώματα σύνδεσης λειτουργικού ενισχυτή

Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο άρθρο, οι op-amp λειτουργούν μόνο με ανάδραση, ο τύπος της οποίας καθορίζει εάν το op-amp λειτουργεί σε γραμμική λειτουργία ή σε λειτουργία κορεσμού. Η ανάδραση από την έξοδο ενός τελεστικού ενισχυτή προς την αναστρέφουσα είσοδό του συνήθως προκαλεί τον οπ-ενισχυτή να λειτουργεί σε γραμμική λειτουργία, ενώ η ανάδραση από την έξοδο του τελεστικού ενισχυτή στη μη αντιστρεπτική είσοδο ή τη λειτουργία ανοιχτού βρόχου οδηγεί σε κορεσμό του ενισχυτή.

Ενισχυτής χωρίς αναστροφή

Ένας μη αντιστρεφόμενος ενισχυτής χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι το σήμα εισόδου εφαρμόζεται στη μη αναστρέφουσα είσοδο του λειτουργικού ενισχυτή. Αυτό το διάγραμμα σύνδεσης φαίνεται παρακάτω

Η λειτουργία αυτού του κυκλώματος εξηγείται ως εξής, λαμβάνοντας υπόψη τα χαρακτηριστικά ενός ιδανικού op-amp. Το σήμα τροφοδοτείται σε έναν ενισχυτή με άπειρη αντίσταση εισόδου και η τάση στη μη αναστρέφουσα είσοδο έχει την ίδια τιμή με την αναστροφική είσοδο. Το ρεύμα στην έξοδο του λειτουργικού ενισχυτή δημιουργεί μια τάση στην αντίσταση R2 ίση με την τάση εισόδου.

Έτσι, οι κύριες παράμετροι αυτού του σχήματος περιγράφονται από την ακόλουθη σχέση

Από αυτό εξάγουμε τη σχέση για το κέρδος ενός μη αντιστρεφόμενου ενισχυτή

Έτσι, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι μόνο οι αξιολογήσεις των παθητικών στοιχείων επηρεάζουν το κέρδος.

Είναι απαραίτητο να σημειωθεί μια ειδική περίπτωση όταν η αντίσταση R2 είναι πολύ μεγαλύτερη από την R1 (R2 >> R1), τότε το κέρδος θα τείνει προς τη μονάδα. Σε αυτήν την περίπτωση, το κύκλωμα ενισχυτή χωρίς αναστροφή γίνεται αναλογικό buffer ή op-follower με κέρδος μονάδας, πολύ υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου και ουσιαστικά μηδενική σύνθετη αντίσταση εξόδου. Αυτό εξασφαλίζει αποτελεσματική αποσύνδεση εισόδου και εξόδου.

Ενισχυτής αναστροφής

Ένας αναστροφικός ενισχυτής χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι η μη αναστροφική είσοδος του λειτουργικού ενισχυτή είναι γειωμένη (δηλαδή συνδεδεμένη στον κοινό ακροδέκτη τροφοδοσίας). Σε έναν ιδανικό op-amp, η διαφορά τάσης μεταξύ των εισόδων του ενισχυτή είναι μηδέν. Επομένως, το κύκλωμα ανάδρασης πρέπει να διασφαλίζει ότι η τάση στην είσοδο αναστροφής είναι επίσης ίση με μηδέν. Το κύκλωμα του ενισχυτή αναστροφής φαίνεται παρακάτω

Η λειτουργία του κυκλώματος εξηγείται ως εξής. Το ρεύμα που ρέει μέσω του τερματικού αναστροφής σε έναν ιδανικό οπ-ενισχυτή είναι μηδέν, επομένως τα ρεύματα που ρέουν μέσω των αντιστάσεων R1 και R2 είναι ίσα μεταξύ τους και αντίθετα στην κατεύθυνση, τότε η βασική σχέση θα είναι:

Τότε το κέρδος αυτού του κυκλώματος θα είναι ίσο με

Το σύμβολο μείον σε αυτόν τον τύπο υποδεικνύει ότι το σήμα εξόδου του κυκλώματος είναι ανεστραμμένο σε σχέση με το σήμα εισόδου.

Ολοκληρωτής

Ο ολοκληρωτής σάς επιτρέπει να εφαρμόσετε ένα κύκλωμα στο οποίο η αλλαγή στην τάση εξόδου είναι ανάλογη με το σήμα εισόδου. Το κύκλωμα του απλούστερου ολοκληρωτή op-amp φαίνεται παρακάτω

Ολοκληρωτής λειτουργικού ενισχυτή.

Αυτό το κύκλωμα υλοποιεί τη λειτουργία ολοκλήρωσης πάνω από το σήμα εισόδου. Έχω ήδη εξετάσει σχήματα για την ενσωμάτωση διαφόρων σημάτων με χρήση ενσωματωμένων σημάτων. Ο ολοκληρωτής εφαρμόζει μια παρόμοια αλλαγή στο σήμα εισόδου, αλλά έχει πολλά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με την ενοποίηση αλυσίδων. Πρώτον, τα κυκλώματα RC και RL εξασθενούν σημαντικά το σήμα εισόδου και, δεύτερον, έχουν υψηλή σύνθετη αντίσταση εξόδου.

Έτσι, οι κύριες υπολογιζόμενες σχέσεις του ολοκληρωτή είναι παρόμοιες με τις αλυσίδες ολοκλήρωσης RC και RL και η τάση εξόδου θα είναι

Οι ολοκληρωτές έχουν βρει ευρεία εφαρμογή σε πολλές αναλογικές συσκευές, όπως ενεργά φίλτρα και συστήματα αυτόματου ελέγχου

Διαφοροποιητής

Η δράση του διαφοριστή είναι αντίθετη από αυτή του ολοκληρωτή, δηλαδή το σήμα εξόδου είναι ανάλογο με το ρυθμό μεταβολής του σήματος εισόδου. Το απλούστερο διάγραμμα διαφοροποίησης φαίνεται παρακάτω

Ο διαφοριστής εφαρμόζει τη λειτουργία διαφοροποίησης στο σήμα εισόδου και είναι παρόμοιος με τη δράση των διαφοροποιητών, επιπλέον, έχει καλύτερες παραμέτρους σε σύγκριση με τις αλυσίδες RC και RL: πρακτικά δεν εξασθενεί το σήμα εισόδου και έχει σημαντικά χαμηλότερη αντίσταση εξόδου. Οι βασικές σχέσεις υπολογισμού και η απόκριση σε διάφορες παρορμήσεις είναι παρόμοιες με τις διαφοροποιητικές αλυσίδες.

Η τάση εξόδου θα είναι

Ένα κύκλωμα λειτουργικού ενισχυτή που έχει βρει εφαρμογή είναι ο λογαριθμικός μετατροπέας. Αυτό το κύκλωμα χρησιμοποιεί την ιδιότητα ενός διπολικού τρανζίστορ. Το κύκλωμα του απλούστερου λογαριθμικού μετατροπέα παρουσιάζεται παρακάτω

Αυτό το κύκλωμα χρησιμοποιείται κυρίως ως συμπιεστής σήματος για την αύξηση του δυναμικού εύρους, καθώς και για την εκτέλεση μαθηματικών συναρτήσεων.

Ας εξετάσουμε την αρχή λειτουργίας ενός λογαριθμικού μετατροπέα. Όπως είναι γνωστό, το ρεύμα που διαρρέει μια δίοδο περιγράφεται από την ακόλουθη έκφραση

όπου I O είναι το αντίστροφο ρεύμα της διόδου,
e – αριθμός e, βάση φυσικού λογάριθμου, e ≈ 2,72,
q – φορτίο ηλεκτρονίων,
U – τάση διόδου,
k – σταθερά Boltzmann,
T – θερμοκρασία σε βαθμούς Kelvin.

Κατά τον υπολογισμό, μπορείτε να πάρετε I O ≈ 10-9 A, kT/q = 25 mV. Έτσι, το ρεύμα εισόδου αυτού του κυκλώματος θα είναι

τότε η τάση εξόδου

Ο απλούστερος λογαριθμικός μετατροπέας πρακτικά δεν χρησιμοποιείται, καθώς έχει μια σειρά από σοβαρά μειονεκτήματα:

1. Υψηλή ευαισθησία στη θερμοκρασία.
2. Η δίοδος δεν παρέχει επαρκή ακρίβεια μετατροπής, καθώς η σχέση μεταξύ της πτώσης τάσης και του ρεύματος της διόδου δεν είναι εντελώς λογαριθμική.

Ως αποτέλεσμα, αντί για διόδους, χρησιμοποιούνται σε σύνδεση διόδου ή με γειωμένη βάση.

Ένα κύκλωμα εκθετικού μετατροπέα λαμβάνεται από έναν λογαριθμικό μετατροπέα αλλάζοντας τη θέση της διόδου και της αντίστασης στο κύκλωμα. Και η λειτουργία ενός τέτοιου κυκλώματος, καθώς και ενός λογαριθμικού μετατροπέα, βασίζεται στη λογαριθμική σχέση μεταξύ της πτώσης τάσης στη δίοδο και του ρεύματος που ρέει μέσω της διόδου. Το κύκλωμα εκθετικού μετατροπέα φαίνεται παρακάτω

Η λειτουργία του κυκλώματος περιγράφεται από τις γνωστές εκφράσεις

Έτσι, η τάση εξόδου θα είναι

Ακριβώς όπως ένας λογαριθμικός μετατροπέας, ο απλούστερος εκθετικός μετατροπέας με δίοδο στην είσοδο χρησιμοποιείται σπάνια για τους λόγους που περιγράφονται παραπάνω, επομένως, αντί για διόδους στην είσοδο, χρησιμοποιούνται διπολικά τρανζίστορ σε σύνδεση διόδου ή με κοινή βάση.

Όπως σημειώθηκε, οι λειτουργικοί ενισχυτές χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε μια μεγάλη ποικιλία ηλεκτρονικών συσκευών. Χρησιμοποιούνται ευρέως τόσο σε αναλογικές όσο και σε παλμικές ηλεκτρονικές συσκευές. Ταυτόχρονα, υπάρχουν και χρησιμοποιούνται συχνά τυπικά γραμμικά κυκλώματα που βασίζονται σε λειτουργικούς ενισχυτές. Κάθε μηχανικός που χρησιμοποιεί ηλεκτρονικές συσκευές πρέπει να γνωρίζει αυτά τα τυπικά κυκλώματα. Τέτοια σχήματα συζητούνται παρακάτω.

Είναι πολύ χρήσιμο να κατέχουμε αρκετά απλές τεχνικές για χειροκίνητη ανάλυση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που βασίζονται σε λειτουργικούς ενισχυτές. Αυτό θα διευκολύνει σημαντικά την κατανόηση της αρχής λειτουργίας συγκεκριμένων ηλεκτρονικών συσκευών και θα συμβάλει στην απόκτηση αξιόπιστων αποτελεσμάτων της μηχανικής ανάλυσης. Αυτές οι τεχνικές ανάλυσης βασίζονται σε έναν αριθμό υποθέσεων που γίνονται με την υπόθεση ότι οι χρησιμοποιούμενοι λειτουργικοί ενισχυτές είναι αρκετά κοντά στο ιδανικό. Η πρακτική των υπολογισμών δείχνει ότι τα αποτελέσματα που λαμβάνονται βάσει υποθέσεων έχουν ένα απολύτως αποδεκτό σφάλμα.

Ας κάνουμε τις ακόλουθες υποθέσεις:

● Η αντίσταση εισόδου του λειτουργικού ενισχυτή είναι άπειρη, τα ρεύματα των ηλεκτροδίων εισόδου είναι μηδέν (είσοδος R → ∞, i + = i −).

● Η σύνθετη αντίσταση εξόδου του ενισχυτή λειτουργίας είναι μηδέν, δηλαδή ο ενισχυτής λειτουργίας στην πλευρά εξόδου είναι ιδανική πηγή (R out = 0).

● Το κέρδος τάσης (διαφορικό κέρδος) είναι άπειρο και το διαφορικό κέρδος στη λειτουργία ενίσχυσης είναι μηδέν (μην βραχυκυκλώνετε τις απαγωγές op-amp).

● Στη λειτουργία κορεσμού, η έξοδος είναι ίση σε μέγεθος με την τάση τροφοδοσίας και το πρόσημο καθορίζεται από την πολικότητα της τάσης εισόδου. Είναι χρήσιμο να σημειωθεί ότι στη λειτουργία κορεσμού το διαφορικό σήμα δεν μπορεί πάντα να θεωρηθεί ως μηδέν.

● Το σήμα κοινής λειτουργίας δεν επηρεάζει τον ενισχυτή λειτουργίας.

● Η μετατόπιση μηδέν είναι μηδέν.

Ας εξετάσουμε το κύκλωμα του ενισχυτή αναστροφής (Εικ. 2.25), από το οποίο φαίνεται ότι λειτουργεί σε αυτό παράλληλη ανάδραση τάσης.

Αφού i − = 0, τότε σύμφωνα με τον πρώτο νόμο του Kirchhoff i 1 = i 2.

Ας υποθέσουμε ότι ο λειτουργικός ενισχυτής λειτουργεί σε λειτουργία ενίσχυσης, τότε udiff = 0. Σύμφωνα με αυτό, με βάση τον δεύτερο νόμο του Kirchhoff, λαμβάνουμε i 1 = uin/ R 1 i 2 = − uout/ R 2

Θεωρώντας ότι i 1 = i 2, λαμβάνουμε uout = −uin · R 2 / R 1

Έτσι, ο ενισχυτής αναστροφής χαρακτηρίζεται από κέρδος τάσης ίσο με Ku= -R2/R1

Για παράδειγμα, αν R1= 1 kOhm, R2=10 kOhm, τότε uout= − 10 uin

Για να μειωθεί η επίδραση των ρευμάτων εισόδου του λειτουργικού ενισχυτή στην έξοδο, περιλαμβάνεται μια αντίσταση με αντίσταση R 3 στο κύκλωμα εισόδου χωρίς αναστροφή (Εικ. 2.26), η οποία προσδιορίζεται από την έκφραση R3=R1//R2= R1 R2/ (R1+R2)

Η σύνθετη αντίσταση εισόδου ενός αναστροφικού ενισχυτή σε χαμηλές συχνότητες είναι πολύ χαμηλότερη από την αντίσταση εισόδου του ίδιου του ενισχυτή. Αυτό είναι απολύτως συνεπές με το προηγούμενο εύρημα ότι η παράλληλη αρνητική ανάδραση που εμφανίζεται στο κύκλωμα μειώνει την σύνθετη αντίσταση εισόδου. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το udif~ 0, είναι εύκολο να διαπιστωθεί ότι η αντίσταση εισόδου του ενισχυτή σε χαμηλές συχνότητες είναι περίπου ίση με το R 1.

Η αντίσταση εξόδου του αναστροφικού ενισχυτή σε χαμηλές συχνότητες Rout.os είναι σημαντικά μικρότερη από την αντίσταση εξόδου σε χαμηλές συχνότητες Rout του ίδιου του λειτουργικού ενισχυτή. Αυτό είναι συνέπεια αρνητικής ανάδρασης τάσης.

Μπορεί να φανεί ότι R out = R out / (1 + K R1/R2) όπου K είναι το κέρδος τάσης του λειτουργικού ενισχυτή.

Υπάρχουν πολλά σημαντικά θέματα σε ένα μάθημα ηλεκτρονικών. Σήμερα θα προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τους λειτουργικούς ενισχυτές.
Ξανά από την αρχή. Ένας λειτουργικός ενισχυτής είναι ένα "πράγμα" που σας επιτρέπει να λειτουργείτε με αναλογικά σήματα με κάθε δυνατό τρόπο. Τα πιο απλά και βασικά είναι η ενίσχυση, η εξασθένηση, η πρόσθεση, η αφαίρεση και πολλά άλλα (για παράδειγμα, διαφοροποίηση ή λογάριθμος). Η συντριπτική πλειονότητα των λειτουργιών σε λειτουργικούς ενισχυτές (εφεξής καλούμενοι op-amp) εκτελούνται χρησιμοποιώντας θετική και αρνητική ανάδραση.
Σε αυτό το άρθρο θα εξετάσουμε έναν ορισμένο "ιδανικό" op-amp, επειδή Δεν έχει νόημα να μεταβείτε σε ένα συγκεκριμένο μοντέλο. Με τον όρο ιδανικό εννοείται ότι η αντίσταση εισόδου θα τείνει στο άπειρο (επομένως, το ρεύμα εισόδου θα τείνει στο μηδέν) και η αντίσταση εξόδου, αντίθετα, θα τείνει στο μηδέν (αυτό σημαίνει ότι το φορτίο δεν πρέπει να επηρεάζει την τάση εξόδου ). Επίσης, κάθε ιδανικός op-amp θα πρέπει να ενισχύει σήματα οποιασδήποτε συχνότητας. Λοιπόν, και το πιο σημαντικό, το κέρδος απουσία ανατροφοδότησης θα πρέπει επίσης να τείνει στο άπειρο.

Φτανω στο σημειο

Ένας λειτουργικός ενισχυτής συμβολίζεται συχνά σε διαγράμματα με ένα ισόπλευρο τρίγωνο. Αριστερά είναι οι είσοδοι, οι οποίες σημειώνονται με "-" και "+", στα δεξιά είναι η έξοδος. Η τάση μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιαδήποτε από τις εισόδους, η μία από τις οποίες αλλάζει την πολικότητα της τάσης (γι' αυτό ονομάστηκε αντιστροφή), η άλλη όχι (είναι λογικό να υποθέσουμε ότι ονομάζεται μη αναστροφή). Το τροφοδοτικό op-amp είναι τις περισσότερες φορές διπολικό. Τυπικά, οι θετικές και αρνητικές τάσεις τροφοδοσίας έχουν την ίδια τιμή (αλλά διαφορετικό πρόσημο!).
Στην απλούστερη περίπτωση, μπορείτε να συνδέσετε πηγές τάσης απευθείας στις εισόδους op-amp. Και στη συνέχεια η τάση εξόδου θα υπολογιστεί σύμφωνα με τον τύπο:
, όπου είναι η τάση στη μη αντιστρεπτική είσοδο, είναι η τάση στην είσοδο αναστροφής, είναι η τάση εξόδου και είναι το κέρδος ανοιχτού βρόχου.
Ας δούμε τον ιδανικό op-amp από την πλευρά του Proteus.


Σας προτείνω να «παίξετε» μαζί του. Εφαρμόστηκε τάση 1V στη μη αντιστρεπτική είσοδο. Για αναστροφή 3V. Χρησιμοποιούμε έναν "ιδανικό" op-amp. Έτσι, παίρνουμε: . Αλλά εδώ έχουμε έναν περιοριστή, γιατί δεν θα μπορέσουμε να ενισχύσουμε το σήμα πάνω από την τάση τροφοδοσίας μας. Έτσι, θα συνεχίσουμε να παίρνουμε -15 V στην έξοδο. Αποτέλεσμα:


Ας αλλάξουμε το κέρδος (έτσι με πιστεύετε). Αφήστε την παράμετρο Voltage Gain να γίνει ίση με δύο. Το ίδιο πρόβλημα λύνεται ξεκάθαρα.

Εφαρμογή στην πραγματική ζωή των op-amp χρησιμοποιώντας το παράδειγμα των αντιστρεπτικών και μη αναστροφικών ενισχυτών

Υπάρχουν δύο από αυτά κύριοςκανόνες:
ΕΓΩ. Η έξοδος του ενισχυτή op τείνει να κάνει τη διαφορική τάση (η διαφορά μεταξύ της τάσης στις εισόδους αναστροφής και μη) να είναι μηδέν.
II. Οι είσοδοι ενισχυτή op δεν καταναλώνουν καθόλου ρεύμα.
Ο πρώτος κανόνας εφαρμόζεται μέσω ανατροφοδότησης. Εκείνοι. η τάση μεταφέρεται από την έξοδο στην είσοδο με τέτοιο τρόπο ώστε η διαφορά δυναμικού να μηδενίζεται.
Αυτοί είναι, ας πούμε, οι «ιεροί κανόνες» στο θέμα του OU.
Και τώρα, πιο συγκεκριμένα. Ενισχυτής αναστροφήςμοιάζει ακριβώς με αυτό (δώστε προσοχή στο πώς βρίσκονται οι είσοδοι):


Με βάση τον πρώτο «κανόνα» παίρνουμε την αναλογία:
, και αφού «κάνουμε λίγη μαγεία» με τον τύπο, εξάγουμε την τιμή για το κέρδος του αντιστρεπτικού op-amp:

Το παραπάνω στιγμιότυπο οθόνης δεν χρειάζεται σχόλια. Απλώς συνδέστε τα πάντα και ελέγξτε τα μόνοι σας.

Επόμενο στάδιο - μη αντιστρεπτικήενισχυτής.
Όλα είναι επίσης απλά εδώ. Η τάση εφαρμόζεται απευθείας στη μη αναστρέφουσα είσοδο. Η ανατροφοδότηση παρέχεται στην είσοδο αναστροφής. Η τάση στην είσοδο αναστροφής θα είναι:
, αλλά εφαρμόζοντας τον πρώτο κανόνα, μπορούμε να πούμε ότι

Και πάλι, η «μεγαλοπρεπής» γνώση στον τομέα των ανώτερων μαθηματικών μας επιτρέπει να προχωρήσουμε στον τύπο:
Θα σας δώσω ένα ολοκληρωμένο στιγμιότυπο οθόνης που μπορείτε να ελέγξετε ξανά αν θέλετε:

Τέλος, θα σας δώσω μερικά ενδιαφέροντα κυκλώματα για να μην έχετε την εντύπωση ότι οι λειτουργικοί ενισχυτές μπορούν να ενισχύσουν μόνο την τάση.

Ακολουθητής τάσης (ενισχυτής buffer).Η αρχή λειτουργίας είναι η ίδια με αυτή ενός επαναλήπτη τρανζίστορ. Χρησιμοποιείται σε κυκλώματα βαρέος φορτίου. Επίσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίλυση του προβλήματος της αντιστοίχισης σύνθετης αντίστασης εάν το κύκλωμα περιέχει ανεπιθύμητους διαιρέτες τάσης. Το σχέδιο είναι απλό σε σημείο ιδιοφυΐας:

Αθροιστικός ενισχυτής.Μπορεί να χρησιμοποιηθεί εάν χρειάζεται να προσθέσετε (αφαιρέσετε) πολλά σήματα. Για λόγους σαφήνειας, εδώ είναι ένα διάγραμμα (και πάλι, προσέξτε τη θέση των εισόδων):


Επίσης, δώστε προσοχή στο γεγονός ότι R1 = R2 = R3 = R4, και R5 = R6. Ο τύπος υπολογισμού σε αυτήν την περίπτωση θα είναι: (γνωστός, έτσι δεν είναι;)
Έτσι, βλέπουμε ότι οι τιμές τάσης που παρέχονται στη μη αντιστρεπτική είσοδο «αποκτούν» ένα σύμβολο συν. Στην αναστροφή ενός - μείον.

συμπέρασμα

Τα κυκλώματα λειτουργικών ενισχυτών είναι εξαιρετικά διαφορετικά. Σε πιο περίπλοκες περιπτώσεις, μπορεί να βρείτε ενεργά κυκλώματα φίλτρων, συσκευές δειγματοληψίας ADC και αποθήκευσης, ενισχυτές ισχύος, μετατροπείς ρεύματος σε τάση και πολλά πολλά άλλα κυκλώματα.

Κατάλογος πηγών

Μια σύντομη λίστα πηγών που θα σας βοηθήσουν να εξοικειωθείτε γρήγορα τόσο με τους op-amp όσο και με τα ηλεκτρονικά γενικότερα:
Βικιπαίδεια
P. Horowitz, W. Hill. "Η τέχνη του σχεδίου κυκλωμάτων"
Β. Μπέικερ. «Τι πρέπει να γνωρίζει ένας ψηφιακός προγραμματιστής για τα αναλογικά ηλεκτρονικά»
Σημειώσεις διαλέξεων για ηλεκτρονικά (κατά προτίμηση δικές σας)
UPD:Ευχαριστώ UFOγια πρόσκληση