Obvody na operačných zosilňovačoch so spätnou väzbou. Operačný zosilňovač

V kurze elektroniky je veľa dôležitých tém. Dnes sa pokúsime vysporiadať s operačnými zosilňovačmi.
Začať odznova. Operačný zosilňovač je taká „vec“, ktorá vám umožňuje pracovať všetkými možnými spôsobmi s analógovými signálmi. Najjednoduchšie a najzákladnejšie sú zosilnenie, zoslabenie, sčítanie, odčítanie a mnohé ďalšie (napríklad diferenciácia alebo logaritmus). Prevažná väčšina operácií na operačných zosilňovačoch (ďalej len operačné zosilňovače) sa vykonáva pomocou pozitívnej a negatívnej spätnej väzby.
V tomto článku budeme uvažovať o určitom "ideálnom" OS, pretože nemá zmysel prechádzať na konkrétny model. Ideálny znamená, že vstupný odpor bude mať tendenciu k nekonečnu (teda vstupný prúd bude mať tendenciu k nule) a výstupný odpor naopak bude mať tendenciu k nule (čo znamená, že záťaž by nemala ovplyvňovať výstupné napätie). Každý ideálny operačný zosilňovač by mal tiež zosilňovať signály akejkoľvek frekvencie. No a čo je najdôležitejšie, zisk bez spätnej väzby by mal tiež smerovať k nekonečnu.

Choďte k veci

Operačný zosilňovač na obvodoch je veľmi často označený rovnostranným trojuholníkom. Vľavo sú vstupy, ktoré sú označené "-" a "+", vpravo - výstup. Napätie môže byť privedené na ktorýkoľvek zo vstupov, z ktorých jeden mení polaritu napätia (preto sa nazýva invertujúci), druhý sa nemení (je logické predpokladať, že sa nazýva neinvertujúci). Napájanie operačného zosilňovača je najčastejšie bipolárne. Za normálnych okolností majú kladné a záporné napájacie napätie rovnakú hodnotu (ale iné znamienko!).
V najjednoduchšom prípade môžete zdroje napätia pripojiť priamo na vstupy operačného zosilňovača. A potom sa výstupné napätie vypočíta podľa vzorca:
, kde je napätie na neinvertujúcom vstupe, je napätie na invertujúcom vstupe, je napätie na výstupe a je zosilnenie bez spätnej väzby.
Pozrime sa na ideálny op-amp z pohľadu Proteus.


Navrhujem, aby ste sa s tým pohrali. Na neinvertujúci vstup bolo privedené napätie 1V. Na invertujúcom 3V. Používame "ideálny" OS. Takže dostaneme: Ale tu máme obmedzovač, pretože nebudeme môcť zosilniť signál nad naše napájacie napätie. Výstup bude teda stále -15V. výsledok:


Zmeňme zisk (aby ste mi verili). Nech sa parameter Voltage Gain rovná dvom. Rovnaký problém je jasne vyriešený.

Skutočná aplikácia operačného zosilňovača na príklade invertujúcich a neinvertujúcich zosilňovačov

Také sú dve hlavný predpisy:
ja Výstup operačného zosilňovača má tendenciu robiť rozdielne napätie (rozdiel medzi napätím na invertujúcom a neinvertujúcom vstupe) rovné nule.
II. Vstupy operačného zosilňovača neodoberajú žiadny prúd.
Prvé pravidlo sa implementuje prostredníctvom spätnej väzby. Tie. napätie sa prenáša z výstupu na vstup takým spôsobom, že potenciálny rozdiel je nulový.
Ide o takpovediac „posvätné kánony“ v téme OU.
A teraz konkrétnejšie. Invertujúci zosilňovač vyzerá presne takto (venujte pozornosť tomu, ako sú umiestnené vstupy):


Na základe prvého „kánonu“ dostaneme pomer:
a po troche „čarovania“ so vzorcom odvodíme hodnotu zosilnenia invertujúceho operačného zosilňovača:

Snímka obrazovky vyššie nepotrebuje komentár. Stačí všetko zapojiť a skontrolovať.

Ďalšia fáza - neinvertujúci zosilňovač.
Všetko je tu tiež jednoduché. Napätie sa privádza priamo na neinvertujúci vstup. Spätná väzba sa aplikuje na invertujúci vstup. Napätie na invertujúcom vstupe bude:
, ale pri použití prvého pravidla možno tvrdiť, že

A opäť, „veľké“ znalosti v oblasti vyššej matematiky nám umožňujú prejsť na vzorec:
Tu je úplná snímka obrazovky, ktorú môžete skontrolovať, ak chcete:

Na záver uvediem pár zaujímavých obvodov, aby ste nenadobudli dojem, že op-ampy dokážu len zosilniť napätie.

Napäťový sledovač (zosilňovač vyrovnávacej pamäte). Princíp činnosti je rovnaký ako pri tranzistorovom zosilňovači. Používa sa v obvodoch s vysokým zaťažením. Tiež s jeho pomocou môžete vyriešiť problém impedančného prispôsobenia, ak sú v obvode nežiaduce rozdeľovače napätia. Schéma je jednoduchá až geniálna:

sumačný zosilňovač. Môže sa použiť, ak chcete pridať (odčítať) niekoľko signálov. Pre prehľadnosť - schéma (opäť venujte pozornosť umiestneniu vstupov):


Venujte pozornosť aj skutočnosti, že R1 = R2 = R3 = R4 a R5 = R6. Výpočtový vzorec v tomto prípade bude: (známy, však?)
Vidíme teda, že hodnoty napätia, ktoré sú aplikované na neinvertujúci vstup, „získajú“ znamienko plus. Na obrátení - mínus.

Záver

Obvody operačného zosilňovača sú mimoriadne rozmanité. V zložitejších prípadoch môžete nájsť aktívne filtračné obvody, ADC a úložné vzorkovacie zariadenia, výkonové zosilňovače, prevodníky prúdu na napätie a mnoho ďalších obvodov.

Zoznam zdrojov

Krátky zoznam zdrojov, ktoré vám pomôžu rýchlo si zvyknúť na operačný systém a elektroniku vo všeobecnosti:
Wikipedia
P. Horowitz, W. Hill. "Umenie obvodu"
B. Baker. „Čo potrebuje digitálny dizajnér vedieť o analógovej elektronike“
Poznámky z prednášok o elektronike (najlepšie vlastné)
UPD.: Vďaka UFO na pozvanie

V neinvertujúcom zosilňovači sa vstupný signál privádza na neinvertujúci vstup operačného zosilňovača (+), to je hlavný rozdiel medzi neinvertujúcim zosilňovačom na operačnom zosilňovači z. V tomto prípade zdroj signálu "vidí" nekonečný vstupný odpor operačného zosilňovača. Nulové predpätie je nulové, a preto invertujúci vstup operačného zosilňovača musí mať rovnaký potenciál ako neinvertujúci vstup. Prúd z výstupu operačného zosilňovača vytvára pokles napätia na rezistore RG, ktorý sa musí rovnať vstupnému napätiu VIN.

Ryža. 1. Neinvertujúci operačný zosilňovač

Na výpočet výstupného napätia V OUT a zosilnenia použite pravidlo na výpočet deliča napätia:

Po prevode sa výraz pre zisk získa v nasledujúcom tvare:

Je dôležité poznamenať, že výraz (2) obsahuje iba hodnotenia pasívnych prvkov.
Ak je odpor odporu RG zvolený oveľa viac ako RF, potom pomer (R F / R G) má tendenciu k nule a keď je odpor R F nula, výraz (2) sa prevedie na

V tomto prípade sa neinvertujúci zosilňovač zmení na vyrovnávaciu pamäť (opakovač signálu) s jednotkovým ziskom, s nekonečným vstupným a nulovým výstupným odporom. Rezistor R G v tomto prípade môže byť tiež vylúčený z obvodu. V praxi môžu niektoré operačné zosilňovače „vyhorieť“, keď sú zapnuté bez odporu RF. Z tohto dôvodu je tento odpor prítomný v mnohých návrhoch vyrovnávacej pamäte. Jeho funkciou je chrániť invertujúci vstup pred prepätiami obmedzením prúdu na bezpečnú úroveň. Bežne používaná hodnota pre tento odpor je 20 kΩ. V obvodoch zosilňovača spätnej väzby odtoku určuje stabilitu odpor RF a je vždy potrebný. Nebuďte však leniví a pozrite sa do datasheetu operačného zosilňovača. Ak je tam zahrnutie opísané ako na obr. 2 - neváhajte to použiť!

Článok sa bude zaoberať štandardom na operačnom zosilňovači, ako aj príkladmi rôznych režimov prevádzky tohto zariadenia. Dodnes sa žiadne ovládacie zariadenie nezaobíde bez zosilňovačov. Ide o skutočne univerzálne zariadenia, ktoré umožňujú vykonávať rôzne funkcie so signálom. Dozviete sa viac o tom, ako funguje a čo presne vám toto zariadenie umožňuje.

Invertujúce zosilňovače

Obvod invertného zosilňovača na operačnom zosilňovači je pomerne jednoduchý, môžete to vidieť na obrázku. Je založený na operačnom zosilňovači (jeho spínacie obvody sú popísané v tomto článku). Okrem toho tu:

1. Na rezistore R1 je úbytok napätia, vo svojej hodnote je rovnaký ako na vstupe.
2. K dispozícii je tiež odpor R2 - je rovnaký ako výstup.

V tomto prípade sa pomer výstupného napätia k odporu R2 rovná hodnote pomeru vstupu k R1, ale inverzne k nemu v znamienku. Keď poznáte hodnoty odporu a napätia, môžete vypočítať zisk. Aby ste to dosiahli, musíte rozdeliť výstupné napätie o vstupné napätie. Operačný zosilňovač (môže mať ľubovoľné spínacie obvody) môže mať v tomto prípade rovnaké zosilnenie bez ohľadu na typ.

Práca so spätnou väzbou

Teraz musíme podrobnejšie rozobrať jeden kľúčový bod – prácu spätnej väzby. Predpokladajme, že na vstupe je nejaké napätie. Pre jednoduchosť výpočtov vezmime jeho hodnotu rovnú 1 V. Predpokladajme tiež, že R1=10 kOhm, R2=100 kOhm.

Teraz predpokladajme, že nastala nejaká nepredvídaná situácia, kvôli ktorej je napätie na výstupe kaskády nastavené na 0 V. Potom je pozorovaný zaujímavý obraz - dva odpory začnú pracovať v pároch, spolu vytvárajú delič napätia. Na výstupe invertujúceho stupňa sa udržiava na úrovni 0,91 V. Operačný zosilňovač zároveň umožňuje opraviť nesúlad na vstupoch a napätie na výstupe klesá. Preto je veľmi jednoduché navrhnúť obvod operačného zosilňovača, ktorý implementuje funkciu zosilňovača signálu napríklad zo snímača.

A táto zmena bude pokračovať až do momentu, kým sa výstup nenastaví na stabilnú hodnotu 10 V. Práve v tomto momente budú potenciály na vstupoch operačného zosilňovača rovnaké. A budú rovnaké ako potenciál zeme. Na druhej strane, ak napätie na výstupe zariadenia naďalej klesá a je nižšie ako -10 V, potenciál na vstupe bude nižší ako na zemi. Dôsledkom toho je, že výstupné napätie sa začína zvyšovať.

Takýto obvod má veľkú nevýhodu - vstupná impedancia je veľmi malá, najmä pri zosilňovačoch s veľkou hodnotou zosilnenia napätia, ak je spätná väzba uzavretá. A dizajn diskutovaný nižšie je zbavený všetkých týchto nedostatkov.

Neinvertujúci zosilňovač

Na obrázku je znázornená schéma neinvertujúceho zosilňovača na báze operačného zosilňovača. Po jeho analýze môžeme vyvodiť niekoľko záverov:

1. Hodnota napätia UA sa rovná vstupu.
2. Z deliča sa odstráni napätie UA, ktoré sa rovná pomeru súčinu výstupného napätia a R1 k súčtu odporov R1 a R2.
3. V prípade, že sa hodnota UA rovná vstupnému napätiu, zosilnenie sa rovná pomeru výstupného napätia k vstupnému napätiu (alebo môžete pridať jeden k pomeru odporov R2 a R1).

Táto konštrukcia sa nazýva neinvertujúci zosilňovač, má prakticky nekonečnú vstupnú impedanciu. Napríklad pre operačné zosilňovače série 411 je jeho hodnota minimálne 1012 ohmov. A pre operačné zosilňovače na bipolárnych polovodičových tranzistoroch spravidla nad 108 ohmov. Ale výstupná impedancia kaskády, ako aj v predtým uvažovanom obvode, je veľmi malá - zlomky ohmu. A to treba brať do úvahy pri výpočte obvodov na operačných zosilňovačoch.

obvod AC zosilňovača

Oba obvody diskutované vyššie v článku fungujú na Ale ak striedavý prúd pôsobí ako spojenie medzi zdrojom vstupného signálu a zosilňovačom, potom bude potrebné zabezpečiť uzemnenie pre prúd na vstupe zariadenia. Okrem toho je potrebné venovať pozornosť skutočnosti, že hodnota prúdu je extrémne malá.

V prípade, že dochádza k zosilneniu striedavých signálov, je potrebné znížiť zosilnenie jednosmerného signálu na jednotu. To platí najmä pre prípady, keď je zosilnenie napätia veľmi veľké. Vďaka tomu je možné výrazne znížiť vplyv šmykového napätia, ktoré je privádzané na vstup zariadenia.

Druhý príklad obvodu pre prácu so striedavým napätím

V tomto obvode na úrovni -3 dB môžete vidieť korešpondenciu s frekvenciou 17 Hz. Na ňom je impedancia kondenzátora na úrovni dvoch kiloohmov. Preto musí byť kondenzátor dostatočne veľký.

Na zostavenie AC zosilňovača musíte použiť neinvertujúci typ obvodu operačného zosilňovača. A mal by mať dostatočne veľké napäťové zosilnenie. Ale kondenzátor môže byť príliš veľký, takže je najlepšie ho prestať používať. Je pravda, že je potrebné správne vybrať šmykové napätie a jeho hodnotu rovnať nule. A môžete použiť delič v tvare T a zvýšiť hodnoty odporu oboch odporov v obvode.

Ktorú schému je lepšie použiť

Väčšina dizajnérov uprednostňuje neinvertujúce zosilňovače, pretože majú veľmi vysokú vstupnú impedanciu. A zanedbávajú obvody invertujúceho typu. Ten druhý má ale obrovskú výhodu – je nenáročný na samotný operačný zosilňovač, ktorý je jeho „srdcovkou“.

Okrem toho, vlastnosti, v skutočnosti je to oveľa lepšie. A pomocou pomyselného uzemnenia sa dajú všetky signály bez väčších ťažkostí spojiť a nebudú sa navzájom nijako ovplyvňovať. Môže byť použitý v konštrukciách a obvode jednosmerného zosilňovača na operačnom zosilňovači. Všetko závisí od potrieb.

A posledná vec je prípad, ak je celý tu uvažovaný obvod pripojený k stabilnému výstupu iného operačného zosilňovača. V tomto prípade nehrá významnú úlohu hodnota impedancie na vstupe - minimálne 1 kOhm, minimálne 10, minimálne nekonečno. V tomto prípade prvá kaskáda vždy plní svoju funkciu vo vzťahu k ďalšej.

Obvod opakovača

Sledovač na operačnom zosilňovači funguje podobne ako emitor, postavený na bipolárnom tranzistore. A vykonáva podobné funkcie. V skutočnosti ide o neinvertujúci zosilňovač, v ktorom je odpor prvého odporu nekonečne veľký a druhý je nulový. V tomto prípade sa zisk rovná jednote.

Existujú špeciálne typy operačných zosilňovačov, ktoré sa v technike používajú len pre opakovacie obvody. Majú oveľa lepšie vlastnosti - spravidla ide o vysoký výkon. Príkladom sú také operačné zosilňovače ako OPA633, LM310, TL068. Ten má kryt ako tranzistor, ako aj tri výstupy. Veľmi často sa takéto zosilňovače jednoducho označujú ako vyrovnávacie pamäte. Faktom je, že majú vlastnosti izolantu (veľmi vysoká vstupná impedancia a extrémne nízky výstup). Približne podľa tohto princípu je obvod prúdového zosilňovača postavený na operačnom zosilňovači.

Aktívny režim

V skutočnosti ide o režim prevádzky, pri ktorom nedochádza k preťaženiu výstupov a vstupov operačného zosilňovača. Ak je na vstup obvodu privedený veľmi veľký signál, potom na výstupe jednoducho začne rezať podľa úrovne napätia kolektora alebo emitora. Ale keď je napätie na výstupe pevné na hraničnej úrovni, napätie na vstupoch operačného zosilňovača sa nemení. V tomto prípade rozsah nemôže byť väčší ako napájacie napätie

Väčšina obvodov operačného zosilňovača je navrhnutá tak, že tento výkyv je o 2 V menší ako napájacie napätie. Všetko však závisí od konkrétneho obvodu zosilňovača operačného zosilňovača. Existuje aj obmedzenie stability založené na operačnom zosilňovači.

Predpokladajme, že v plávajúcom zdroji záťaže je pokles napätia. Ak má prúd normálny smer pohybu, môžete sa stretnúť s nákladom, ktorý je na prvý pohľad zvláštny. Napríklad niekoľko obrátených batérií. Tento dizajn možno použiť na získanie jednosmerného nabíjacieho prúdu.

Niektoré preventívne opatrenia

Jednoduchý zosilňovač napätia na operačnom zosilňovači (možno zvoliť ľubovoľný obvod) sa dá vyrobiť doslova „na kolene“. Musíte však vziať do úvahy niektoré funkcie. Uistite sa, že spätná väzba v obvode je záporná. To tiež naznačuje, že je neprijateľné zamieňať neinvertujúce a invertujúce vstupy zosilňovača. Okrem toho musí byť prítomná spätná väzba jednosmerného prúdu. V opačnom prípade operačný zosilňovač rýchlo prejde do saturácie.

Väčšina operačných zosilňovačov má veľmi nízke vstupné rozdielové napätie. V tomto prípade môže byť maximálny rozdiel medzi neinvertujúcim a invertujúcim vstupom obmedzený na 5 V pri akomkoľvek pripojení napájania. Ak sa tento stav zanedbá, na vstupe sa objavia pomerne veľké prúdy, čo povedie k tomu, že sa všetky charakteristiky obvodu zhoršia.

Najhoršie na tom je fyzické zničenie samotného operačného zosilňovača. V dôsledku toho obvod zosilňovača na operačnom zosilňovači úplne prestane fungovať.

Malo by sa brať do úvahy

A, samozrejme, musíte hovoriť o pravidlách, ktoré by sa mali dodržiavať, aby sa zabezpečila stabilná a odolná prevádzka operačného zosilňovača.

Najdôležitejšie je, že operačný zosilňovač má veľmi vysoké napäťové zosilnenie. A ak sa napätie medzi vstupmi zmení o zlomok milivoltu, jeho hodnota na výstupe sa môže výrazne zmeniť. Preto je dôležité vedieť: pre operačný zosilňovač sa výstup snaží zabezpečiť, aby rozdiel napätia medzi vstupmi bol blízky (ideálne rovný) nule.

Druhým pravidlom je, že prúdový odber operačného zosilňovača je extrémne malý, doslova nanoampér. Ak sú na vstupoch nainštalované tranzistory s efektom poľa, potom sa vypočítava v pikoampéroch. Z toho môžeme konštatovať, že vstupy nespotrebúvajú prúd, bez ohľadu na to, ktorý operačný zosilňovač sa používa, obvod - princíp činnosti zostáva rovnaký.

Ale nemyslite si, že operačný zosilňovač skutočne neustále mení napätie na vstupoch. Fyzicky je to takmer nemožné implementovať, pretože by neexistovala žiadna korešpondencia s druhým pravidlom. Vďaka operačnému zosilňovaču sa vyhodnocuje stav všetkých vstupov. Pomocou externého spätnoväzbového obvodu sa z výstupu prenáša napätie na vstup. Výsledkom je, že rozdiel napätia medzi vstupmi operačného zosilňovača je nulový.

Koncept spätnej väzby

Toto je bežný koncept a už sa používa v širokom zmysle vo všetkých oblastiach techniky. V každom riadiacom systéme existuje spätná väzba, ktorá porovnáva výstupný signál a nastavenú hodnotu (referenčnú). V závislosti od aktuálnej hodnoty dochádza k úprave správnym smerom. Okrem toho môže byť riadiacim systémom čokoľvek, dokonca aj auto, ktoré jazdí po ceste.

Vodič zabrzdí a spätnou väzbou je tu začiatok spomaľovania. Nakreslením analógie s takýmto jednoduchým príkladom môžete lepšie pochopiť spätnú väzbu v elektronických obvodoch. A negatívna spätná väzba je, ak auto zrýchli pri stlačení brzdového pedála.

V elektronike je spätná väzba proces, pri ktorom sa signál prenáša z výstupu na vstup. V tomto prípade zhasne aj signál na vstupe. Na jednej strane to nie je príliš rozumná predstava, pretože zvonku sa môže zdať, že zisk sa výrazne zníži. Takéto recenzie, mimochodom, dostali zakladatelia vývoja spätnej väzby v elektronike. Ale stojí za to podrobnejšie pochopiť jeho vplyv na operačné zosilňovače - zvážte praktické obvody. A je zrejmé, že to skutočne trochu znižuje zisk, ale umožňuje vám mierne zlepšiť ostatné parametre:

1. Vyhladzujte frekvenčné odozvy (privádza ich na požadovanú úroveň).
2. Umožňuje predpovedať správanie zosilňovača.
3. Dokáže eliminovať nelinearitu a skreslenie signálu.

Čím hlbšia je spätná väzba (hovoríme o negatívnej spätnej väzbe), tým menší vplyv má charakteristika otvorenej slučky na zosilňovač. Výsledok - všetky jeho parametre závisia len od toho, aké vlastnosti má obvod.

Je potrebné venovať pozornosť skutočnosti, že všetky operačné zosilňovače pracujú v režime s veľmi hlbokou spätnou väzbou. A napäťový zisk (s jeho otvorenou slučkou) môže dokonca dosiahnuť niekoľko miliónov. Preto je obvod zosilňovača na báze operačného zosilňovača mimoriadne náročný na dodržanie všetkých parametrov pre napájanie a úroveň vstupného signálu.

Ukázalo sa, že pri použití operačného zosilňovača v rôznych spínacích obvodoch závisí zosilnenie stupňa na jednom operačnom zosilňovači (op-amp) len od hĺbky spätnej väzby. Preto sa vo vzorcoch na určenie zosilnenia konkrétneho obvodu zosilnenie samotného „holého“ operačného zosilňovača, takpovediac, nepoužíva. To je len obrovský koeficient, ktorý je uvedený v referenčných knihách.

Potom je celkom vhodné položiť si otázku: „Ak konečný výsledok (zisk) nezávisí od tohto obrovského „referenčného“ koeficientu, aký je potom rozdiel medzi operačným zosilňovačom s niekoľkotisícnásobným ziskom a rovnaký operačný zosilňovač, ale so ziskom niekoľko stoviek tisíc a dokonca miliónov?

Odpoveď je celkom jednoduchá. V oboch prípadoch bude výsledok rovnaký, zosilnenie kaskády bude určené prvkami OOS, no v druhom prípade (op amp s vysokým zosilnením) obvod pracuje stabilnejšie, presnejšie, rýchlosť napr. obvodov je oveľa vyššia. Nie nadarmo sa operačné zosilňovače delia na operačné zosilňovače pre všeobecné použitie a vysoko presné, presné.

Ako už bolo spomenuté, spomínané „operačné“ zosilňovače dostali svoje meno v tej vzdialenej dobe, keď sa používali hlavne na vykonávanie matematických operácií v analógových počítačoch (AVM). Boli to operácie sčítania, odčítania, násobenia, delenia, kvadratúry a mnohých ďalších funkcií.

Tieto predpotopné operačné zosilňovače boli realizované na vákuových elektrónkach, neskôr na diskrétnych tranzistoroch a iných rádiových komponentoch. Prirodzene, rozmery dokonca tranzistorových operačných zosilňovačov boli dostatočne veľké na to, aby sa dali použiť v amatérskych dizajnoch.

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

Mimochodom, moderné operačné zosilňovače, dokonca aj pomerne vysokej kvality, sú o niečo vyššie ako dva alebo tri tranzistory. Toto vyhlásenie sa týka OÚ na všeobecné použitie. Presné zosilňovače môžu stáť o niečo viac.

Pokiaľ ide o obvody na operačnom zosilňovači, hneď je potrebné poznamenať, že všetky sú navrhnuté tak, aby boli napájané bipolárnym zdrojom energie. Tento režim je pre operačný zosilňovač „najznámejší“, umožňuje vám zosilniť nielen signály striedavého napätia, ako je sínusoida, ale aj signály jednosmerného prúdu alebo jednoducho napätie.

A napriek tomu sa napájanie obvodov na operačnom zosilňovači pomerne často vyrába 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. O schémach s unipolárnym výkonom sa bude diskutovať neskôr, ale teraz pokračujme o spínacích obvodoch operačného zosilňovača s bipolárnym výkonom.

Napájacie napätie väčšiny operačných zosilňovačov 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. Táto možnosť je uvedená v technickej dokumentácii (DataSheet).

Napäťový sledovač

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

Obrázok 1. Obvod sledovača napätia operačného zosilňovača

Je ľahké vidieť, že na vytvorenie takéhoto obvodu nebol potrebný jediný detail, s výnimkou skutočného operačného zosilňovača. Je pravda, že obrázok neukazuje pripojenie napájania, ale takýto návrh obvodov sa neustále nachádza. Jediná vec, ktorú by som chcel poznamenať, je, že medzi napájacie svorky operačného zosilňovača (napríklad pre operačný zosilňovač KR140UD708 sú to kolíky 7 a 4) a spoločný vodič by mal byť pripojený s kapacitou 0,01 . .. 0,5 μF.

Ich účelom je, aby bola prevádzka operačného zosilňovača stabilnejšia, aby sa zbavilo samobudenia obvodu v silových obvodoch. Kondenzátory by mali byť pripojené čo najbližšie k napájacím kolíkom mikroobvodu. Niekedy je jeden kondenzátor pripojený na základe skupiny niekoľkých mikroobvodov. Rovnaké kondenzátory možno vidieť na doskách s digitálnymi mikroobvodmi, ich účel je rovnaký.

Zosilnenie opakovača sa rovná jednej, alebo inak povedané, nie je tam žiadne zosilnenie. Prečo je potom takáto schéma potrebná? Tu je celkom vhodné pripomenúť, že existuje tranzistorový obvod - emitorový sledovač, ktorého hlavným účelom je zosúladiť kaskády s rôznymi vstupnými impedanciami. Takéto kaskády (opakovače) sa tiež nazývajú buffer.

Vstupná impedancia sledovača na operačnom zosilňovači sa vypočíta ako súčin vstupnej impedancie operačného zosilňovača a jeho zosilnenia. Napríklad pre spomínaný UD708 je vstupná impedancia približne 0,5 MΩ, zosilnenie minimálne 30 000 a možno aj viac. Ak sa tieto čísla vynásobia, potom je vstupný odpor 15 GΩ, čo je porovnateľné s odporom nie veľmi kvalitnej izolácie, napríklad papiera. Je nepravdepodobné, že by sa takýto vysoký výsledok dosiahol s konvenčným vysielačom.

Aby popisy neboli na pochybách, nižšie budú uvedené obrázky znázorňujúce činnosť všetkých opísaných obvodov v programe Multisim simulator. Všetky tieto obvody je samozrejme možné zostaviť na doštičkách, ale na obrazovke monitora nie je možné dosiahnuť horšie výsledky.

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

Obrázok 2 ukazuje obvod opakovača vyrobený v programe Multisim.

Obrázok 2

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

Obrázok 3

Signál na vstupe a výstupe opakovača je pozorovaný osciloskopom: vstupný signál je zobrazený ako modrý lúč, výstupný lúč je červený.

Obrázok 4

A prečo, opýta sa pozorný čitateľ, je výstupný (červený) signál dvojnásobkom vstupného modrého? Všetko je veľmi jednoduché: s rovnakou citlivosťou kanálov osciloskopu sa obe sínusoidy s rovnakou amplitúdou a fázou zlúčia do jednej a skryjú sa za sebou.

Aby som ich videl obe naraz, musel som znížiť citlivosť jedného z kanálov, v tomto prípade vstupného. V dôsledku toho sa modrá sínusoida na obrazovke zväčšila presne o polovicu a prestala sa skrývať za červenou. Aj keď na dosiahnutie podobného výsledku môžete jednoducho posunúť lúče pomocou ovládacích prvkov osciloskopu, pričom citlivosť kanálov zostane rovnaká.

Obidve sínusoidy sú umiestnené symetricky okolo časovej osi, čo naznačuje, že konštantná zložka signálu je nulová. Čo sa však stane, ak sa do vstupného signálu pridá malá konštantná zložka? Virtuálny generátor umožňuje posunúť sínusoidu po osi Y. Skúsme ju posunúť o 500mV nahor.

Obrázok 5

Čo z toho vzišlo, je znázornené na obrázku 6.

Obrázok 6

Je zrejmé, že vstupné a výstupné sínusoidy stúpli o pol voltu, pričom sa vôbec nezmenili. To znamená, že opakovač presne preniesol jednosmernú zložku signálu. Najčastejšie sa však snažia zbaviť sa tejto konštantnej zložky, urobiť ju rovnú nule, čo umožňuje vyhnúť sa použitiu takých prvkov obvodu, ako sú medzistupňové izolačné kondenzátory.

Opakovač je, samozrejme, dobrý a dokonca krásny: nebol potrebný ani jeden ďalší detail (hoci existujú obvody zosilňovača s menšími „aditívami“), ale nezískali žiadne zosilnenie. Aký je potom zosilňovač? Ak chcete získať zosilňovač, stačí pridať len niekoľko detailov, ako to urobiť, bude popísané neskôr.

Invertujúci zosilňovač

Aby sa operačný zosilňovač ukázal ako invertujúci zosilňovač, stačí pridať iba dva odpory. Čo z toho vzišlo, je znázornené na obrázku 7.

Obrázok 7. Schéma invertujúceho zosilňovača

Zosilnenie takéhoto zosilňovača sa vypočíta podľa vzorca K=-(R2/R1). Znamienko mínus neznamená, že zosilňovač dopadol zle, ale iba to, že výstupný signál bude fázovo opačný ako vstupný. Niet divu, že zosilňovač sa nazýva invertujúci. Tu by bolo vhodné pripomenúť tranzistor zapojený podľa obvodu s OE. Aj tam je výstupný signál na kolektore tranzistora v protifáze so vstupným signálom privedeným na bázu.

Tu je potrebné pripomenúť, koľko úsilia musíte vynaložiť, aby ste získali čistú, neskreslenú sínusoidu na kolektore tranzistora. Podľa toho je potrebné zvoliť predpätie na základe tranzistora. To je zvyčajne dosť ťažké 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 operačného zosilňovača je oveľa jednoduchšie ako nastavenie niekoľkých tranzistorových stupňov. 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, je po zosilňovači červenou. Všetko zodpovedá vzorcu K=-(R2/R1). Výstupný signál je mimo fázy so vstupným signálom (čo zodpovedá znamienku mínus vo vzorci) a amplitúda výstupného signálu je presne dvojnásobkom vstupného signálu. Čo platí aj pre pomer (R2/R1)=(20/10)=2. Aby bolo zosilnenie napríklad 10, stačí zvýšiť odpor odporu R2 na 100KΩ.

V skutočnosti môže byť obvod invertujúceho zosilňovača o niečo komplikovanejší, takáto možnosť je znázornená na obrázku 9.

Obrázok 9

Tu sa objavila nová časť - rezistor R3 (skôr jednoducho zmizol z predchádzajúceho obvodu). Jeho účelom je kompenzovať vstupné prúdy skutočného operačného zosilňovača, aby sa znížila teplotná nestabilita jednosmernej zložky na výstupe. Hodnota tohto odporu sa volí podľa vzorca R3=R1*R2/(R1+R2).

Moderné vysoko stabilné operačné zosilňovače umožňujú pripojenie neinvertujúceho vstupu k spoločnému vodiču priamo bez odporu R3. Prítomnosť tohto prvku síce neurobí nič zlé, ale pri súčasnom rozsahu výroby, keď sa na všetkom šetrí, tento odpor radšej neinštalujú.

Vzorce na výpočet invertujúceho zosilňovača sú na obrázku 10. Prečo na obrázku? Áno, len pre názornosť, v riadku textu by nevyzerali tak povedome a zrozumiteľne, neboli by také nápadné.

Obrázok 10.

Faktor zosilnenia bol spomenutý vyššie. Tu si pozornosť zaslúži len vstupný a výstupný odpor neinvertujúceho zosilňovača. Zdá sa, že so vstupným odporom je všetko jasné: ukazuje sa, že sa rovná odporu odporu R1, ale výstupný odpor sa bude musieť vypočítať pomocou vzorca znázorneného na obrázku 11.

Písmeno K“ označuje referenčný koeficient OC. Tu si prosím vypočítajte, aká bude výstupná impedancia. Ukázalo sa, že je to pomerne malé číslo, dokonca aj pre priemerný operačný zosilňovač typu UD7 s jeho K ”rovnajúcim sa nie viac ako 30 000. V tomto prípade je to dobré: koniec koncov, čím nižšia je výstupná impedancia kaskády (to platí nielen pre kaskády op-amp), čím výkonnejšia je záťaž, v rozumnej miere, samozrejme v rámci limitov, sa k tejto kaskáde môžete pripojiť.

Samostatná poznámka by mala byť o jednote v menovateli vzorca na výpočet výstupného odporu. Predpokladajme, že pomer R2 / R1 bude napríklad 100. Práve tento pomer sa získa v prípade zosilnenia invertujúceho zosilňovača 100. Ukazuje sa, že ak sa táto jednotka zahodí, nič sa príliš nezmení. V skutočnosti to nie je pravda.

Predpokladajme, že odpor rezistora R2 je nulový, ako je to v prípade sledovača. Potom sa bez jednoty celý menovateľ zmení na nulu a výstupný odpor bude rovnaký nula. A ak sa neskôr ukáže, že táto nula je niekde v menovateli vzorca, ako ju priradíte k deleniu? Preto je jednoducho nemožné zbaviť sa tejto zdanlivo bezvýznamnej jednotky.

V jednom, aj keď dosť veľkom článku, nemôžete napísať všetko. Preto všetko, čo sa nezmestilo do ďalšieho článku, bude treba povedať. Bude tu popis neinvertujúceho zosilňovača, diferenciálneho zosilňovača, jednozdrojového zosilňovača. Uvedie sa aj popis jednoduchých obvodov na kontrolu operačného zosilňovača.

Invertujúci zosilňovač je jedným z najjednoduchších a najčastejšie používaných analógových obvodov. Len s dvoma odpormi môžeme nastaviť zisk, ktorý potrebujeme. Nič nám nebráni urobiť koeficient menší ako 1 a tým oslabiť vstupný signál.

Často sa do obvodu pridáva ďalší R3, ktorého odpor sa rovná súčtu R1 a R2.

Aby sme pochopili, ako funguje invertujúci zosilňovač, simulujme jednoduchý obvod. Na vstupe máme napätie 4V, odpor rezistorov je R1 \u003d 1k a R2 \u003d 2k. Dalo by sa to všetko samozrejme nahradiť do vzorca a okamžite vypočítať výsledok, ale pozrime sa, ako presne táto schéma funguje.

Začnime pripomienkou základných princípov fungovania operačného zosilňovača:

Pravidlo číslo 1 - operačný zosilňovač ovplyvňuje svoj výstup cez NOS (negatívna spätná väzba), v dôsledku čoho sa vyrovnávajú napätia na oboch vstupoch, invertujúcom (-) aj neinvertujúcom (+).

Upozorňujeme, že neinvertujúci vstup (+) je pripojený k zemi, to znamená, že napätie na ňom je 0V. V súlade s pravidlom #1 by mal byť invertujúci vstup (-) tiež 0V.

Poznáme teda napätie na svorkách rezistora R1 a jeho odpor 1k. S pomocou teda môžeme vykonať výpočet a vypočítať, koľko prúdu preteká cez odpor R1:

IR1 \u003d UR1 / R1 \u003d (4V-0V) / 1k \u003d 4mA.

Pravidlo č. 2 - Vstupy zosilňovača nečerpajú prúd

Prúd pretekajúci cez R1 teda tečie ďalej cez R2!

Opäť použijeme Ohmov zákon a vypočítame, aký pokles napätia nastane na rezistore R2. Poznáme jeho odpor a vieme, aký prúd ním prechádza, preto:

UR2 = IR2R2 = 4 mA * 2k = 8 V.

Ukazuje sa, že na výstupe máme 8V? Takýmto spôsobom určite nie. Pripomínam, že ide o invertujúci zosilňovač, teda ak na vstup privedieme kladné napätie a na výstupe odstránime záporné napätie. Ako sa to stane?

Je to spôsobené tým, že spätná väzba je nastavená na invertujúcom vstupe (-) a na vyrovnanie napätí na vstupe zosilňovač znižuje potenciál na výstupe. Zapojenie odporov možno považovať za jednoduché, preto, aby bol potenciál v mieste ich pripojenia rovný nule, výstup musí byť mínus 8 voltov: Uout. = -(R2/R1)*Uin.

S tretím pravidlom súvisí ďalší háčik:

Pravidlo číslo 3 - napätia na vstupoch a výstupoch musia byť v rozsahu medzi kladným a záporným napájacím napätím operačného zosilňovača.

To znamená, že musíte skontrolovať, či nami vypočítané napätia možno skutočne získať cez zosilňovač. Začiatočníci si často myslia, že zosilňovač funguje ako zdroj voľnej energie a generuje napätie z ničoho. Musíme si však uvedomiť, že zosilňovač potrebuje na svoju činnosť aj energiu.
Klasické zosilňovače pracujú na napätiach -15V a +15V. V takejto situácii je našich -8V, ktoré sme vypočítali, skutočné napätie, pretože je v tomto rozsahu.

Moderné zosilňovače však často pracujú pri napätí 5V a menej. V takejto situácii nie je šanca, že nám zosilňovač dá na výstupe mínus 8V. Preto pri navrhovaní obvodov vždy pamätajte na to, že teoretické výpočty musia byť vždy podložené realitou a fyzickými možnosťami.

Treba poznamenať, že invertujúci zosilňovač má jednu nevýhodu. Už vieme, že nezaťažuje zdroj signálu, pretože vstupy zosilňovača majú veľmi vysoký odpor a odoberajú tak malý prúd, že ho možno vo väčšine prípadov ignorovať (pravidlo č. 2).

Invertujúci zosilňovač má vstupnú impedanciu rovnajúcu sa odporu rezistora R1, v praxi sa pohybuje od 1k ... 1M. Pre porovnanie, zosilňovač s tranzistorovými vstupmi s efektom poľa má odpor rádovo stoviek megaohmov a dokonca gigaohmov! Preto môže byť niekedy vhodné nainštalovať napäťový sledovač pred zosilňovač.