Neinvertirani operativni krug pojačala. Invertirajuće pojačalo na op. Princip rada

Neinvertirajuće pojačalo je možda jedno od tri najosnovnija kruga analogne elektronike, zajedno sa krugovima invertirajućeg pojačala i sljedbenika napona. Čak je jednostavnije i od invertirajućeg pojačala, jer bipolarna snaga nije potrebna da bi krug radio.

Obratite pažnju na jedinicu koja se nalazi u formuli. Ovo nam govori da ne-invertirajuće pojačalo ima uvijek veći porast od 1, što znači da s ovim krugom ne možete oslabiti signal.

Da bismo bolje razumjeli kako djeluje ne-invertirajuće pojačalo, pogledajmo sklop i razmislimo o tome kakav će biti izlazni napon.

Prije svega, trebalo bi razmisliti o tome koji su naponi prisutni na oba ulaza našeg operativnog pojačala. Sjetite se prvog od pravila koja opisuje rad operativnog pojačala:

Pravilo br. 1 - operativno pojačalo stvara svoj izlaz na ulazu putem OOS (negativna povratna informacija), zbog čega se naponi na oba ulaza, i invertirajuća (-), i ne-invertirajuća (+), izjednačavaju.

Odnosno, napon na invertirajućem ulazu je 3V. U sljedećem koraku pogledajmo otpor od 10k. Znamo koji je napon na njemu i njegov otpor, što znači da možemo izračunati iz koje struje teče kroz njega:

I \u003d U / R \u003d 3V / 10k \u003d 300μA.

Ova struja, prema pravilu 2, ne može se uzeti s invertirajućeg ulaza (-), tako da dolazi iz izlaza pojačala.

Pravilo broj 2 - ulazi pojačala ne troše struju

Kroz otpornik od 20 k prolazi i struja od 300 µA. Napon na njemu lako možemo izračunati pomoću Ohmovog zakona:

U \u003d IR \u003d 300μA * 20k \u003d 6V

Ispada da je taj napon izlazni napon pojačala? Ne, nije. Podsjetimo da otpornik od 20 k na jednom od njegovih terminala ima napon od 3V. Obratite pažnju na smjer napona preko oba otpornika.

Struja teče u suprotnom smjeru od strelice, simbolizirajući točku s većim naponom. Stoga, izračunatoj 6V na ulazu morate dodati još 3V. U tom slučaju će konačni rezultat biti 9V.

Vrijedi napomenuti da otpornici R1 i R2 tvore jednostavan. Imajte na umu da zbroj napona na pojedinim otpornicima razdjelnika mora biti jednak naponu koji se deli na razdjelnik - napon ne može nestati bez traga i nastati niotkuda.

Zaključno, rezultat moramo provjeriti posljednjim pravilom:

Pravilo broj 3 - napon na ulazima i izlazima mora biti u rasponu između pozitivnog i negativnog napona napajanja OS-a.

Odnosno, potrebno je provjeriti da li napon izračunati od nas možemo dobiti realno. Početnici često misle da pojačalo djeluje poput Perpetuum Mobile, a ne stvara napon iz ničega. Ali moramo se sjetiti da je za pojačalo potrebna i snaga.

Klasična pojačala deluju na naponu -15V i + 15V. U takvoj situaciji 9V koji smo ocijenili je stvarni napon, jer je 9V unutar raspona napajanja. Međutim, moderna pojačala često rade s naponima od 5 V ili nižim. U ovoj situaciji, nema šanse da pojačalo proizvede 9V.

Stoga se prilikom razvoja kola mora imati na umu da teorijske proračune treba uvijek provjeriti u stvarnosti i fizičkim mogućnostima komponenti.

Put od deset hiljada lira započinje prvim korakom.
  (Kineska poslovica)

Bilo je veče, nije se moglo ništa učiniti ... I tako sam odjednom poželio nešto lemiti. Vrsta ... elektronika! .. lemljenje - tako lemljenje. Postoji računar, Internet je povezan. Odaberemo shemu. I odjednom se ispostavi da su šeme za planirani predmet kola i mala kolica. I svi su različiti. Nema iskustva, nema dovoljno znanja. Koji odabrati? Neki od njih sadrže neke pravokutnike, trouglove. Pojačala, pa čak i operativna ... Kako rade, nije jasno. Stra-a-ashno! .. Šta ako izgori? Biramo to jednostavnije, na poznatim tranzistorima! Izaberite, lemite, uključite ... POMOĆ !!! Ne radi !!! Zašto?

Da, zato što je "Jednostavnost gora od krađe"! To je poput računara: najbrže i najsofisticiranije - igranje! A za kancelarijski posao dovoljna je najjednostavnija. Tako je i s tranzistorima. Nije dovoljno lemiti krug na njima. Moramo ga moći i konfigurirati. Previše zamki i grablje. A to često zahtijeva iskustvo nikako na početnom nivou. Dakle, prekinuti uzbudljivu aktivnost? Nikako! Samo se ne bojte ovih „trouglova, pravougaonika“. Ispada da je u mnogo slučajeva mnogo lakše raditi s njima nego s pojedinačnim tranzistorima. AKO ZNAM - KAKO!

Evo ovo: razumijevanje kako operativno pojačalo (op-amp, ili na engleskom OpAmp) radi, sada ćemo to i učiniti. U isto vrijeme, njegov rad ćemo smatrati bukvalno „na prste“, praktično bez upotrebe bilo koje formule, osim možda osim Ohmovog djedovog zakona: „Prođite kroz dio kruga ( Ja) direktno je proporcionalan naponu na njemu ( U) i obrnuto je proporcionalan njegovom otporu ( R)»:
I \u003d U / R. (1)

Za početak, u principu, nije toliko važno kako se tačno pojačalo pojačala nalazi unutra. Uzmite to kao pretpostavku da je riječ o „crnoj kutiji“ koja ima neke stvari. U ovoj fazi nećemo uzimati u obzir takve parametre op-ampere kao „napon pristranosti“, „smicanje napona“, „temperaturni odljev“, „karakteristike buke“, „koeficijent odbijanja komponenta u uobičajenom modu“, „koeficijent potiskivanja napona snage koeficijenta“, „propusni opseg "Itd. Svi ovi parametri bit će važni u sljedećoj fazi njegove studije, kada će se osnovni principi njegovog rada „smiriti“ u glavi, jer je „glatko bilo na papiru, ali je zaboravio na jarke“ ...

Za sada jednostavno pretpostavljamo da su parametri op-ampera blizu idealnih i razmotrimo samo kakav će signal biti na njegovom izlazu ako se neki signali upute na njegove ulaze.

Dakle, operativno pojačalo (OA) je diferencijalno istosmjerno pojačalo s dva ulaza (invertirajućim i ne-invertirajućim) i jednim izlazom. Pored njih, optički pojačavač ima izlaze snage: pozitivne i negativne. Ovih pet nalaza dostupno je u skoro   bilo koji op amp i koji je u osnovi potreban za njegov rad.

Sklonište ima ogroman dobitak od najmanje 50.000 ... 100.000, ali u stvarnosti - mnogo više. Stoga u prvom aproksimaciji možemo čak i pretpostaviti da je jednaka beskonačnosti.

Izraz "diferencijal" ("različit" prevodi se s engleskog kao "razlika", "razlika", "razlika") znači da na izlazni potencijal op-ampera utječe isključivo potencijalna razlika između njegovih ulaza, šta god   od njihovih apsolutnivrijednosti i polaritet.

Izraz "istosmjerna struja" znači da pojačava op-amp ulazne signale od 0 Hz. Gornji frekvencijski raspon (frekvencijski raspon) pojačanih op-amp signala ovisi o mnogim razlozima, poput frekvencijskih karakteristika tranzistora od kojih se sastoji, pojačanja kruga konstruiranog korištenjem op-amp-a itd. Ali ovo je pitanje već izvan opsega početnog upoznavanja s njegovim djelima i neće se ovdje razmatrati.

Ulazi za pojačalo imaju vrlo veliku ulaznu impedansu jednaku desetinama / stotinama MegaOhm, ili čak GigaOhm (i samo u pamtljivom K140UD1, pa čak i u K140UD5 bilo je samo 30 ... 50 kOhm). Tako veliki ulazni otpor znači da praktički ne utječu na ulazni signal.

Stoga se s velikim stupnjem približavanja teorijskom idealu može pretpostaviti trenutna op amp ne ulazi u ulaze . Ovo je prvi   Važno je pravilo koje se primjenjuje pri analiziranju radnog napona. Molim vas da se dobro sećate što se tiče samo sam opampali ne šeme   sa njegovom primjenom!

Što znače izrazi obrnuti i ne-invertirani? U odnosu na ono što je određena inverzija i uopšte kakva je to "životinja" - inverzija signala?

Prevedeno sa latinskog, jedno od značenja riječi „inversio“ je „zamotavanje“, „udar“. Drugim riječima inverzija je zrcalna slika ( zrcaljenje) signal u odnosu na horizontalnu os X(vremenska osovina). Na Sl. Slika 1 prikazuje nekoliko mogućih opcija za inverziju signala, gdje crvena označava direktan (ulazni) signal, a plava označava obrnuti (izlazni) signal.

Sl. 1 Pojam inverzije signala

Posebno treba napomenuti da je nulta linija (kao na slici 1, A, B) inverzija signala nije u prilogu! Signali mogu biti obrnuti i asimetrični. Na primjer, oboje su samo u području pozitivnih vrijednosti (sl. 1, B), što je tipično za digitalne signale ili s unipolarnom snagom (o tome ćemo kasnije govoriti), ili oba djelomično u pozitivnim, a djelomično u negativnim regijama (sl. 1, B, D). Moguće su i druge opcije. Glavni uvjet je njihov međusobni spekularnost   u odnosu na neki proizvoljno odabrani nivo (na primjer, umjetna sredina, o kojoj će također biti riječi kasnije). Drugim riječima polaritet   signal takođe nije odlučujući faktor.

Prikazati opamps na konceptima na različite načine. U inostranstvu su ranije prikazani OS-ovi, a čak su i sada često prikazani kao jednakokračni trokut (Sl. 2, A). Invertirajući ulaz označen je simbolom minus, dok je neinvertirani ulaz označen plus simbolom unutar trokuta. Ovi simboli uopće ne znače da potencijal na odgovarajućim ulazima mora biti pozitivniji ili negativniji nego na drugom. Jednostavno pokazuju kako izlazni potencijal reagira na potencijale koji se isporučuju na ulazima. Kao rezultat toga, oni se lako zbunjuju sa priključcima napajanja, što može biti neočekivano "grablje", posebno za početnike.

   Sl. 2 Varijante uslovne grafičke slike (UGO)
   operativna pojačala

Prije stupanja na snagu GOST 2.759-82 (ST SEV 3336-81), u sustavu domaćih uvjetnih grafičkih slika (UGO) OU su prikazani i u obliku trokuta, samo je invertirajući ulaz - simbolom inverzije - krugom na sjecištu izlaza s trokutom (Sl. B), a sada - u obliku pravokutnika (Sl. 2, C).

Prilikom označavanja op-pojačala na dijagramima, pretvarajući se i pretvarači koji se ne pretvaraju mogu se mijenjati, ako je to zgodnije, međutim, tradicionalno invertirani ulaz prikazan je na vrhu, a neinvertirajući - na dnu. Strujni vodi u pravilu uvijek imaju jedini način (pozitivan na vrhu, negativan na dnu).

Op-pojačala se gotovo uvijek koriste u sklopovima negativnih povratnih informacija (OOS).

Povratne informacije su efekt opskrbe dijela izlaznog napona pojačala na njegov ulaz, gdje se algebrski (uzimajući u obzir znak) zbrajajući s ulaznim naponom. Princip sumiranja signala bit će obrađen u nastavku. Ovisno o tome na koji se ulaz op-pojačala, invertiranja ili ne-invertiranja isporučuje OS, razlikuje negativna povratna veza (OOS) kada se dio izlaznog signala dovodi do invertirajućeg ulaza (Sl. 3, A) ili pozitivne povratne informacije (PIC) kada izlazni signal se dovodi na neinvertirajući ulaz (Sl. 3, B).

Sl. 3 Princip formiranja povratnih informacija (OS)

U prvom slučaju, budući da je izlazni signal obrnuto s obzirom na ulaz, oduzima se od ulaza. Kao rezultat toga, ukupni kaskadni dobitak je smanjen. U drugom slučaju, zbraja se s ulazom, povećava se ukupni dobitak kaskade.

Na prvi pogled može se činiti da PIC ima pozitivan učinak, a OOS potpuno beskoristan pothvat: zašto smanjiti dobitak? To je upravo ono što su američki ispitivači za patent pomislili kada je Harold S. Black pokušao   patent OOS. No, žrtvujući dobitak, značajno poboljšavamo ostale važne parametre kruga, poput njegove linearnosti, raspona frekvencija itd. Što je dublji OOS, to manje karakteristike cijelog sklopa ovise o karakteristikama opampa.

Ali PIC (s obzirom na svoj ogromni dobitak u op-ampu) ima obrnuti učinak na karakteristike sklopa, a najneugodnija stvar je njegova samo-pobuda. Naravno, koristi se i svjesno, na primjer, u generatorima, komparatorima s histerezom (o tome više kasnije) itd., Ali općenito je njegov utjecaj na rad kola pojačala s op-amperima prilično negativan i zahtijeva vrlo pažljivu i razumnu analizu njegova primjena.

Budući da OS ima dva ulaza, moguće su sljedeće glavne vrste njegovog uključivanja pomoću OOS-a (Sl. 4):

   Sl. 4 Osnovne šeme inkluzije OS-a

a) invertiranje   (Sl. 4, A) - signal se dovodi do invertirajućeg ulaza, a neinvertirani signal je povezan direktno na referentni potencijal (nije korišten);

b) ne-invertirajuće   (Sl. 4, B) - signal se dovodi do invertirajućeg ulaza, a invertirajući je povezan izravno na referentni potencijal (nije korišten);

c)   diferencijal   (Sl. 4, B) - signali se primenjuju na oba ulaza, invertirajuće i ne-invertirajuće.

Za analizu rada ovih programa potrebno je uzeti u obzir drugo   najvažnija pravilo, koji se pokorava radu OS-a: Izlaz operativnog pojačala teži da osigura da je razlika napona između njegovih ulaza jednaka nuli.

Međutim, svaka formulacija treba biti potrebnih i dovoljnihda ograniči čitav niz slučajeva koji su mu podređeni. Gornja formulacija, sa svom svom „klasičnošću“, ne daje nikakve informacije o tome na koji od ulaza se „želi uticati“. Slijedom iz njega ispada da se čini da op-amp izjednačava napon na njegovim ulazima, opskrbljujući ih naponom odnekud "iznutra".

Ako pažljivo razmotrite dijagrame na Sl. 4, može se primijetiti da je OOS (kroz Roosa) u svim slučajevima pokrenut od izlaza samo   na invertiranje ulaza, što nam daje razlog da ovo pravilo preformuliramo na sljedeći način: Napon je uključen izlaz OS-a pokriven OOS-om nastoji osigurati da je potencijal na invertirajućem ulazu jednak potencijalu na invertirajućem ulazu.

Na osnovu ove definicije, "vodeći" pri bilo kojem uključivanju op-pojačala s OOS-om je neinvertirajući ulaz, a "podređeni" pretvarački ulaz.

Pri opisivanju rada op-pojačala, potencijal na njegovom invertiranom ulazu često se naziva „virtualna nula“ ili „virtualna sredina“. U prijevodu s latinske riječi "virtus" znači "imaginarni", "imaginarni". Virtualni se objekt ponaša blisko ponašanju sličnih objekata materijalne stvarnosti, tj. Za ulazne signale (zbog djelovanja OOS-a) pretvarajući ulaz može se smatrati povezanim izravno s istim potencijalom na koji je ne-invertirani ulaz povezan. Međutim, „virtualna nula“ samo je poseban slučaj, koji se odvija samo s bipolarnim napajanjem op-ampera. Kada koristite unipolarno napajanje (o čemu će biti govora u nastavku), i u mnogim drugim sklopnim sklopovima, na neinvertirajućim ili invertirajućim ulazima neće postojati nula. Stoga se složimo da ovaj termin nećemo upotrebljavati, jer se miješa u početno razumijevanje principa OS-a.

S tog gledišta analiziraćemo sheme prikazane na Sl. 4. Istovremeno, radi pojednostavljenja analize, pretpostavljamo da su naponi napajanja još bipolarni, jednaki po jačini (recimo ± 15 V), sa srednjom točkom (uobičajena magistrala ili zemlja), na temelju čega ćemo računati ulaz i izlazni naponi. Pored toga, analiza će se izvesti istosmjernom strujom, kao varirajući izmjenični signal u svakom trenutku može se predstaviti i kao uzorak vrijednosti istosmjerne struje. U svim se slučajevima povratna veza putem Rooca uspostavlja od izlaznog napona do njegovog invertiranog ulaza. Razlika je samo u tome koji se od ulaza primjenjuje ulazni napon.

A) Inverting   uključivanje (Sl. 5).

   Sl. 5 Načelo djelovanja pojačala u obrnutom uključivanju

Potencijal na neinvertirajućem ulazu je nula, jer povezan je sa sredinom ("zemljom"). Ulazni signal jednak +1 V u odnosu na srednju točku (od GB) primjenjuje se na lijevi terminal ulaznog otpornika Rin. Pretpostavimo da su otpori Rooos i Rin jednaki jedni drugima i iznose 1 kOhm (ukupno, njihov otpor je 2 kOhm).

Prema pravilu 2, invertirajući ulaz mora imati isti potencijal kao nultivertirani nula, tj. 0 V. Stoga se na Rin primjenjuje napon od +1 V. Prema Ohmovom zakonu, kroz njega će teći struja Jau.   \u003d 1 V / 1000 Ohma \u003d 0,001 A (1 mA). Smjer toka ove struje je prikazan strelicom.

Budući da su Rooc i Rin razdjelnik uključeni, a prema pravilu 1, op-ulazni ulazi ne troše struju, tako da napon u sredini ove šestarice iznosi 0 V, napon se mora primijeniti na desni terminal Rooca minus   1 V, a struja koja teče kroz njega Jaoos   treba biti jednaka 1 mA. Drugim riječima, napon od 2 V primjenjuje se između lijevog terminala Rina i desnog terminala Rooca, a struja koja teče kroz ovaj razdjelnik je 1 mA (2 V / (1 kΩ + 1 kΩ) \u003d 1 mA), tj. Ja u. = Ja oos .

Ako se na ulaz primijeni negativni polarni napon, izlaz op-ampera ima napon pozitivne polarnosti. Sve je isto, samo strelice koje prikazuju struju kroz Roox i Rin bit će usmjerene u suprotnom smjeru.

Dakle, s jednakošću vrijednosti Rooos-a i Rin-a, napon na izlazu op-ampera bit će jednak naponu na njegovom ulazu po veličini, ali obrnutim u polaritetu. I imamo invertiranje repetitor . Ovaj se krug često koristi ako trebate obrnuti signal dobiven korištenjem sklopova koji su u osnovi pretvarači. Na primjer, logaritamska pojačala.

Sada, zadržavajući nominalnu vrijednost Rin jednaku 1 kOhm, povećajmo otpor Roohs na 2 kOhm s istim ulaznim signalom +1 V. Ukupni otpor razdjelnika Roohs + \u200b\u200bRinuh povećan je na 3 kOhm. Da bi potencijal 0 V (koji je jednak potenciji ne invertirajućeg ulaza) ostao u svojoj sredini, kroz RooC mora proći ista struja (1 mA) kao kroz Rin. Prema tome, pad napona na Roosu (napon na izlazu op-ampera) trebao bi već biti 2 V. Na izlazu op-ampera napon je minus 2 V.

Povećajte nominalnu vrijednost Rooca na 10 kOhm. Sada je napon na izlazu pojačala pod istim preostalim uvjetima već 10 V. Wow! Napokon smo dobili invertiranje pojačalo ! Njegov izlazni napon je veći od ulaznog napona (drugim riječima, dobije Ku) mnogo puta više puta nego što je otpor Roox veći od otpora Rin. Bez obzira na to kako obećavam da neću primijeniti formule, prikažimo to još uvijek kao jednačinu:
   Ku \u003d - Uout / Uin \u003d - Rooos / Rin. (2)

Znak minus ispred ulomka desne strane jednadžbe znači samo da je izlazni signal obrnut prema ulazu. I ništa više!

Sada povećajmo otpornost Rooosa na 20 kOhm i analizirajmo što se događa. Prema formuli (2), s Ku \u003d 20 i ulaznim signalom od 1 V, izlaz bi trebao biti napon 20 V. Ali tu je bio! Ranije smo pretpostavili da je napon napajanja našeg op-ampera samo ± 15 V. Ali ni 15 V ne možemo dobiti (zašto je tako - malo niže). "Ne možete skočiti iznad glave (napon)!" Kao rezultat takve zloupotrebe nad nazivima kruga, izlazni napon op-ampera "počiva" na napajanju (izlazni napon ulazi u zasićenje). Ravnoteža jednakosti struja kroz razdjelnik RoocRvh ( Jau. = Jaoos) je povrijeđena, na invertirajućem ulazu se pojavljuje potencijal, različit od potencijala na ne invertirajućem ulazu. Pravilo 2 prestaje važiti.

Ulaz otpor   invertirajuće pojačalo   jednak otporu Rin, jer kroz njega teče sva struja iz izvora ulaznog signala (GB).

Sada zamijenimo konstantni Rooc varijablom, s nominalnom vrijednošću, recimo 10 kOhm (Sl. 6).

   Sl. 6 Invertirajući pojačalo pojačavajućeg kruga

S desnim (prema dijagramu) položaju svog motora dobit će biti Roos / Rin \u003d 10 kOm / 1 kOm \u003d 10. Pomicanjem Roosovog motora ulijevo (smanjujući njegov otpor), dobitak kruga će se smanjiti i, na kraju, u krajnjem lijevom položaju postat će nula, budući da brojnik u gornjoj formuli postaje nula na bilo koji   vrijednost nazivnika. Izlaz će biti i nula za bilo koju vrijednost i polaritet ulaznog signala. Takva se shema često koristi u shemama pojačanja audio signala, na primjer, u mikserima, gdje je potrebno podesiti dobitak od nule.

B) Non inverting   uključivanje (sl. 7).

   Sl. 7 Princip djelovanja pojačala u neinvertirajućem uključivanju

Lijevi terminal Rin povezan je s srednjom točkom (tlom), a ulazni signal +1 V primjenjuje se izravno na neinvertirajući ulaz. Budući da su nijanse analize gore „žvakane“, ovdje ćemo obratiti pažnju samo na značajne razlike.

U prvoj fazi analize pretpostavljamo i da su otpornosti Rooos i Rin jednaki jedni drugima i iznose 1 kOhm. Jer na neinvertirajućem ulazu potencijal je +1 V, tada bi prema pravilu 2 isti potencijal (+1 V) trebao biti na invertirajućem ulazu (prikazan na slici). Da biste to učinili, desni terminal Rooc-ovog otpornika (OU izlaz) mora imati napon od +2 V. Struje Jau.i Jaoosjednaka 1 mA, sada proticajte kroz otpornike Rooc i Rin u suprotnom smjeru (prikazano strelicama). Uspjeli smo non inverting pojačalo s dobitkom od 2, jer ulazni signal +1 V generira izlazni signal +2 V.

Čudno, zar ne? Ocjene su iste kao u inverznom uključivanju (jedina razlika je što se signal primjenjuje na drugi ulaz), a dobitak je očit. Saznat ćemo malo kasnije.

Sada povećavamo nominalni Rooc na 2 kOhm. Da bi se održala trenutna ravnoteža Jau. = Jaoos   a potencijal invertiranog ulaza je +1 V, izlaz op-ampera trebao bi već biti +3 V. Ku \u003d 3 V / 1 V \u003d 3!

Ako usporedimo vrijednosti Ku pri ne-inverznom uključivanju s invertirajućom, na istim vrijednostima Rooca i Rina, ispada da je dobitak u svim slučajevima veći za jedan. Izvodimo formulu:
   Ku \u003d Uout / Uin + 1 \u003d (Rooos / Rin) + 1 (3)

Zašto se ovo događa? Da, vrlo jednostavno! OOS djeluje na potpuno isti način kao i kod invertirajućeg prekidača, ali prema pravilu 2, potencijal invertirajućeg ulaza uvijek se dodaje potencijalu invertiranog ulaza u neinvertirajućem prekidaču.

Dakle, s neinvertiranim uključivanjem ne možete dobiti dobitak jednak 1? Zašto ne - možete. Smanjimo nominalnu vrijednost Rooca, na isti način kao što smo analizirali Sl. 6. Kod svoje nulte vrijednosti - nakratko izbacite izlaz s invertirajućim ulazom (sl. 8, A), prema pravilu 2, izlaz će imati takav napon da potencijal invertiranog ulaza bude jednak potenciji ne invertirajućeg ulaza, to jest +1 V. Dobijamo: Ku \u003d 1 V / 1 V \u003d 1   (!) Pa, budući da pretvarač struje ne troši i ne postoji potencijalna razlika između njega i izlaza, tada u ovom krugu ne teče struja.

   Sl. 8 Šema uključivanja optičkog pojačala kao pratilaca napona

Rin postaje općenito suvišan, jer spojen je paralelno s opterećenjem na kojem mora raditi op-amp izlaz i kroz njega će njegova izlazna struja uzaludno teći. A što će se dogoditi ako napustimo Rooca, ali uklonimo Rin (Sl. 8, B)? Tada, u formuli pojačanja Ku \u003d Rooos / Rin + 1, otpor Rin teoretski postaje blizu beskonačnosti (u stvarnosti, naravno, ne, jer na ploči ima curenja, pa čak i ulazna op-amp struja je zanemarljivo mala, ali sve nije jednak), pri čemu je odnos Rooos / Rin jednak nuli. U formuli ostaje samo jedna jedinica: Ku \u003d + 1. A može li dobitak biti manji od jedinstva za ovaj krug? Ne, manje neće raditi ni pod kojim okolnostima. Jedinica "ekstra" u formuli dobitka na krivini koze ne može ići okolo ...

Nakon što smo uklonili sve "dodatne" otpornike, dobivamo krug ne-invertirajuće repetitor prikazano na Sl. 8, B.

Na prvi pogled takva shema nema praktično značenje: zašto nam treba jedan jedini, pa čak i ne-inverzni "dobitak" - šta, zar ne možete samo dati signal dalje ??? Međutim, takve se sheme koriste prilično često i zato su. Prema pravilu 1, struja ne teče u ulaze opamp, tj. ulazna impedancija   neinvertirajući repetitor je veoma velik - same desetke, stotine, pa čak i hiljade megoha (isto se odnosi na sklop na slici 7)! Ali izlazna impedancija je vrlo mala (Ohm-ova frakcija!). Izlaz oppernog pojačala "puha svim silama", nastojeći, prema pravilu 2, zadržati isti potencijal na invertirajućem ulazu kao na neinvertirajućem. Ograničenje je samo dopuštena izlazna struja optičkog pojačala.

A ovdje s ovog mjesta malo smo na stranu pa ćemo malo više detalja razmotriti pitanje izlaznih struja.

Za većinu opampi raširene upotrebe, tehnički parametri ukazuju na to da otpor opterećenja spojen na njihov izlaz ne bi trebao biti manje   2 kOhm. Još - koliko god želite. Za mnogo manji broj to je 1 kOhm (K140UD ...). To znači da će se u najgorim uvjetima: maksimalni napon napajanja (na primjer, ± 16 V ili ukupno 32 V), opterećenje povezano između izlaza i jednog od dovodnih vodila i maksimalni izlazni napon suprotnog polariteta, napon od oko 30 V. primijeniti na opterećenje. U tom će slučaju struja kroz nju biti: 30 V / 2000 Ohm \u003d 0,015 A (15 mA). Ne baš, ali ni previše. Srećom, većina oppskih općenitih uređaja ima ugrađenu zaštitu od prekomjernog struja - tipična maksimalna izlazna struja je 25 mA. Zaštita sprječava pregrijavanje i otkazivanje pojačavača.

Ako napon napajanja nije maksimalno dozvoljen, tada se minimalni otpor opterećenja može proporcionalno smanjiti. Na primjer, s napajanjem od 7,5 ... 8 V (ukupno 15 ... 16 V) može biti 1 kOhm.

C) Diferencijalna   uključivanje (Sl. 9).

   Sl. 9 Princip rada op-pojačala u diferencijalnom prebacivanju

Pretpostavimo da je s istim vrijednostima Rin i Rooos jednakim 1 kOhm, na oba ulaza u krug primijenjen isti napon jednak +1 V (Sl. 9, A). Budući da su potencijali na obje strane otpornika Rin jednaki jedni drugima (napon preko otpornika je 0), kroz njega ne teče struja. Dakle, jednaka je nuli i struji kroz otpornik Rooc. Odnosno, ova dva otpornika ne obavljaju nikakvu funkciju. Zapravo smo zapravo dobili invertirajući repetitor (uporedimo sa slikom 8). Prema tome, na izlazu dobivamo isti napon kao i na neinvertirajućem ulazu, to jest +1 V. Promijenite polaritet ulaznog signala na invertirajućem ulazu kruga (okrenite GB1 naopako) i primijenite minus 1 V (Sl. 9, B). Sada se napon od 2 V primjenjuje između terminala Rina i kroz njega struja teče Jau   \u003d 2 mA (nadam se da više nije potrebno detaljno slikati zašto je to tako?). Da bi se kompenzirala ova struja, kroz Rooos mora proći i struja od 2 mA. A za to bi izlazni napon trebao biti napon +3 V.

Tu se pojavila zlonamerna „osmeh“ dodatnog jedinstva u formuli dobitka neinvertirajućeg pojačala. Ispada da sa ovim pojednostavljeno   diferencijalna uključenost, razlika u pojačanju konstantno pomiče izlazni signal za vrijednost potencijala na neinvertirajućem ulazu. Problem, gospodine! Međutim, "čak i ako ste pojeli, ipak imate barem dva izlaza." Dakle, nekako moramo izjednačiti dobitak od invertirajućeg i neinvertiranog uključivanja kako bismo „neutralizirali“ ovu dodatnu jedinicu.

Da bismo to učinili, ulazni signal primjenjujemo na neinvertirajući ulaz ne direktno, već kroz razdjelnik Rin2, R1 (Sl. 9, B). Također prihvaćamo njihove nominalne vrijednosti od 1 kOhm. Sada će na ne-invertirajućem (a samim tim i invertirajućem) ulazu op-pojačala postojati potencijal od + 0,5 V, struja će teći kroz njega (i Rooc) Jau = Jaoos   \u003d 0,5 mA, kako bi se osiguralo da izlazni naponski pojačavač mora imati napon jednak 0 V. Fu-uh! Postigli smo ono što smo željeli! Ako su signali na oba ulaza u krugu jednaki po veličini i polaritetu (u ovom slučaju +1 V, ali isto će vrijediti i za minus 1 V i za bilo koje druge digitalne vrijednosti), nulski napon jednak razlici ulaznih signala bit će pohranjen na izlazu op-amp-a .

Provjerimo ovo obrazloženje primjenom negativnog polarnog signala minus 1 V na invertirani ulaz (Sl. 9, D). Istovremeno Jau = Jaoos   \u003d 2 mA, za što bi izlaz trebao biti +2 V. Sve je potvrđeno! Razina izlaza odgovara razlici između ulaza.

Naravno, s jednakošću Rin1 i Rooca (respektivno Rin2 i R1) nećemo dobiti pojačanja. Da biste to učinili, potrebno je povećati vrijednosti Rooos-a i R1, kao što je učinjeno u analizi prethodnih uključenja OS-a (neću ponoviti), strogo   odnos se posmatra:

Roox / Rin1 \u003d R1 / Rin2. (4)

Kakvu korisnost možemo dobiti od uključivanja u praksu? I dobili smo divno svojstvo: izlazni napon ne ovisi o apsolutnim vrijednostima ulaznih signala, ukoliko su po veličini i polaritetu jednaki jedna drugoj. Čuje se samo razlika (diferencijalni) signal. To omogućava pojačavanje vrlo malih signala na pozadini smetnji koje djeluju podjednako na oba ulaza. Na primjer, signal iz dinamičkog mikrofona na pozadini frekvencije mreže 50 Hz.

Međutim, u ovoj bačvi meda, nažalost, ima jedna muha u mast. Prvo, jednakost (4) se mora poštovati vrlo strogo (do desetine, a ponekad i stotine procenta!). U suprotnom, doći će do neravnoteže struja koje djeluju u krugu, pa će se osim razlika („izvan faze“) signala pojačati i kombinirani („fazni“) signali.

Pogledajmo suštinu ovih pojmova (Sl. 10).

   Sl. 10 Pomak faze signala

Faza signala je vrijednost koja karakterizira odstupanje podrijetla razdoblja signala u odnosu na izvor vremena. Budući da su i referenca vremena i referenca razdoblja odabrani proizvoljno, faza jedne periodični   signal nema fizičko značenje. Međutim, fazna razlika to dvoje periodični   signali su količina koja ima fizičko značenje i odražava kašnjenje jednog od signala u odnosu na drugi. Što se smatra početkom perioda nije važno. Za početnu točku razdoblja možete uzeti nultu vrijednost s pozitivnim nagibom. Možete - maksimalno. Sve je u našoj moći.

Na Sl. 9, izvorni signal je crven, zeleni se pomiče za ¼ perioda u odnosu na izvor, a plavi za ½ periode. Usporedimo li crvenu i plavu krivulju s krivuljama na Sl. 2B, vidi se da su međusobno obrnuto. Dakle, „infazni signali“ su signali koji se podudaraju jedan sa drugim u svakoj od njegovih točaka, a „antifazni signali“ - obrnuto   u odnosu jedno na drugo.

Istovremeno, koncept inverzije   širi od pojma fazajer potonji se odnosi samo na redovno ponavljajuće periodične signale. Koncept inverzije primenljivo na sve signale, uključujući neperiodične, poput audio signala, digitalnog niza ili konstantnog napona. Za faza   bila konzistentna količina, signal bi trebao biti periodičan barem u određenom intervalu. Inače se i faza i period pretvaraju u matematičke apstrakcije.

Drugo, invertiranje i invertiranje ulaza u diferencijalnom uključivanju s jednakošću vrijednosti Roo \u003d R1 i Rin1 \u003d Rin2 imat će različite ulazne otpore. Ako je ulazni otpor invertirajućeg ulaza određen samo vrijednošću Rin1, a zatim neinvertirajući - vrijednostima dosledno   uključeni Rin2 i R1 (niste zaboravili da op-ulazni ulazi ne troše struju?). U gornjem primjeru oni će biti 1, odnosno 2 kOhm. A ako povećamo Rooc i R1 kako bismo dobili punopravnu fazu pojačanja, tada će se razlika još više povećati: pri Ku \u003d 10 - do, odnosno, isti 1 kOhm i čak 11 kOhm!

Nažalost, u praksi se obično postavljaju vrijednosti Rin1 \u003d Rin2 i Roox \u003d R1. Međutim, to je prihvatljivo samo ako su izvori signala za oba ulaza vrlo niski. izlazna impedancija. Inače, on formira razdjelnik s ulaznom impedancijom ovog stepena pojačala, a budući da će omjer podjele takvih "razdjelnika" biti različit, rezultat je očit: diferencijalno pojačalo s takvim ocjenama otpornika neće izvršavati svoju funkciju suzbijanja uobičajenih (kombiniranih) signala ili neće dobro obavljati ovu funkciju .

Jedan od načina da se riješi ovaj problem može biti nejednakost u vrijednostima otpornika povezanih s invertirajućim i ne-invertirajućim ulazima op-ampera. Naime, taj Rin2 + R1 \u003d Rin1. Druga je važna točka postizanje strogog pridržavanja jednakosti (4). To se u pravilu postiže dijeljenjem R1 na dva otpornika - konstantnu, obično 90% željene vrijednosti i varijablu (R2), čiji je otpor 20% željene vrijednosti (Sl. 11, A).

   Sl. 11 Opcije balansiranja diferencijalnog pojačala

Put je općenito prihvaćen, ali opet, s ovom metodom uravnoteženja, čak i ako se ulazni otpor neinvertirajućeg ulaza malo promijeni, mijenja. Mnogo stabilnija opcija je uključivanje ugađanog otpornika (R5) u seriju s Roocom (Sl. 11, B), jer Rooc ne sudjeluje u formiranju ulaznog otpora invertirajućeg ulaza. Glavna stvar je održavati omjer njihovih denominacija, slično opciji "A" (Roox / Rin1 \u003d R1 / Rin2).

Čim smo razgovarali o diferencijalnom uključivanju i spomenutim repetitorima, želio bih opisati jedan zanimljiv krug (Sl. 12).

   Sl. 12 Preklopni / invertirani krug repetitora koji se može mijenjati

Ulazni signal primjenjuje se istovremeno na oba ulaza u krugu (invertirajuće i ne-invertirajuće). Vrijednosti svih otpornika (Rin1, Rin2 i Rooc) jednake su jednakoj drugoj (u ovom slučaju uzimamo njihove stvarne vrijednosti: 10 ... 100 kOhm). Neinvertirani ulaz optičkog pojačala s tipkom SA može se skratiti na uobičajenu magistralu.

U zatvorenom položaju ključa (Sl. 12, A), otpornik Rin2 ne učestvuje u radu kruga (kroz njega je samo struja "beskorisna" Javkh2   od izvora signala do zajedničke magistrale). Stižemo obrnuti repetitor   s dobitkom jednakim minus 1 (vidi Sl. 6). Ali kada je ključ SA otvoren (Sl. 12, B), dobivamo ne-invertirajući repetitor   sa dobitkom +1.

Princip rada ovog kruga može se izraziti na nešto drugačiji način. Kada se SA ključ zatvori, on radi kao invertirajuće pojačalo s dobitkom od minus 1, a kada je otvoren, istovremeno   (!) I kao invertirajuće pojačalo s dobitkom, minus 1, i kao ne-invertirajuće pojačalo s dobitkom +2, odakle: Ku \u003d +2 + (–1) \u003d +1.

U ovom se obliku ovaj krug može koristiti ako, na primjer, u fazi dizajna, polaritet ulaznog signala nije poznat (recimo, od senzora kojem ne može pristupiti prije postavljanja uređaja). Ako ipak koristite tranzistor (na primjer efekt polja) koji se kontrolira pomoću ulaznog signala komparator   (o tome ćemo govoriti u nastavku), dobili smo sinhroni detektor   (sinhroni ispravljač). Konkretna provedba takve sheme, naravno, nadilazi početno upoznavanje s radom OS-a i ovdje to opet nećemo razmotriti detaljno.

A sada pogledajmo princip zbrajanja ulaznih signala (Sl. 13, A), a istovremeno ćemo shvatiti kakve vrijednosti otpornika Rin i Rooc trebaju biti u stvarnosti.

   Sl. 13 Princip rada obrnutog dodavača

Uzimamo kao osnovu pretvarač koji se već razmatrao pretvarača (Sl. 5), na ulaz op-pojačala spajamo samo jedan, ali dva ulazna otpornika Rin1 i Rin2. Do sada smo u „obrazovne“ svrhe uzeli otpor svih otpornika, uključujući i Rooca, jednak 1 kOhm. Na lijeve igle Rin1 i Rin2 dajemo ulazne signale jednake +1 V. Struje jednake 1 mA struju kroz ove otpornike (prikazane strelicama koje pokazuju s lijeva na desno). Da bi se zadržao isti potencijal na invertirajućem ulazu kao i na neinvertirajućem ulazu (0 V), kroz Rooc otpornik mora struja jednaka zbroju ulaznih struja (1 mA + 1 mA \u003d 2 mA), naznačena strelicom koja pokazuje u suprotnom smjeru (s desna na lijevo) ), za koji treba biti napon minus 2 V.

Isti rezultat (izlazni napon minus 2 V) može se dobiti ako se napon +2 V primijeni na ulaz invertirajućeg pojačala (Sl. 5), ili ako se vrijednost Rin prepolovi, tj. do 500 oma. Povećajte napon na otporniku Rin2 na +2 V (Sl. 13, B). Na izlazu dobivamo napon od minus 3 V, koji je jednak zbroju ulaznih napona.

Ne mogu biti dva ulaza, već onoliko koliko želite. Načelo rada ovog kruga neće se promijeniti iz ovoga: u svakom slučaju, izlazni napon bit će izravno proporcionalan algebarskoj sumi (uzimajući u obzir znak!) Struja koja prolazi kroz otpornike spojene na invertirajući ulaz op-ampa (obrnuto proporcionalan njihovim vrijednostima), bez obzira na njihov broj.

Ako se, međutim, signali jednaki +1 V i minus 1 V primijene na ulaze invertirajućeg zbroja (Sl. 13, B), tada će struje koje prolaze kroz njih biti suprotno usmjerene, jedna drugu će se otkazati i izlaz će biti 0 V. U tom slučaju se preko Rooc-ovog otpornika struja nece teci. Drugim riječima, struja koja teče duž Rooca algebrično je sažeta ulaz   struje.

Važna poanta također dolazi odavde: dok smo radili s malim ulaznim naponima (1 ... 3 V), izlaz op-ampera široke aplikacije mogao bi pružiti takvu struju (1 ... 3 mA) za Roosa i nešto drugo je ostalo za opterećenje povezano s izlazom op-pojačala. Ali ako se napon ulaznih signala poveća na maksimalno dozvoljeni (blizu napajanja naponom), tada ispada da će cjelokupna izlazna struja otići u Rooc. Za teret ne preostaje ništa. A kome treba kaskada pojačanja koja djeluje "na svoje"? Uz to, vrijednosti ulaznih otpornika, koje su jednake samo 1 kOhm (odnosno određivanje ulaznog otpora invertirajućeg stupnja pojačala), zahtijevaju pretjerano velike struje koje prolaze kroz njih, snažno opterećujući izvor signala. Stoga se u stvarnim krugovima odabire otpor Rin ne manji od 10 kOhm, ali po mogućnosti ne veći od 100 kOhm, tako da pri datom dobitku Rooo ne postavi previsoku nominalnu vrijednost. Iako ove vrijednosti nisu apsolutne, već samo približne, kako kažu, "u prvom aproksimaciji" - sve ovisi o određenoj shemi. U svakom slučaju, nepoželjno je da struja koja prelazi 5 ... 10% maksimalne izlazne struje ovog posebnog pojačala teče kroz Rooos.

Zbrojeni signali se mogu primijeniti i na neinvertirajući ulaz. Ispada ne-invertirajući dodatak. U osnovi će takav krug raditi na potpuno isti način kao i invertorski zbrojnik, čiji će izlaz biti signal koji je izravno proporcionalan ulaznim naponima i obrnuto proporcionalan nominalnim vrijednostima ulaznih otpornika. Međutim, u praksi se koristi mnogo rjeđe, jer sadrži "grablje" koje treba uzeti u obzir.

Budući da pravilo 2 vrijedi samo za invertirajući ulaz, na koji djeluje „virtualni potencijal nula“, postojat će potencijal neinvertiranja jednak algebarskom zbroju ulaznih napona. Stoga će ulazni napon dostupan na jednom od ulaza utjecati na napon koji se daje ostalim ulazima. Ne postoji "virtualni potencijal" na neinvertirajućem ulazu! Kao rezultat, moramo primijeniti dodatne trikove u krugu kola.

Do sada smo razmotrili šeme za OS sa zaštitom okoliša. A šta će se dogoditi ako se povratne informacije u potpunosti uklone? U ovom slučaju smo dobili komparator   (Sl. 14), tj. Uređaj koji uspoređuje dva potencijala na njihovim ulazima po apsolutnoj vrijednosti (od engleske riječi uporediti - uporedi). Na njegovom će se izlazu nalaziti napon koji se približava jednom od napona napajanja, ovisno o tome koji je od signala veći od drugog. Uobičajeno se ulazni signal primjenjuje na jedan od ulaza, a na drugi konstantni napon, s kojim se uspoređuje (tzv. "Referentni napon"). Može biti bilo koji, uključujući jednak nultom potencijalu (Sl. 14, B).

   Sl. 14 Šema uključivanja optičkog pojačala

Međutim, nije sve tako dobro „u danskom kraljevstvu“ ... A šta će se dogoditi ako napon između ulaza bude nula? Teoretski, izlaz treba biti i nula, ali u stvarnosti - nikad. Ako potencijal na jednom od ulaza nadmaši barem malo potencijala drugog, onda će to biti dovoljno da izazove haotične naponske prenapone zbog nasumičnih poremećaja koji upućuju na ulaze komparatora.

U stvarnosti, svaki signal je „bučan“, jer ideal ne može biti po definiciji. A u regiji koja je blizu točke jednakih potencijala ulaza, na izlazu komparatora pojavit će se paket izlaznih signala umjesto jednog jasnog prekidača. Za borbu protiv ove pojave često se uvodi komparativni krug histereza   stvaranjem slabog pozitivnog PIC-a od izlaza do ne invertirajućeg ulaza (Sl. 15).

   Sl. 15 Princip histereze u komparateru zbog PIC-a

Analizirajmo rad ovog kruga. Napon njegove snage je ± 10 V (za jednolik račun). Otpornost Rin je 1 kOhm, a Rpos je 10 kOhm. Potencijal srednje točke odabran je kao referentni napon koji se daje invertirajućem ulazu. Crvena krivulja prikazuje ulazni signal koji dolazi na lijevi pin Rin (ulaz šeme   komparator), plava - potencijal na neinvertirajućem ulazu op-pojačala, a zelena - izlazni signal.

Sve dok ulazni signal ima negativnu polarnost, izlaz je negativni napon, koji se putem Rpos zbraja s ulaznim naponom u obrnutoj proporciji s vrijednostima odgovarajućih otpornika. Kao rezultat toga, potencijal invertirajućeg ulaza u cijelom rasponu negativnih vrijednosti za 1 V (u apsolutnoj vrijednosti) premašuje razinu ulaznog signala. Čim potencijal neinvertirajućeg ulaza izjednači potencijal invertiranog (za ulazni signal to će biti + 1 V), napon na izlazu op-pojačala počet će prelaziti iz negativnog polariteta u pozitivni. Započet će ukupni potencijal na invertirajućem ulazu lavina postaju još pozitivniji, podržavajući proces takvog prelaska. Kao rezultat toga, komparator jednostavno „ne primjećuje“ beznačajne fluktuacije buke ulaznih i referentnih signala, jer će oni biti mnogostruko manji po amplitudi od opisanog „koraka“ potencijala na neinvertirajućem ulazu tijekom prebacivanja.

Kada se ulazni signal smanji, izlazni signal komparatora se vraća na ulaznom naponu minus 1 V. Ova razlika između nivoa ulaznog signala koji vodi do izlaza komparatora, a koja je u našem slučaju jednaka 2 V, naziva se histereza. Što je veći otpor Rpos u odnosu na Rin (manja dubina POS-a), to je manja histereza sklopke. Dakle, pri Rpos \u003d 100 kOhm bit će samo 0,2 V, a na Rpos \u003d 1 MΩ to će biti 0,02 V (20 mV). Histereza (PIC dubina) odabire se na temelju stvarnih radnih uvjeta komparatora u određenom krugu. U kojih će 10 mV biti mnogo, a u kojima - 2 V biće malo.

Nažalost, ne može se svaki op amp, niti u svim slučajevima, koristiti kao komparater. Na raspolaganju su specijalizirani komparacijski krugovi za podudaranje analognih i digitalnih signala. Neki od njih specijalizirani su za povezivanje s digitalnim TTL-mikrocirkutima (597CA2), dio - na digitalnim ESL-mikrovezama (597CA1), no većina je tzv. "Komparatori široke primjene" (LM393 / LM339 / K554CA3 / K597CA3). Njihova glavna razlika od op-pojačala je poseban uređaj izlaznog stepena, koji je izrađen na tranzistoru s otvorenim kolektorom (Sl. 16).

   Sl. 16 Izlazna faza za komparate širokog raspona
   i njegove veze sa otpornikom na opterećenju

Ovo zahteva upotrebu eksternog opterećenje otpornik   (R1), bez kojeg izlazni signal jednostavno fizički nije u stanju formirati visoku (pozitivnu) izlaznu razinu. Napon + U2 na koji je priključen otpornik opterećenja može biti različit od napona napajanja + U1 samog komparatora. Ovo omogućava jednostavna sredstva za pružanje izlaznog signala željenog nivoa - bilo da je u pitanju TTL ili CMOS.

Napomena U većini komparatora, na primjer, dual LM393 (LM193 / LM293) ili potpuno isti u sklopovima, ali četvorostruki LM339 (LM139 / LM239), odašiljač tranzistora izlazne faze povezan je s negativnom izlaznom snagom, što donekle ograničava njihov opseg. S tim u vezi, htio bih skrenuti pozornost na komparator LM31 (LM111 / LM211), čiji je analog domaći 521 / 554CA3, u kojem su i izlaz i tranzistor izlaznog tranzistora odvojeno, a koji se mogu povezati s naponima koji nisu napon samog komparatora. Jedina i relativna mana mu je ta što je u 8-polnom (ponekad i u 14-polnom) paketu samo jedan.

Do sada smo razmatrali sklopove u kojima je ulazni signal ulazio na ulaze (e) putem Rin, tj. svi su bili pretvarači   ulaz napon u   slobodni dan napetost   isto. U ovom slučaju, ulazna struja je tekla kroz Rin. A što će se dogoditi ako se njegov otpor uzme jednak nuli? Krug će raditi na potpuno isti način kao i gore navedeni invertirajuće pojačalo, samo izlazna impedancija izvora signala (Rout) služit će kao Rin, a mi ćemo dobiti pretvarač   ulaz trenutna   u   slobodni dan napetost   (Sl. 17).

   Sl. 17 Šema pretvarača struje u napon u OS

Budući da je potencijal na invertirajućem ulazu isti kao i na neinvertirajućem (u ovom slučaju je "virtualna nula"), cijela ulazna struja ( Jau) će teći kroz Rooc između izlaza izvora signala (G) i izlaza op-pojačala. Ulazna impedancija takvog kruga je blizu nule, što omogućava da se na njemu naprave mikro / miliampermetri, praktično ne utječući na struju koja teče duž izmjerenog kruga. Možda je jedino ograničenje dozvoljeni raspon ulaznog napona op-ampera koji ne treba prelaziti. Pomoću nje možete izgraditi, na primjer, linearni pretvarač fotodiodne struje u napon i mnogi drugi sklopovi.

Ispitali smo osnovne principe rada OS u različitim shemama za njegovo uključivanje. Ostaje jedno važno pitanje: njihovo ishrana.

Kao što je gore spomenuto, op-pojačalo obično ima samo 5 pinova: dva ulaza, izlaza i dva pina za napajanje, pozitivne i negativne. U općenitom slučaju koristi se bipolarna snaga, to jest, izvor napajanja ima tri izlaza s potencijalima: + U; 0; –U.

Još jednom pažljivo razmotrimo sve gore navedene cifre i vidimo da je odvojeni izlaz srednjeg dijela u OS-u NE ! Za rad njihovog unutrašnjeg kruga jednostavno nije potreban. Na nekim je krugovima neinvertirani ulaz spojen na sredinu, ali to nije pravilo.

Stoga neodoljiv većina   moderni op amperi su dizajnirani kako bi napajali JEDINI POLAR energized! Postavlja se legitimno pitanje: „Zašto nam je onda potrebna bipolarna prehrana“ ako smo je tako uporno i zavidno prikazali na crtežima?

Ispada da je jednostavno vrlo ugodno   u praktične svrhe iz slijedećih razloga:

A) Osiguravanje dovoljne struje i veličine izlaznog napona kroz opterećenje (Sl. 18).

   Sl. 18 Protok izlazne struje kroz opterećenje s različitim opcijama za napajanje op-amperom

Za sada nećemo razmatrati ulazne (i OOS) sklopove krugova prikazanih na slici ("crna kutija"). Uzmimo zdravo za gotovo da se neki ulazni sinusoidni signal (crni sinusoid na grafovima) dovodi na ulaz, a izlaz je isti sinusoidni signal pojačan s obzirom na sinusoid ulaza u boji na grafovima).

Pri spajanju tereta R između izlaza op-pojačala i srednje točke povezivanja napajanja (GB1 i GB2) - Sl. 18A, struja teče kroz opterećenje simetrično u odnosu na sredinu (odnosno crveni i plavi poluslav), a njegova amplituda je maksimalna, a amplituda napona je na Rloadu. takođe maksimalno moguć - može dostići skoro napajanje. Struja iz izvora napajanja odgovarajućeg polariteta se zatvara kroz optički pojačalo, Rnag. i izvor napajanja (crvene i plave linije koje pokazuju protok struje u odgovarajućem smjeru).

Budući da je unutarnji otpor op-amp napajanja vrlo mali, struja koja prolazi kroz opterećenje ograničena je samo njegovim otporom i maksimalnom izlaznom izlaznom strujom, koja je obično 25 mA.

Pri napajanju op-amperom sa jednopolarnim naponom kao zajednički autobus   obično se bira negativni (minus) pol izvora napajanja, na koji je priključen drugi terminal opterećenja (Sl. 18, B). Sada struja kroz teret može teći u samo jednom smjeru (prikazan crvenom linijom), drugi pravac jednostavno nema nigdje odakle se dolazi. Drugim riječima, struja kroz opterećenje postaje asimetrična (pulsirajuća).

Nemoguće je nedvosmisleno tvrditi da je takva opcija loša. Ako je opterećenje, recimo, dinamična glava, onda je za nju to slabo nedvosmisleno. Međutim, postoji mnogo primjena kod kojih je povezivanje opterećenja između izlaza naponske i jedne od magistralnih sabirnica (obično negativne polarnosti) ne samo dopušteno, već je i jedino moguće.

Ako je ipak potrebno osigurati simetriju struje koja teče kroz opterećenje unipolarnim napajanjem, tada ga morate galvanski odvojiti od izlaznog napona galvanski kondenzatorom C1 (sl. 18, B).

B) Da bi se osigurala potrebna struja invertiranog ulaza, kao i vezivanja   ulazni signali nekima proizvoljno odabrano   nivoa prihvaćeno   za referentnu vrijednost (nula) - podešavanje radnog načina pojačala za istosmjernu struju (Sl. 19).

   Sl. 19 Spajanje ulaznog izvora s različitim opcijskim mogućnostima napajanja

Sada razmotrimo mogućnosti povezivanja za ulazne izvore, isključujući vezu opterećenja iz razmatranja.

Priključivanje pretvaračkih i neinvertirajućih ulaza na sredinu točke spajanja izvora napajanja (Sl. 19, A) razmatrano je u analizi gore navedenih shema. Ako se neinvertirajući strujni ulaz ne troši i jednostavno prihvaća potencijal srednje točke, tada kroz izvor signala (G) i Rin, spojeni u nizu, struja teče, zatvarajući se kroz odgovarajući izvor napajanja! A budući da su njihovi unutarnji otpori zanemarivi u odnosu na ulaznu struju (mnogi redovi veličine manji od Rin), to praktički ne utječe na napon napajanja.

Dakle, pomoću unipolarnog napajanja op-ampera moguće je savršeno oblikovati potencijal koji se isporučuje na njegov ne-invertirani ulaz koristeći R1R2 razdjelnik (Sl. 19, B, C). Tipične vrijednosti otpornika ovog razdjelnika su 10 ... 100 kOhm, a niže (spojene na zajedničku negativnu magistralu) vrlo je preporučljivo usmjeriti kondenzator za 10 ... 22 mikrofarada, kako bi se umanjio učinak osipanja napajanja na potencijal veštački   sredina.

Ali izvor signala (G) je krajnje nepoželjno povezivati \u200b\u200bs ovom umjetnom sredinom uslijed iste ulazne struje. Procijenimo. Čak i sa razdjelnikom R1R2 \u003d 10 kOhm i Rin \u003d 10 ... 100 kOhm, ulazna struja Jau   u najboljem slučaju bit će 1/10, a u najgorem slučaju do 100% struje koja prolazi kroz razdjelnik. Stoga će potencijal na invertirajućem ulazu u kombinaciji (u fazi) s ulaznim signalom koliko-toliko „lebdjeti“.

Da bi se eliminirao utjecaj ulaza jedni na druge tijekom pojačanja istosmjernih signala tijekom ovog uključivanja, za izvor signala treba organizirati zasebni umjetni srednji potencijal koji stvaraju R3R4 otpornici (sl. 19, B) ili ako se izmjenični signal pojača, galvanski razdvojiti izvor signala s invertirajućeg ulaza kondenzatorom C2 (Sl. 19, B).

Treba napomenuti da smo u gornjim shemama (sl. 18, 19) podrazumevano pretpostavili da izlazni signal mora biti simetričan u odnosu na sredinu izvora napajanja ili umjetnu sredinu. U stvarnosti, to nije uvek potrebno. Često je potrebno da izlazni signal ima pretežno pozitivan ili negativan polaritet. Stoga, apsolutno nije neophodno da su pozitivni i negativni polariteti izvora energije jednaki u apsolutnoj vrijednosti. Jedan od njih može biti puno manji u apsolutnoj vrijednosti od drugog - samo tako da osigura normalno funkcioniranje OS-a.

Postavlja se logično pitanje: "A koji?" Da biste odgovorili na to, ukratko razmislite o dozvoljenim opsezima napona na ulaznim i izlaznim op-amp signalima.

Za bilo koji op-amp, izlazni potencijal ne može biti veći od potencijala sabirnice pozitivne snage i niži od potencijala sabirnice negativne snage. Drugim riječima, izlazni napon ne može prijeći napon napajanja. Na primjer, za OPA277 op pojačalo, izlazni napon s otporom opterećenja od 10 kOhm je manji od napona sabirnice pozitivne snage za 2 V, a sabirnice s negativnom snagom za 0,5 V. Širina ovih „mrtvih zona“ izlaznog napona koje op-amp izlaz ne može doseći ovisi o broju faktori, kao što su krug izlaznog stupnja, otpornost na opterećenje itd.). Postoje opampe u kojima su mrtve zone minimalne, na primjer 50 mV napona dovodne magistrale pri opterećenju od 10 kOhm (za OPA340), ovo svojstvo opampa naziva se željeznica do željeznice (R2R).

S druge strane, za op ampere široke primjene, ulazni signali također ne bi trebali prelaziti napon napajanja, a za neke biti niži od 1,5 ... 2 V. No, postoje i optička pojačala sa specifičnim sklopovima ulaznog faza (na primjer, isti LM358 / LM324) , koja može raditi ne samo s nivoa negativne snage, već je čak i „minus“ za 0,3 V, što uvelike olakšava njihovu upotrebu s jednopolarnom snagom sa uobičajenom negativnom magistralom.

Za kraj, pogledajmo i osjetimo ove „paukove bube“. Možete čak i njuškati i lizati. Ja to dopuštam. Razmotrite njihove najčešće opcije dostupne početnicima pršuta. Pogotovo ako morate lemiti op-ampu iz stare opreme.

Za op-ampere starog dizajna, koji bez greške zahtijevaju vanjske sklopove za korekciju frekvencije kako bi se spriječilo samo-pobuđenje, bilo je karakteristično prisustvo dodatnih zaključaka. Zbog toga se neki optički pojačivači čak nisu „uklapali“ u 8-pinski okvir (Sl. 20, A) i izrađeni su u 12-polnom okruglom metalnom staklu, na primer, K140UD1, K140UD2, K140UD5 (Sl. 20, B) ili 14-pinski DIP paketi, na primjer, K140UD20, K157UD2 (Sl. 20, C). Kratica DIP je skraćenica s engleskog izraza „Dual In line Package“ i prevodi se kao „dvostrani paket paketa“.

Okrugla futrola od metalnog stakla (Sl. 20, A, B) korištena je kao glavna za uvezene op ampere do sredine 70-ih, a za domaće op ampere do sredine 80-ih, a sada se koristi za tzv. „Vojne“ prijave („5. prihvat“).

Ponekad su domaći optički pojačali smješteni u trenutno prilično „egzotičnim“ slučajevima: pravokutnom metalnom staklom od 15 pinova za hibrid K284UD1 (Sl. 20, D), u kojem je ključ dodatni 15. izlaz iz kućišta i drugi. Tačno, planarne 14-pinske slučajeve (Sl. 20, D) za postavljanje OS-a u njih nisam osobno upoznao. Koristili su se za digitalna kola.

   Sl. 20 Kućište domaćih operativnih pojačala

Moderni opampi uglavnom sadrže korektivne sklopove izravno na čipu, što je omogućilo da se smanji minimalni broj zaključaka (na primjer, 5-polni SOT23-5 za jedan opamp - Sl. 23). To je omogućilo postavljanje dva ili četiri potpuno neovisna (osim uobičajenih strujnih vodova) optičkih pojačala izrađenih na jednom čipu u jednom kućištu.

   Sl. 21 Dvostruka plastična kućišta modernog pojačala za izlaznu montažu (DIP)

Ponekad možete pronaći op-ampere smještene u jednorednim 8-pinskim (Sl. 22) ili 9-pinskim paketima (SIP) - K1005UD1. Skraćenica SIP je skraćenica s engleskog izraza „Single In line Package“ i prevodi se kao „jednostrani paket paketa“.

   Sl. 22 Jednoredno plastično kućište s dvostrukim optičkim pojačalom za izlaznu ugradnju (SIP-8)

Dizajnirani su tako da minimiziraju prostor zauzet na ploči, ali, nažalost, oni su bili „kasni“: do ovog trenutka, SMD (uređaj za površinsku ugradnju) široko se koristio lemljenjem direktno na tragove ploče (sl. 23). Međutim, za početnike njihova upotreba predstavlja značajne poteškoće.

   Sl. 23 školjke modernih uvezenih površinskih pojačala (SMD)

Proizvođač vrlo često može upakovati isti mikro krug u različitim slučajevima (Sl. 24).

   Sl. 24 Opcije postavljanja istog mikročipa u različitim slučajevima

Nalazi svih mikrocirkula imaju sekvencijalno brojanje, računato iz tzv "Tipka" koja pokazuje mjesto izlaza na broju 1. (Sl. 25). In bilo koji   ako stavite zaključke slučaja od sebe, njihovo brojanje raste protiv u smeru kazaljke na satu!

   Sl. 25 Podizanje operativnih pojačala
   u raznim slučajevima (pinout), pogled odozgo;
   smjer numeriranja je označen strelicama

U okruglim metalnim staklenim kutijama ključ ima oblik bočne izbočine (Sl. 25, A, B). Sa lokacije ovog ključa mogući su ogromni grablje! U domaćim 8-polnim slučajevima (302.8), ključ se nalazi nasuprot prvom izlazu (Sl. 25, A), a u uvećanom TO-5 - nasuprot osmom izlazu (Sl. 25, B). U 12-potencijalnih slučajeva, i domaći (302.12) i uvozni, ključ se nalazi između   prvi i 12. zaključak.

Tipično je invertirajući ulaz u okruglim metalnim staklima i DIP slučajevima povezan na 2. izlaz, neinvertirajući ulaz na 3., izlaz na 6., minus napajanje na četvrti i plus napajanje na 7. Međutim, postoje izuzeci (još jedan mogući „grablje“!) U zaključku OU K140UD8, K574UD1. Kod njih je numeriranje zaključaka pomaknuto za jedan suprotno od kazaljke na satu u usporedbi s općenito prihvaćenim za većinu drugih vrsta, tj. povezani su zaključcima, kao i kod uvoznih zgrada (Sl. 25, B), a numeriranje odgovara domaćim (Sl. 25, A).

Posljednjih godina većina "stambenog" OS-a smještena je u plastične kutije (Sl. 21, 25, V-D). U tim slučajevima, ključ je ili udubljenje (točka) nasuprot prvom priključku, ili izrez na kraju slučaja između prvog i 8. (DIP-8) ili 14. (DIP-14) terminala, ili pregrada duž prve polovice terminala (Sl. 21, u sredini). Brojčano zaključivanje u tim slučajevima takođe ide protiv u smeru kazaljke na satu   ako se posmatra odozgo (zaključci od vas samih).

Kao što je gore spomenuto, opamps sa unutrašnjom korekcijom imaju samo pet izlaza, od kojih samo tri (dva ulaza i izlaza) pripadaju svakom pojedinom opampu. To je omogućilo postavljanje dva potpuno neovisna pojačala (s izuzetkom plus i minus napajanja, koja zahtijevaju još dva vodiča) u jedan 8-pinski paket na jednom čipu (sl. 25, D), pa čak i četiri u 14-pinskom paketu (Sl. 25, D). Kao rezultat, trenutno se većina opampa proizvodi najmanje dvostruko, na primjer, TL062, TL072, TL082, jeftini i jednostavni LM358 itd. Potpuno su isti po pitanju unutarnje strukture, ali četiri - TL064, TL074, TL084 i LM324.

Što se tiče domaćeg analoga LM324 (K1401UD2), postoji još jedan "grablje": ako je u LM324 plus snaga izbačena na četvrti izlaz, a minus na 11., u K1401UD2 je obrnuto: plus snaga se emitira na 11. izlaz, i minus - četvrti. Međutim, ta razlika ne uzrokuje poteškoće s ožičenjem. Budući da je zaključavanje op-amp stezaljki potpuno simetrično (Sl. 25, E), kućište trebate okrenuti za 180 stepeni tako da 1. pin zauzme mjesto 8.. I to je to

Nekoliko riječi u vezi s označavanjem uvezenih op-ampera (i ne samo op-ampera). Za niz razvoja prvih 300 digitalnih oznaka, bilo je uobičajeno da se grupa kvaliteta označi prvom cifrom digitalnog koda. Na primjer, optičko pojačalo LM158 / LM258 / LM358, komparatori LM193 / LM293 / LM393, trodimenzionalni stabilizatori TL117 / TL217 / TL317 itd. Potpuno su identični u unutrašnjoj strukturi, ali se razlikuju u radnom opsegu temperature. Za LM158 (TL117) raspon radne temperature je od minus 55 do + 125 ... 150 stepeni Celzijusa (tzv. "Borbeni" ili vojni raspon), za LM258 (TL217) - od minus 40 do +85 stepeni ("industrijski" raspon) i za LM358 (TL317) - od 0 do +70 stepeni (raspon „domaćinstva“). Istovremeno, cijena za njih može biti u potpunosti u neskladu s takvom gradacijom ili se vrlo malo razlikuje ( nepristupačne cijene cijena!). Tako ih možete kupiti s bilo kojom oznakom dostupnom "za džep" početniku, a ne posebno juriti prvu "trojku".

Nakon iscrpljivanja prvih tristotinjak digitalnih oznaka, grupe pouzdanosti označene su slovima, čije se značenje dešifrira u listovima podataka (Datasheet doslovno prevodi kao „tablica podataka“) na tim komponentama.

Zaključak

Pa smo proučavali "abecedu" operacije op-ampera, hvatajući komparatere malo. Zatim morate naučiti dodavati riječi, rečenice i čitave smislene „kompozicije“ (izvedive šeme) iz ovih „slova“.

Nažalost, "nemoguće je obuhvatiti ogromne". Ako bi materijal predstavljen u ovom članku pomogao razumjeti kako djeluju ove "crne kutije", tada je daljnje produbljivanje u analizi njihovog "punjenja", utjecaja ulaznih, izlaznih i prijelaznih karakteristika, zadatak naprednije studije. Podaci o tome detaljno su i iscrpno izloženi u raznovrsnoj postojećoj literaturi. Kao što je djed William Ockham govorio: "Ne biste trebali množiti subjekte iznad onoga što je neophodno." Ne treba ponavljati već opisano. Samo ne trebate biti lijeni i čitati.

  11. http://www.texnic.ru/tools/lekcii/electronika/l6/lek_6.html

Onda me dopustite da uzmem svoj dopust, s poštovanjem itd., Od Alexey Sokolyuk ()