Mittepööratav võimendi on võib-olla üks kolmest analoogelektroonika kõige elementaarsemast vooluringist koos ümberpööratava võimendi ja pinge järgija vooluringidega. See on isegi lihtsam kui ümberpööratav võimendi, kuna bipolaarset toidet pole vooluringi toimimiseks vaja.
Pöörake tähelepanu valemis sisalduvale ühikule. See ütleb meile, et mittepööratava võimendi võimendus on alati suurem kui 1, mis tähendab, et selle vooluahela abil ei saa te signaali summutada.
Negatiivne tagasiside vähendab kasu, mis aga ei ole negatiivne nähtus ja on soovitav, kuna. See laiendab lineaarsete toimingute vahemikku, vähendab tundlikkust moonutuste suhtes, laiendab sagedusreaktsiooni, tagasisidevõimendi parameetrid sõltuvad peamiselt ainult tagasisideahelate komponentidest. Tagasisideahelaga vooluringi võimendus saadakse valemiga.
Seetõttu, isegi kui operatiivvõimendit toodetakse paljude parameetritega, kompenseerib väline tagasiside erinevusi ja konfiguratsiooni paigutus töötab alati sama! Operatiivvõimenditega süsteemide analüüsimiseks on tehtud järgmised eeldused.
Mitte-tagurdava võimendi toimimise paremaks mõistmiseks vaatame sisse lülitatud vooluahelat ja mõtleme välja, milline saab olema väljundpinge.
Kõigepealt peaksime mõtlema, millised pinged on meie operatsioonivõimendi mõlemal sisendil. Tuletage meelde esimene reeglist, mis kirjeldab operatiivvõimendi toimimist:
Sisendtakistus on lõpmatu, pinge võimendus on lõpmatu, operatsioonivõimendi ei võta voolu vastu. Negatiivse tagasiside saamiseks on nn. Pööratav võimendi on paljude muude vooluahelate algkonfiguratsioon, nii et seda kaalutakse piisavalt üksikasjalikult.
Kuna opvõimendi ei tarbi energiat, voolab mõlemast takistist sama vool. Teisest küljest on mõlema sisendi potentsiaal ühesugune, järelikult järeldub, et operatiivvõimendi mõlemad sisendid asuvad massipotentsiaalis. Mittepööratava võimendi konfiguratsioonis sarnaneb olukord tagurdusvõimendiga: sama vool voolab läbi kahe takisti.
Reegel number 1 - operatiivvõimendi annab väljundi sisendisse OOS-i kaudu (negatiivne tagasiside), mille tulemusel võrdsustatakse mõlema sisendi, nii ümberpööratava (-) kui ka mitte-tagurdava (+) pinged.
Kuna kordaja sisendtakistus on väga suur, kasutatakse neid vooluahelaid signaali allika vastuvõtjast eraldamiseks. Süsteeme kasutatakse madalate voolude mõõtmiseks, sealhulgas ka valguse intensiivsuse mõõtmiseks. Summeeriv võimendi määrab sisendpingete kaalutud summa. See on pöörduva võimendi versioon.
Vool on sisendvoolude summa; Operatiivvõimendi sisenditel on pinge null. Alamvõimendit nimetatakse sageli ka diferentsiaaliks. See lahutab sisendpinged sobivas suhtes, sõltuvalt süsteemi takistite väärtusest.
St pinge ümberpööratava sisendi juures on 3V. Järgmises etapis vaatame 10k takistust. Me teame, mis pinge sellel on ja selle takistust, mis tähendab, et saame arvutada, milline vool sellest läbi voolab:
I \u003d U / R \u003d 3V / 10k \u003d 300μA.
Seda voolu, vastavalt reeglile 2, ei saa võtta ümberpööratavast sisendist (-), seega tuleb see võimendi väljundist.
Reegel number 2 - võimendi sisendid ei tarbi voolu
300 kA vool voolab ka läbi 20k takisti. Selle pinget saame hõlpsalt Ohmi seaduse järgi arvutada:
U \u003d IR \u003d 300μA * 20k \u003d 6V
Selgub, et see pinge on võimendi väljundpinge? Ei, see pole nii. Tuletame meelde, et 20k takisti ühes selle klemmides on pinge 3V. Pöörake tähelepanu mõlema takisti pinge suunale.
Vool voolab noolega vastupidises suunas, sümboliseerides kõrgema pingega punkti. Seetõttu peate arvutatud 6 V-le lisama sisendisse veel 3 V. Sel juhul on lõpptulemus 9V.
Väärib märkimist, et takistid R1 ja R2 moodustavad lihtsa. Pidage meeles, et jagaja üksikute takistite pingete summa peab olema võrdne jagajaga tarnitava pingega - pinge ei saa jäljetult kaduda ja kuhugi välja tulla.
Kokkuvõtteks peame tulemust kontrollima viimase reegli abil:
Reegel number 3 - sisendite ja väljundi pinge peab olema vahemikus OS positiivse ja negatiivse toitepinge vahel.
See tähendab, et on vaja kontrollida, kas meie arvutatud pinge on realistlikult saadav. Algajad arvavad sageli, et võimendi töötab nagu Perpetuum Mobile ja genereerib pinget mitte millestki. Kuid peame meeles pidama, et võimendi tööks on vaja ka toidet.
Klassikalised võimendid töötavad pingel -15 V ja + 15 V. Sellises olukorras on meie poolt hinnatud 9 V tegelik pinge, kuna 9 V on toitepinge vahemikus. Kuid tänapäevased võimendid töötavad sageli pingetega 5 V või madalamal. Selles olukorras pole võimendil võimalust 9V väljundiks.
Seetõttu tuleb vooluringide väljatöötamisel alati meeles pidada, et teoreetilisi arvutusi tuleks alati kontrollida komponentide tegelikkuse ja füüsiliste võimaluste suhtes.
Kümne tuhande li tee algab esimese sammuga.
(Hiina vanasõna)
Oli õhtu, polnud midagi teha ... Ja nii äkki tahtsin midagi joota. Omamoodi ... Elektrooniline! .. Joodis - nii joodis. Seal on arvuti, Internet on ühendatud. Valime skeemi. Ja äkki selgub, et plaanitava teema skeemid on vagun ja väike käru. Ja kõik on erinevad. Puudub kogemus, pole piisavalt teadmisi. Kumba valida? Mõni neist sisaldab mõnda ristkülikut, kolmnurka. Võimendid ja isegi töötavad ... Kuidas need töötavad, pole selge. Stra-a-ashno! .. Mis siis, kui see põleb läbi? Valime selle lihtsama, tuttavatel transistoridel! Vali, jooda, lülita sisse ... ABI !!! Ei tööta !!! Miks?
Jah, sest "lihtsus on hullem kui vargus"! See on nagu arvuti: kiireim ja keerukaim - mängimine! Ja kontoritöö jaoks piisab kõige lihtsamast. Nii on see transistoridega. Nendest vooluringide jootmiseks ei piisa. Samuti peame suutma seda konfigureerida. Liiga palju lõkse ja reha. Ja see nõuab sageli kogemusi, mitte mingil juhul algsel tasemel. Lõpetage põnev tegevus? Üldse mitte! Lihtsalt ärge kartke neid "kolmnurki, ristkülikuid". Selgub, et paljudel juhtudel on nendega palju lihtsam töötada kui üksikute transistoridega. KUI TEADSID - KUIDAS!
Siin on see: mõistes nüüd, kuidas operatiivvõimendi (op-amp või inglise keeles OpAmp) töötab, hakkame seda nüüd tegema. Samal ajal käsitleme tema tööd sõna otseses mõttes “sõrmedel”, praktiliselt ilma valemeid kasutamata, välja arvatud võib-olla, välja arvatud Ohmi vanaisa seadus: “Vool vooluringi lõigu kaudu ( Mina) on otseselt võrdeline sellel oleva pingega ( U) ja on pöördvõrdeline oma takistusega ( R)»:
I \u003d U / R. (1)
Alustuseks pole põhimõtteliselt nii oluline, kui täpselt op-amp on sees paigutatud. Võtke seda lihtsalt eeldusena, et tegemist on nn musta kastiga, kus on seal mõnda täidist. Selles etapis ei võeta arvesse selliseid op-amp-parameetreid nagu "eelpinge", "nihkepinge", "temperatuuri kõikumine", "müraomadused", "ühisrežiimi komponendi tagasilükkamiskoefitsient", "toitepinge pulsatsiooni summutamise koefitsient", "pääsuriba" "Jne Kõik need parameetrid on olulised tema uurimistöö järgmises etapis, kui tema töö põhiprintsiibid „lepivad” peas sellega, et „see oli paberil sile, kuid unustas kuristikud” ...
Praegu eeldame lihtsalt, et op-amp-parameetrid on ideaalilähedased, ja kaalume ainult seda, milline signaal on selle väljundis, kui selle sisenditesse suunatakse mõni signaal.
Niisiis, operatiivvõimendi (OA) on diferentsiaal-alalisvõimendi, millel on kaks sisendit (ümberpööratav ja mittepööratav) ja üks väljund. Lisaks neile on op-amp-il väljundvõimsused: positiivsed ja negatiivsed. Need viis järeldust on saadaval 2006 peaaegu mis tahes op amp ja selle tööks hädavajalik.
Varjupaiga kasum on tohutu - vähemalt 50 000 ... 100 000, kuid tegelikult - palju rohkem. Seetõttu võime esimeses lähenduses isegi eeldada, et see võrdub lõpmatusega.
Mõiste "diferentsiaal" (inglise keeles "erinev" tõlgitakse kui "erinevus", "erinevus", "erinevus") tähendab, et op-ampi väljundpotentsiaali mõjutab ainult selle sisendite vaheline potentsiaalne erinevus, mis iganes nende juurest absoluutneväärtused ja polaarsus.
Mõiste "alalisvool" tähendab op-amp sisendsignaalide võimendamist sagedusest 0 Hz. Võimendatud op-amp-signaalide ülemine sagedusvahemik (sagedusvahemik) sõltub paljudest põhjustest, näiteks transistoride sageduskarakteristikutest, millest see koosneb, op-amp-i abil konstrueeritud vooluahela võimendusest jne. Kuid see küsimus on juba tema tööga esialgse tutvumise ulatusest väljas ja siin seda ei käsitleta.
Op-amp-i sisenditel on väga suur sisendtakistus, mis võrdub kümnete / sadade MegaOhmi või isegi GigaOhmiga (ja ainult meeldejäävas K140UD1 ning isegi K140UD5-s oli see ainult 30 ... 50 kOhm). Nii suur sisendtakistus tähendab, et need praktiliselt ei mõjuta sisendsignaali.
Seetõttu võime suure tõenäosusega läheneda teoreetilisele ideaalile praegune op amp ei sisenditesse voola . See on esimene oluline reegel, mida rakendatakse opvõimendi töö analüüsimisel. Palun teil meeles pidada, et see puudutab ainult opamp iseaga mitte skeemid koos selle rakendusega!
Mida tähendavad terminid ümberpööramine ja mittepööramine? Seoses sellega, mida inversioon määrab ja üldiselt, milline "loom" see on - signaali inversioon?
Ladina keelest tõlgituna on sõna “inversio” üheks tähenduseks “mähkimine”, “riigipööre”. Teisisõnu inversioon on peegelpilt ( peegeldamine) signaal horisontaaltelje X suhtes(ajatelg). Joon. Joonis 1 näitab mitut paljudest signaali ümberpööramise võimalustest, kus punane tähistab otsest (sisend) signaali ja sinine tähistab ümberpööratud (väljundsignaali).
Joon. 1 Signaali inversiooni mõiste
Eriti tuleks märkida, et nulljoonele (nagu joonisel 1, A, B) on signaali inversioon pole lisatud! Signaalid võivad olla pöörd- ja asümmeetrilised. Näiteks on mõlemad ainult positiivsete väärtuste piirkonnas (joonis 1, B), mis on tüüpiline digitaalsignaalidele või unipolaarse energiaga (me räägime sellest hiljem), või mõlemad osaliselt positiivses ja osaliselt negatiivses piirkonnas (joonis 1, B, D). Võimalikud on ka muud võimalused. Peamine tingimus on nende vastastikune spekulaarsus mõne suvaliselt valitud taseme suhtes (näiteks tehislik keskpunkt, mida arutatakse ka hiljem). Teisisõnu polaarsus signaal ei ole ka määrav tegur.
Kujutage mõistete opampe erinevatel viisidel. Välismaal oli OS-e varem kujutatud ja isegi nüüd on neid sageli kujutatud võrdkülgse kolmnurgana (joonis 2, A). Ümberpööratavat sisendit tähistatakse miinusmärgiga, mittepööratavat sisendit tähistatakse plussmärgiga kolmnurgas. Need sümbolid ei tähenda sugugi seda, et potentsiaal peab vastavatel sisenditel olema positiivsem või negatiivsem kui teisel. Need näitavad lihtsalt, kuidas väljundpotentsiaal reageerib sisenditele pakutavatele potentsiaalidele. Selle tagajärjel on need kergesti segamini toitejuhtmetega, mis võivad osutuda ootamatuteks "rehadeks", eriti algajatele.
Joon. 2 tingimuslike graafiliste piltide varianti (UGO)
operatsioonivõimendid
Enne GOST 2.759-82 (ST SEV 3336-81) jõustumist oli kodumaiste tingimuslike graafiliste piltide süsteemis (UGO) kujutatud OS-i ka kolmnurga kujul, ainult ümberpööratav sisend - inversiooni sümboli abil - väljundi ristumiskohal oleva kolmnurgaga (joonis 2, B) ja nüüd - ristküliku kujul (joonis 2, C).
Diagrammides op-ampri määramisel saab ümberpööratavaid ja mittepööratavaid sisendeid vahetada, kui see on mugavam, kuid traditsiooniliselt ümberpööratav sisend on näidatud ülaosas ja mittepööratav - allosas. Toitejuhtmetel on reeglina alati ainus viis (positiivne ülaosas, negatiivne allosas).
Op-ampreid kasutatakse peaaegu alati negatiivse tagasiside (OOS) ahelates.
Tagasiside on osa võimendi väljundpinge varustamisest selle sisendisse, kus see algebraliselt (võttes arvesse märki) summeeritakse sisendpingega. Signaalide summeerimise põhimõtet käsitletakse allpool. Sõltuvalt sellest, millist op-amp-sisendit, ümberpööratavat või mitte-ümberpööratavat OS-i tarnitakse, eristatakse negatiivset tagasisidet (OOS), kui osa väljundsignaalist suunatakse ümberpööratava sisendi juurde (joonis 3, A) või positiivset tagasisidet (PIC), kui väljundsignaal tarnitakse vastavalt mittepööratavale sisendile (joonis 3, B).
Joon. 3 Tagasiside moodustamise põhimõte (OS)
Esimesel juhul, kuna väljundsignaal on sisendi suhtes vastupidine, lahutatakse see sisendist. Selle tulemusel väheneb kaskaadi üldine võimendus. Teisel juhul liidetakse see sisendiga, kaskaadi üldine võimendus suureneb.
Esmapilgul võib tunduda, et PIC-l on positiivne mõju ja OOS on täiesti mõttetu ettevõtmine: miks vähendada tulu? Täpselt seda arvasid USA patendieksperdid, kui Harold S. Black üritas patent OOS. Võimendust ohverdades parandame märkimisväärselt vooluahela muid olulisi parameetreid, näiteks selle lineaarsust, sagedusvahemikku jne. Mida sügavam on OOS, seda vähem sõltuvad kogu vooluringi omadused opampi omadustest.
Kuid PIC-l (arvestades oma tohutut op-amp-võimendust) on vooluahela omadustele vastupidine mõju ja kõige ebameeldivam on selle enese ergutamine. Muidugi kasutatakse seda ka teadlikult, näiteks generaatorites, hüstereesiga komparaatorites (sellest lähemalt hiljem) jne, kuid üldiselt on selle mõju op-ampritega võimendiahelate tööle üsna negatiivne ja nõuab väga hoolikat ja mõistlikku analüüsi selle rakendamine.
Kuna OS-l on kaks sisendit, on selle lisamiseks OOS-i abil järgmised peamised tüübid (joonis 4):
Joon. 4 OS-i kaasamise põhiskeemid
a) ümberpööramine (Joonis 4, A) - signaal suunatakse ümberpööramissisendisse ja mitteinverteeriv ühendatakse otse tugipotentsiaaliga (ei kasutata);
b) mitte-ümberpööramine (Joonis 4, B) - signaal suunatakse mittepööratavale sisendile ja tagurpidine ühendatakse otse tugipotentsiaaliga (ei kasutata);
c) diferentsiaal (Joonis 4, B) - signaale rakendatakse mõlemale sisendile, nii ümberpööramisele kui ka mittepööramisele.
Nende skeemide toimimise analüüsimiseks tuleks arvestada teine kõige olulisem reegel, mis kuuletub OS-i tööle: Operatiivvõimendi väljund kaldub tagama, et selle sisendite vaheline pinge erinevus oleks null.
Igasugune sõnastus peaks siiski olema vajalik ja piisavpiirata talle alluvate juhtumite kogu alamhulka. Ülaltoodud sõnastus koos kogu „klassitsismiga” ei anna mingit teavet selle kohta, millist sisendit väljund „püüab mõjutada”. Sellest lähtudes selgub, et op-amp näib oma sisendites pinget võrdsustavat, pakkudes neile pinget kuskilt "seestpoolt".
Kui kaalute hoolikalt joonisel fig. 4, võib märkida, et OOS (Roosi kaudu) käivitatakse kõigil juhtudel väljumisest ainult ümberpööratavale sisendile, mis annab meile põhjust seda reeglit ümber sõnastada järgmiselt: Pinge sisse operatsioonisüsteemi väljund, mida hõlmab OOS, püüab tagada, et ümberpööratava sisendi potentsiaal on võrdne mitteinverteeriva sisendi potentsiaaliga.
Selle määratluse põhjal on optilise võimendi mis tahes sisselülitamisel OOS-ga mittejuhtiv sisend "juhtiv" ja inverteeriv sisend on "alluv".
Op-amp-i töö kirjeldamisel nimetatakse selle ümberpööratava sisendi potentsiaali sageli “virtuaalseks nulliks” või “virtuaalseks keskpunktiks”. Ladinakeelse sõna "virtus" tõlge tähendab "kujuteldavat", "kujuteldavat". Virtuaalne objekt käitub sarnaselt materiaalse reaalsuse sarnaste objektide käitumisega, st sisendsignaalide puhul (OOS-i toimingu tõttu) võib ümberpööratavat sisendit pidada otse ühendatuks sama potentsiaaliga, millega mitteinverteeriv sisend on ühendatud. “Virtuaalne null” on aga vaid erijuhtum, mis toimub ainult op-amp-i bipolaarse toite korral. Unipolaarse toiteallika (mida arutatakse allpool) kasutamisel ja paljudes teistes lülitusahelates ei esine sisendite nullist mitte-ümberpööramisel ega ümberpööramisel. Seetõttu lepime kokku, et me ei kasuta seda mõistet, kuna see segab OS-i põhimõtete esialgset mõistmist.
Sellest vaatenurgast analüüsime joonisel fig. 4. Samal ajal eeldame analüüsi lihtsustamiseks, et toitepinged on endiselt bipolaarsed, suurusjärgus võrdsed (ütleme ± 15 V), keskpunktiga (ühine siin või "maa"), mille suhtes loendame sisendi ja väljundpinged. Lisaks viiakse analüüs läbi alalisvoolu abil alalisvoolu väärtuste valimina saab esitada ka vahelduvat signaali igal ajahetkel. Kõigil juhtudel leitakse tagasiside Rooci kaudu op-ampi väljundist selle ümberpööratava sisendini. Erinevus on ainult selles, millistes sisendites sisendpinge rakendatakse.
A) Pööramine kaasamine (joonis 5).
Joon. 5 Op-ampi tööpõhimõte kaasamise ümberpööramisel
Mitteinverteeriva sisendi potentsiaal on , kuna see on ühendatud keskpunktiga (maaga). Sisendtakisti Rin vasakpoolsele klemmile rakendatakse sisendsignaali, mis on +1 V keskpunkti suhtes (alates GB-st). Oletame, et takistus Rooos ja Rin on üksteisega võrdsed ja ulatuvad 1 kOhm (kokku on nende takistus 2 kOhm).
Vastavalt reeglile 2 peab ümberpöörataval sisendil olema sama potentsiaal kui nullitud mitte-ümberpöörataval, st 0 V. Seetõttu rakendatakse Rinile pinget +1 V. Vastavalt Ohmi seadusele voolab sellest läbi vool Minasisse \u003d 1 V / 1000 oomi \u003d 0,001 A (1 mA). Selle voolu voolu suunda näitab nool.
Kuna Rooc ja Rin on jagaja poolt sisse lülitatud ja vastavalt reeglile 1 ei tarbi opvõimendi sisendid voolu, nii et selle jagaja keskpunktis on pinge 0 V, tuleb pinge rakendada Rooci parempoolsele klemmile miinus 1 V ja läbi selle voolav vool Minaoos peaks olema võrdne ka 1 mA. Teisisõnu, Rini vasaku klemmi ja Rooci parema klemmi vahel rakendatakse pinget 2 V ning selle jagaja kaudu voolav vool on 1 mA (2 V / (1 kΩ + 1 kΩ) \u003d 1 mA), s.o. Mina sisse = Mina oos .
Kui sisendile rakendatakse negatiivse polaarsusega pinget, on op-ampi väljundis positiivse polaarsusega pinge. Kõik on sama, ainult nooled, mis näitavad voolu voolu läbi Rooxi ja Rini, suunatakse vastupidises suunas.
Seega, kui Rooose ja Rini väärtused on võrdsed, võrdub op-ampi väljundis olev pinge sisendis oleva pingega suurusjärgus, kuid polaarsusega vastupidine. Ja saime ümberpööramine kordaja . Seda vooluahelat kasutatakse sageli juhul, kui peate pöörduselt signaali ümber lülitama, kasutades ahelaid, mis on põhimõtteliselt muundurid. Näiteks logaritmilised võimendid.
Nüüd, kui Rini nimiväärtus on võrdne 1 kOhm, suurendame Roohsi takistust 2 kOhm-ni sama sisendsignaaliga +1 V. Jagaja Roohs + \u200b\u200bRinuh kogutakistus tõusis 3 kOhm-ni. Selleks, et potentsiaal 0 V (võrdne mitteinverteeriva sisendi potentsiaaliga) püsiks keskpunktis, peab RooC kaudu voolama sama vool (1 mA) kui läbi Rini. Järelikult peaks pingelangus Roosil (pinge op-amp-i väljundis) olema juba 2 V. Op-amp-i väljundis on pinge miinus 2 V.
Suurendage Rooci nimiväärtust 10 kOhm-ni. Nüüd on op-ampi väljundis samadel ülejäänud tingimustel pinge juba 10 V. Vau! Lõpuks saime ümberpööramine võimendi
! Selle väljundpinge on suurem kui sisendpinge (teisisõnu võimendus Ku) mitu korda nii mitu korda, kui takistus Roox on suurem kui takistus Rin. Pole tähtis, kuidas ma luban valemeid mitte kasutada, kuvame selle ikkagi võrrandina:
Ku \u003d - Uout / Uin \u003d - Rooos / Rin. (2)
Võrrandi parempoolse serva murdosa ees olev miinusmärk tähendab ainult seda, et väljundsignaal on sisendiga pöördvõrdeline. Ja ei midagi muud!
Nüüd suurendame Rooose vastupidavust 20 kOhm-ni ja analüüsime, mis juhtub. Valemi (2) kohaselt, kui Ku \u003d 20 ja sisendsignaal on 1 V, oleks väljund pidanud olema pinge 20 V. Kuid seal see oli! Varem tegime eelduse, et meie op-ampi toitepinge on ainult ± 15 V. Kuid isegi 15 V ei saa (miks nii - natuke madalam). "Te ei saa üle pea hüpata (pingeallikas)!" Vooluahela nimiväärtuste kuritarvitamise tagajärjel toetub op-amp väljundpinge toitepingele (op-amp väljund siseneb küllastumiseni). Voolude võrdsuse tasakaal jagaja RoocRvh kaudu ( Minasisse = Minaoos) on rikutud, ümberpööratava sisendi korral ilmub potentsiaal, mis erineb mitteinverteeriva sisendi potentsiaalist. Reegel 2 kaotab kehtivuse.
Sisend vastupanu ümberpööratav võimendi võrdne takistusega Rin, kuna kogu vool sisendsignaali allikast (GB) voolab sellest läbi.
Asendame nüüd konstantse Rooci muutujaga, mille nimiväärtus on 10 kOhm (joonis 6).
Joon. 6 Muudetava võimendusega ümberpööratav võimendi ahel
Selle mootori paremas (vastavalt skeemile) positsioonis on võimendus Rоос / Rin \u003d 10 kОм / 1 кОм \u003d 10. Kui liigutatakse Роос mootorit vasakule (vähendades selle takistust), siis vooluringi võimendus väheneb ja lõpuks, kõige vasakpoolsemas asendis, muutub see nulliks, kuna ülaltoodud valemi lugeja muutub nulli juures mis tahes nimetaja väärtus. Väljund on null ka sisendsignaali mis tahes väärtuse ja polaarsuse korral. Sellist skeemi kasutatakse sageli helisignaalide võimendusskeemides, näiteks mikserites, kus on vaja reguleerida võimendust nullist.
B) Mitte ümberpööramine kaasamine (joonis 7).
Joon. 7 Op-amp-i tööpõhimõte mitte-tagurdava kaasamise puhul
Vasakpoolne klemm Rin on ühendatud keskpunktiga (maapind) ja +1 V sisendsignaal suunatakse otse mitteinverteerivale sisendile. Kuna analüüsi nüansse on eespool närida, pöörame siin tähelepanu ainult olulistele erinevustele.
Analüüsi esimeses etapis eeldame ka, et takistus Rooos ja Rin on üksteisega võrdsed ja ulatuvad 1 kOhm. Sest mitteinverteeriva sisendi korral on potentsiaal +1 V, siis vastavalt reeglile 2 peaks sama potentsiaal (+1 V) olema inverteerimissisendil (näidatud joonisel). Selleks peab Rooci takisti parempoolse klemmi (OU väljund) pinge olema +2 V. Voolud Minasisseja Minaoos1 mA-ga, voolage nüüd läbi takistite Rooc ja Rin vastupidises suunas (näidatud nooltega). Meil on see õnnestunud mitte ümberpööramine võimendi võimendusega 2, kuna sisendsignaal +1 V genereerib väljundsignaali +2 V.
Kummaline, kas pole? Hinded on samad, mis inverteerimisel (ainult erinevus seisneb selles, et signaal suunatakse teisele sisendile) ja võimendus on ilmne. Me selgitame selle välja natuke hiljem.
Nüüd suurendame nominaalset Rooci 2 kOhm-ni. Praeguse tasakaalu säilitamiseks Minasisse = Minaoos ja ümberpööratava sisendi potentsiaal on +1 V, peaks op-amp-i väljund olema juba +3 V. Ku \u003d 3 V / 1 V \u003d 3!
Kui võrrelda Ku väärtusi mitte-tagurpidi sisselülitamisel ümberpööratavaga, Rooci ja Rini samade väärtuste korral, siis selgub, et võimendus on kõigil juhtudel suurem ühe võrra. Me tuletame valemi:
Ku \u003d Uout / Uin + 1 \u003d (Rooos / Rin) + 1 (3)
Miks see juhtub? Jah, väga lihtne! OOS toimib täpselt samamoodi nagu ümberpööratava lüliti puhul, kuid vastavalt reeglile 2 lisatakse mitteinverteeriva sisendi potentsiaalile alati mitteinverteeriva sisendi potentsiaal.
Nii et mittepööratava sisselülitamise korral ei saa te saada võimendust, mis on võrdne 1-ga? Miks mitte - saate küll. Vähendame Rooci nimiväärtust samamoodi nagu analüüsisime joon. 6. Selle nullväärtuse korral - väljundi lühis lühendamine ümberpööratava sisendiga (joonis 8, A), vastavalt reeglile 2, on väljundil selline pinge, et ümberpööratava sisendi potentsiaal on võrdne mitteinverteeriva sisendi potentsiaaliga, see tähendab +1 V. Saame: Ku \u003d 1 V / 1 V \u003d 1 (!) Noh, kuna ümberpööramisvoolu sisend ei kuluta ning selle ja väljundi vahel pole potentsiaalset erinevust, siis selles vooluringis voolu ei voola.
Joon. 8 Pinge jälgijana optilise võimendi sisselülitamise skeem
Loputamine muutub üldiselt ülearuseks, sest see on ühendatud paralleelselt koormusega, millega op-amp väljund peab töötama, ja läbi selle voolab selle väljundvool asjata. Ja mis juhtub, kui lahkume Roocist, kuid eemaldame Rini (joonis 8, B)? Siis amplifikatsiooni valemis Ku \u003d Rooos / Rin + 1 muutub takistus Rin teoreetiliselt lõpmatuslähedaseks (tegelikkuses muidugi mitte, sest tahvlil on lekkeid ja isegi sisend op-amp-vool on tühine, kuid kõik on null see pole võrdne), kus Rooose ja Rini suhe on võrdne nulliga. Vormelisse jääb ainult üks ühik: Ku \u003d + 1. Ja kas selle vooluahela võimendus võib olla väiksem kui ühtsus? Ei, vähem ei tööta mingil juhul. Kitse kõvera võimendusvalemis olev "lisa" ühik ei saa ümber minna ...
Pärast kõigi "ekstra" takistite eemaldamist saame vooluahela mitte-ümberpööramine kordaja näidatud joonisel fig. 8, B
Esmapilgul pole sellisel skeemil praktilist tähendust: miks meil on vaja ühte ja isegi mitte pöördvõrdelist "võimendust" - mida, kas te ei saa lihtsalt edaspidist signaali anda ??? Selliseid skeeme kasutatakse siiski üsna sageli ja sellepärast. Reegli 1 kohaselt ei voola vool opampi sisenditesse, s.t. sisendtakistus mittepööratav repiiter on väga suur - väga kümneid, sadu ja isegi tuhandeid megaohme (sama kehtib vooluringi kohta joonisel 7)! Kuid väljundtakistus on väga väike (oomi osa!). Op-ampi väljund on "kogu oma jõuga puhumine", püüdes vastavalt reeglile 2 säilitada ümberpööratava sisendi puhul sama potentsiaal kui mitte-ümberpööratava sisendi korral. Piirang on ainult op-ampri lubatud väljundvool.
Ja siin sellest kohast oleme pisut külg külje all ja kaalume op-amp väljundvoolude küsimust pisut üksikasjalikumalt.
Enamiku laialt levinud opampide puhul näitavad tehnilised parameetrid, et nende väljundiga ühendatud koormuskindlus ei tohiks olla vähem 2 kOhm. Veel - nii palju kui soovite. Palju väiksema numbri korral on see 1 kOhm (K140UD ...). See tähendab, et halvimates tingimustes: koormusele rakendatakse maksimaalset toitepinget (näiteks ± 16 V või kokku 32 V), väljundi ja ühe toitesiini vahel ühendatud koormust ning vastupidise polaarsusega maksimaalset väljundpinget, pinget umbes 30 V. Sel juhul on selle kaudu kulgev vool: 30 V / 2000 oomi \u003d 0,015 A (15 mA). Mitte nii palju, aga ka mitte liiga palju. Õnneks on enamikul üldotstarbelistel opampidel sisseehitatud kaitse ülevoolu eest - tüüpiline maksimaalne väljundvool on 25 mA. Kaitse hoiab ära op-ampi ülekuumenemise ja rikke.
Kui toitepinge ei ole maksimaalselt lubatud, saab minimaalset koormustakistust proportsionaalselt vähendada. Näiteks toiteallikaga 7,5 ... 8 V (kokku 15 ... 16 V) võib see olla 1 kOhm.
C) Diferentsiaal kaasamine (joonis 9).
Joon. 9 Op-amp tööpõhimõte diferentsiaallülituses
Nii et oletagem, et kui Rini ja Rooose väärtused on võrdsed 1 kOhm, rakendatakse vooluahela mõlemale sisendile sama pinget, mis on võrdne +1 V (joonis 9, A). Kuna takisti Rini mõlemal küljel olevad potentsiaalid on üksteisega võrdsed (takisti kogu pinge on 0), ei voola see läbi voolu. Niisiis, see on võrdne nulliga ja takisti Rooci läbiva vooluga. See tähendab, et need kaks takistit ei täida ühtegi funktsiooni. Tegelikult saime tegelikult mitte-tagurpidi kordaja (võrrelge joonisega 8). Sellest lähtuvalt saame väljundis sama pinge kui mitteinverteeriva sisendi korral, st +1 V. Muutke sisendisignaali polaarsust vooluahela tagurpidi sisendis (keerake GB1 tagurpidi) ja rakendage miinus 1 V (joonis 9, B). Nüüd rakendatakse Rini klemmide vahel pinget 2 V ja selle kaudu voolab vool Minasisse \u003d 2 mA (loodan, et enam pole vaja üksikasjalikult maalida, miks see nii on?). Selle voolu kompenseerimiseks peab Rooosest läbi voolama ka 2 mA vool. Ja selleks peaks op-ampi väljund olema pinge +3 V.
Siin ilmnes mitteinverteeriva võimendi võimenduse valemis täiendava ühtsuse pahatahtlik “irve”. Selgub, et sellega lihtsustatud diferentsiaalse kaasatuse korral nihkub võimenduse erinevus väljundsignaali pidevalt mitteinverteeriva sisendi potentsiaali väärtuse võrra. Probleem, söör! Siiski: "Isegi kui teid söödi, on teil ikkagi vähemalt kaks väljapääsu." Niisiis peame selle lisaühiku “neutraliseerimiseks” kuidagi võrdsustama ümberpööravate ja mitte-tagurdavate lisandite võimenduse.
Selleks rakendame sisendsignaali mitteinverteerivale sisendile mitte otse, vaid läbi jagaja Rin2, R1 (joonis 9, B). Samuti aktsepteerime nende nimiväärtusi 1 kOhm. Nüüd on op-amp mitteinverteeriva (ja seega ka ümberpööratava) sisendi korral potentsiaal +0,5 V, vool voolab sellest läbi (ja Rooc) Minasisse = Minaoos \u003d 0,5 mA, tagamaks, et op-amp-i väljundi pinge peab olema 0 V. Fu-uh! Saavutasime selle, mida tahtsime! Kui signaalid vooluahela mõlemas sisendis on suurusjärgus ja polaarsuses võrdsed (antud juhul +1 V, kuid sama kehtib miinus 1 V ja kõigi muude digitaalsete väärtuste puhul), hoitakse op-amp-i väljundis sisendsignaalide erinevusega võrdne nullpinge .
Kontrolligem seda mõttekäiku, rakendades tagurpidi sisendile negatiivse polaarsuse signaali miinus 1 V (joonis 9, D). Samal ajal Minasisse = Minaoos \u003d 2 mA, mille väljund peaks olema +2 V. Kõik kinnitati! Väljundtase vastab sisendi erinevusele.
Muidugi, Rin1 ja Rooci (vastavalt Rin2 ja R1) võrdsuse korral me amplifikatsiooni ei saa. Selleks on vaja suurendada Rooose ja R1 väärtusi, nagu tehti OS-i varasemate kaasamiste analüüsimisel (ma ei hakka seda kordama), pealegi rangelt suhet täheldatakse:
Roox / Rin1 \u003d R1 / Rin2. (4)
Mis kasu on sellest kaasamisest praktikas? Ja me saame suurepärase omaduse: väljundpinge ei sõltu sisendsignaalide absoluutväärtustest, kui nad on üksteisega võrdsed suuruse ja polaarsusega. Väljastatakse ainult erinevus (diferentsiaal) signaal. See võimaldab võimendada väga väikeseid signaale mõlemal sisendil võrdselt toimivate häirete taustal. Näiteks signaal dünaamilisest mikrofonist 50 Hz toitesagedusvõrgu taustal.
Selles mettünnis on aga salvis kahjuks kärbes. Esiteks tuleb võrdsust (4) järgida väga rangelt (kuni kümnendikud ja mõnikord sajaprotsendilised protsendid!). Vastasel juhul on vooluringis tasakaalustamata voolude tasakaal ja seetõttu võimendatakse lisaks erinevuse ("faasist väljas") signaalidele ka kombineeritud ("faasis") signaale.
Vaatame nende mõistete olemust (joonis 10).
Joon. 10 Signaali faasi nihe
Signaali faas on väärtus, mis iseloomustab signaali võrdlusperioodi nihke võrdlusaja suhtes. Kuna nii aja võrdlus kui ka perioodi võrdlus valitakse meelevaldselt, on etapp üks perioodiline signaalil pole füüsilist tähendust. Kuid nende kahe faasi erinevus perioodiline signaalid on kogus, millel on füüsiline tähendus; see peegeldab ühe signaali viivitust teise suhtes. See, mida peetakse perioodi alguseks, ei oma tähtsust. Perioodi alguseks võite võtta positiivse kaldega nullväärtuse. Võite - maksimaalselt. Kõik on meie võimuses.
Joon. 9, on allikasignaal punane, roheline nihkub allika suhtes ¼ võrra ja sinine on ½ perioodi suhtes. Kui võrrelda punast ja sinist kõverat joonisel fig. 2B, on näha, et need on üksteisega seotud vastupidine. Seega on "faasisignaalid" signaalid, mis langevad igas punktis kokku, ja "faaside signaalid" - vastupidine üksteise suhtes.
Samal ajal kontseptsioon inversioonid laiem kui mõiste faassest viimane kehtib ainult regulaarselt korduvate, perioodiliste signaalide korral. Mõiste inversioonid rakendatav mis tahes signaalidele, sealhulgas mitteperioodilistele, nagu helisignaal, digitaalne jada või püsiv pinge. Et faas oli püsiv kogus, peaks signaal olema perioodiline vähemalt teatud intervalliga. Muidu muutuvad nii faas kui periood matemaatilisteks abstraktsioonideks.
Teiseks, diferentsiaalse kaasamise sisenditel, mis on võrdsed väärtustega Roo \u003d R1 ja Rin1 \u003d Rin2, on ümberpööratavatel ja mitte-ümberpööratavatel sisenditel erinevad sisendtakistused. Kui ümberpööratava sisendi sisendtakistus määratakse ainult Rin1 väärtuse järgi, siis mitteinverteeriva - väärtuste abil järjekindlalt kaasatud Rin2 ja R1 (kas pole unustanud, et op-amp-sisendid ei tarbi voolu?). Ülaltoodud näites on need vastavalt 1 ja 2 kOhm. Ja kui me suurendame Roocit ja R1, et saada täieõiguslik võimenduskaskaad, siis suureneb erinevus veelgi märkimisväärsemalt: Ku \u003d 10 - vastavalt vastavalt samale 1 kOhm ja koguni 11 kOhm!
Kahjuks seatakse praktikas tavaliselt väärtused Rin1 \u003d Rin2 ja Roox \u003d R1. Kuid see on vastuvõetav ainult siis, kui mõlema sisendi signaaliallikad on väga madalad. väljundtakistus. Vastasel juhul moodustab see selle võimendi astme sisendtakistusega jagaja ja kuna selliste “jagajate” jaotuskoefitsient on erinev, on tulemus ilmne: selliste takisti reitingutega diferentsiaalvõimendi ei täida oma funktsiooni summutada ühisrežiimi (kombineeritud) signaale või ei täida seda funktsiooni hästi .
Üks selle probleemi lahendamise viise võib olla op-ampi pöörd- ja mittepööratavate sisenditega ühendatud takistite ebavõrdsus. Nimelt see Rin2 + R1 \u003d Rin1. Teine oluline punkt on võrdõiguslikkuse range järgimise saavutamine (4). Reeglina saavutatakse see R1 jagamisel kaheks takistiks - konstantseks, tavaliselt 90% soovitud väärtusest ja muutujaks (R2), mille takistus on 20% soovitud väärtusest (joonis 11, A).
Joon. 11 Diferentsiaalvõimendi tasakaalustusvõimalused
Tee on üldiselt aktsepteeritud, kuid selle tasakaalustusmeetodi korral muutub see ka juhul, kui mitteinverteeriva sisendi sisendtakistus pisut muutub. Palju stabiilsemaks võimaluseks on häälestustakistuse (R5) lisamine Roociga jadasse (joonis 11, B), kuna Rooc ei osale tagurpidi sisendi sisendtakistuse kujundamisel. Peamine on säilitada nende nimiväärtuste suhe, sarnaselt variandiga A (Roox / Rin1 \u003d R1 / Rin2).
Niipea kui me rääkisime diferentsiaallülitustest ja mainisime kordureid, tahaksin kirjeldada ühte huvitavat vooluahelat (joonis 12).
Joon. 12 ümberlülitatav ümberlülitatav / mitte-ümberpööratav vooluring
Sisendsignaali rakendatakse samaaegselt vooluahela mõlemale sisendile (ümberpööramine ja mittepööramine). Kõigi takistite (Rin1, Rin2 ja Rooc) väärtused on üksteisega võrdsed (sel juhul võtame nende tegelikud väärtused: 10 ... 100 kOhm). Op-amp-i mitte-ümberpööratavat sisestust koos SA-klahviga saab lühendada ühiseks siiniks.
Võtme suletud asendis (joonis 12, A) takisti Rin2 vooluahela töös ei osale (selle kaudu on vool ainult kasutu) Minavkh2 signaaliallikast ühiskassini). Me saame kordaja ümberpööramine võimendusega, mis on võrdne miinus 1 (vt joonis 6). Kuid kui võti SA on avatud (joonis 12, B), saame mittepööratav kordaja võimendusega +1.
Selle vooluahela tööpõhimõtet saab väljendada veidi erineval viisil. Kui SA-võti on suletud, töötab see ümberpööramisvõimendina, mille võimendus on miinus 1, ja kui see on avatud, samal ajal (!) Ja pöördvõimendina võimendusega, miinus 1, ja mitteinverteeritava võimendina võimendusega +2, kust: Ku \u003d +2 + (–1) \u003d +1.
Sellisel kujul saab seda vooluringi kasutada juhul, kui näiteks projekteerimisetapis pole sisendsignaali polaarsus teadmata (näiteks andurilt, millele ei pääse juurde enne seadme seadistamist). Kui kasutate siiski transistorit (näiteks väljaefekti), mida sisendsignaal kontrollib kasutades komparaator (räägime sellest allpool), saame sünkroondetektor (sünkroonne alaldi). Sellise skeemi konkreetne rakendamine ületab muidugi OS-i töö esialgse tutvumise ja me ei võta seda siinkohal jälle üksikasjalikult arvesse.
Ja nüüd vaatame sisendsignaalide liitmise põhimõtet (joonis 13, A) ja samal ajal selgitame välja, millised takistite Rin ja Rooc väärtused peaksid tegelikkuses olema.
Joon. 13 Ümberpööratava lisa tööpõhimõte
Võtame aluseks juba ülalpool kaalutud ümberpööramisvõimendi (joonis 5), ühendame op-amp sisendiga ainult ühe, kuid kaks sisendtakistit Rin1 ja Rin2. Siiani võtame "hariduslikel" eesmärkidel kõigi takistite, sealhulgas Rooci takistuse, mis võrdub 1 kOhm. Vasakule tihvtidele Rin1 ja Rin2 anname sisendsignaalid, mis on võrdsed +1 V. Voolud, mis võrduvad 1 mA vooluga läbi nende takistite (näidatud nooltega, mis näitavad vasakult paremale). Inverteeriva sisendi juures sama potentsiaali säilitamiseks nagu mitteinverteerimisel (0 V) peab Rooci takisti kaudu voolama sisendvoolude summaga (1 mA + 1 mA \u003d 2 mA) võrdne vool, mida tähistab noolega vastassuunas (paremalt vasakule). ), mille jaoks peaks pinge olema miinus 2 V.
Sama tulemuse (väljundpinge miinus 2 V) võib saada, kui ümberpööramisvõimendi sisendile rakendatakse +2 V pinget (joonis 5) või kui Rini väärtus vähendatakse poole võrra, s.t. kuni 500 oomi. Suurendage takisti Rin2 pinget +2 V-ni (joonis 13, B). Väljundis saame pinge miinus 3 V, mis võrdub sisendpingete summaga.
Sisestusi ei saa olla kaks, kuid nii palju kui soovite. Selle vooluahela tööpõhimõte sellest ei muutu: igal juhul on väljundpinge otseselt võrdeline op-ampi pöördemomendi sisendiga ühendatud takistite kaudu läbitavate takistite (pöördvõrdeline nende nimiväärtustega) läbivate voolude algebralise summaga (võttes arvesse tähist!), Sõltumata nende arvust.
Kui aga ümberpööratava summuri sisenditele rakendatakse signaale +1 V ja miinus 1 V (joonis 13, B), siis on nende kaudu voolavad voolud suunatud vastassuunas, need tühistavad üksteise ja väljundiks on 0 V. Sel juhul läbi Rooci takisti. voolu ei voola. Teisisõnu, piki Rooci voolav vool on algebraliselt kokku võetud sisend voolud.
Siit tuleb ka oluline punkt: samal ajal kui tegutsesime väikeste sisendpingetega (1 ... 3 V), võis laia rakendusega OA väljund Rooci jaoks sellist voolu (1 ... 3 mA) pakkuda ja OA väljundiga ühendatud koormusele jäi midagi muud. Kuid kui sisendsignaalide pinget suurendatakse maksimaalse lubatud piirini (toitepinge lähedal), siis selgub, et kogu väljundvool läheb Roocile. Koorma jaoks pole midagi järele jäänud. Ja kes vajab võimenduskaskaadi, mis töötab "iseseisvalt"? Lisaks vajavad sisendtakistite väärtused, mis on võrdsed ainult 1 kOhm-ga (määrates vastavalt ümberpööramisvõimendi astme sisendtakistuse), nende kaudu voolavad liiga suured voolud, laadides tugevalt signaali allikat. Seetõttu on reaalahelates valitud takistus Rin mitte vähem kui 10 kOhm, kuid soovitav on ka mitte üle 100 kOhm, et antud võimendusel mitte panna Rooo nimiväärtust liiga suureks. Kuigi need väärtused ei ole absoluutsed, vaid on ligikaudsed, nagu öeldakse, "esimese lähenduse korral" - kõik sõltub konkreetsest skeemist. Igal juhul on ebasoovitav, kui vool, mis ületab 5 ... 10% selle konkreetse op-ampi maksimaalsest väljundvoolust, voolab läbi Rooose.
Summeeritud signaale saab rakendada ka mitte-ümberpööratava sisendi jaoks. Selgub mittepööratav lisaja. Põhimõtteliselt töötab selline vooluahel täpselt samamoodi nagu tagurpidi summuti, mille väljundiks on signaal, mis on otseselt võrdeline sisendpingetega ja pöördvõrdeline sisendtakistite väärtustega. Kuid praktikas kasutatakse seda palju harvemini, sest sisaldab arvestatavat "reha".
Kuna reegel 2 kehtib ainult ümberpööratava sisendi korral, millel töötab null virtuaalne potentsiaal, on mitteinverteerimisel potentsiaal, mis on võrdne sisendpingete algebralise summaga. Seetõttu mõjutab ühes sisendites saadaolev sisendpinge teistele sisenditele toidetavat pinget. Mitteinverteerival sisendil pole “virtuaalset potentsiaali”! Selle tulemusel peame rakendama täiendavaid vooluringide trikke.
Siiani oleme kaalunud keskkonnakaitsega OS-i skeeme. Ja mis juhtub, kui tagasiside täielikult eemaldatakse? Sel juhul saame komparaator (Joonis 14), st seade, mis võrdleb kahte potentsiaali nende sisendites absoluutväärtuse järgi (ingliskeelsest sõnast võrrelda - võrrelda). Selle väljundis on pinge, mis läheneb ühele toitepingele, sõltuvalt sellest, milline signaalidest on suurem kui teine. Tavaliselt rakendatakse sisendsignaali ühele sisendile ja teisele konstantset pinget, millega seda võrreldakse (nn tugipinge). See võib olla ükskõik milline, ka võrdne nulli potentsiaaliga (joonis 14, B).
Joon. 14 Võrdlusvõimendi sisselülitamise skeem
Kuid kõik pole Taani kuningriigis nii hästi ... Ja mis juhtub, kui sisendite vaheline pinge on null? Teoreetiliselt peaks väljund olema ka , kuid tegelikkuses - mitte kunagi. Kui potentsiaal ühes sisendis kaalub üles vähemalt natuke teise sisendi potentsiaali, siis piisab sellest, kui tekitada kaootilisi pingepingeid juhuslike häirete tõttu, mis osutavad komparaatori sisenditele.
Tegelikult on iga signaal „mürarikas”, sest ideaal ei saa definitsiooni järgi olla. Ja piirkonnas, mis asub sisendite võrdsete potentsiaalide lähedal, ilmub kompressori väljundisse ühe selge lüliti asemel väljundsignaalide komplekt. Selle nähtuse vastu võitlemiseks võetakse sageli kasutusele võrdlusahel hüsterees luues väljundist nõrga positiivse PIC-i mitteinverteerivaks sisendiks (joonis 15).
Joon. 15 PIC-ist tingitud hüstereesiprintsiip võrdluses
Analüüsime selle vooluringi toimimist. Selle võimsuse pinge on ± 10 V (ühtlase konto korral). Vastupidavus Rin on 1 kOhm ja Rpos on 10 kOhm. Keskpunkti potentsiaal valitakse ümberpööratava sisendi toitepingeks. Punane kõver näitab sisendsignaali, mis tuleb vasakpoolsesse tihvti Rin (sisend skeemid komparaator), sinine - potentsiaal op-amp mitteinverteeriva sisendi korral ja roheline - väljundsignaal.
Kuni sisendsignaalil on negatiivne polaarsus, on väljundiks negatiivne pinge, mis Rposi kaudu summeeritakse sisendpingega pöördvõrdeliselt vastavate takistite väärtustega. Selle tulemusel ületab mitteinverteeriva sisendi potentsiaal kogu negatiivsete väärtuste vahemikus 1 V (absoluutväärtuses) sisendsignaali taset. Niipea kui mitteinverteeriva sisendi potentsiaal võrdub inverteeriva potentsiaaliga (sisendsignaali jaoks on see + 1 V), hakkab op-ampi väljundis olev pinge negatiivsest polaarsusest positiivseks muutuma. Mittepööratava sisendi korral algab kogupotentsiaal laviin muutuvad veelgi positiivsemaks, toetades sellise ülemineku protsessi. Selle tulemusel lihtsalt "ei märka" komparaator sisend- ja võrdlussignaalide ebaolulisi müra kõikumisi, kuna need on amplituudiga palju suurusjärke väiksemad kui kirjeldatav potentsiaaliaste "mitte-inverteerivas sisendis" ümberlülituse ajal.
Kui sisendsignaal väheneb, pööratakse komparaatori väljundsignaal sisendpingele miinus 1 V. vastupidiseks. Seda komparaatori väljundiks oleva sisendsignaali taseme erinevust, mis meie puhul on võrdne 2 V, nimetatakse hüsterees. Mida suurem on takistus Rpos Rini suhtes (väiksem POS-i sügavus), seda väiksem on lülitushüsterees. Niisiis, Rpos \u003d 100 kOhm on see ainult 0,2 V ja Rpos \u003d 1 MΩ korral 0,02 V (20 mV). Hüsterees (PIC sügavus) valitakse lähtudes komparaatori tegelikest töötingimustest konkreetses vooluringis. Millises 10 mV on palju ja milles - 2 V on vähe.
Kahjuks ei saa kõiki opti ja mitte kõigil juhtudel kasutada võrdlusena. Analoog- ja digitaalsignaalide sobitamiseks on saadaval spetsiaalsed võrdlusahelad. Mõned neist on mõeldud ühendamiseks digitaalsete TTL-mikroskeemidega (597CA2), osa - digitaalsete ESL-mikroskeemidega (597CA1), kuid enamus on nn "Laia rakendusega komparaatorid" (LM393 / LM339 / K554CA3 / K597CA3). Nende peamine erinevus op-amp-ist on väljundastme spetsiaalne seade, mis on valmistatud avatud kollektoritransistoril (joonis 16).
Joon. 16 Laiavalikute komparaatorite väljundaste
ja selle ühendus koormustakistiga
Selleks on vaja kasutada välist koormustakisti (R1), ilma milleta pole väljundsignaal lihtsalt füüsiliselt võimeline moodustama kõrget (positiivset) väljundtaset. Pinge + U2, millega koormustakisti on ühendatud, võib erineda võrdluskiibi enda toitepingest + U1. See võimaldab lihtsal viisil soovitud taseme väljundsignaali edastada - olgu see siis TTL või CMOS.
Märkus Enamikes komparaatorites, näiteks kahese LM393 (LM193 / LM293) või täpselt sama vooluringis, kuid neljakordseks LM339 (LM139 / LM239), on väljundastme transistori emitter ühendatud negatiivse väljundvõimsusega, mis mõneti piirab nende ulatust. Sellega seoses tahaksin juhtida tähelepanu komparaatorile LM31 (LM111 / LM211), mille analoog on kodumaine 521 / 554CA3, milles nii väljundtransistori kollektor kui ka emitter on eraldi väljundina, mida saab ühendada muude pingetega kui komparaatori enda toitepinge. Selle ainus ja suhteline puudus on see, et 8-pin (mõnikord 14-pin) pakendis on see ainult üks. |
Siiani oleme kaalunud ahelaid, milles sisendsignaal sisestati sisendile (sisenditele) Rini kaudu, s.o. nad olid kõik muundurid sisend pinge sisse puhkepäev pinge sama. Sel juhul voolas sisendvool läbi Rini. Ja mis juhtub, kui selle takistus võetakse võrdseks nulliga? Vooluahel töötab täpselt samamoodi nagu ülalnimetatud ümberpööramisvõimendi, ainult signaaliallika (Rout) väljundtakistus töötab kui Rin ja saame muundur sisend praegune sisse puhkepäev pinge (Joonis 17).
Joon. 17 OS-i voolu ja pinge muunduri skeem
Kuna ümberpööratava sisendi potentsiaal on sama, mis mitteinverteeriva sisendi korral (antud juhul on see “virtuaalne null”), on kogu sisendvool ( Minasisse) voolab Rooci kaudu signaaliallika (G) ja op-amp väljundi vahel. Sellise vooluahela sisendtakistus on nullilähedane, mis võimaldab selle põhjal mikro- / milliamimeetreid ehitada, praktiliselt ei mõjuta piki mõõdetud vooluringi voolavat voolu. Võib-olla on ainus piirang op-ampri lubatud sisendpinge vahemik, mida ei tohiks ületada. Seda kasutades saate ehitada ka näiteks fotodioodi voolu lineaarse muunduri pingeks ja paljudeks muudeks vooluahelateks.
Uurisime OS-i tööpõhimõtteid erinevates skeemides selle kaasamiseks. Üks oluline küsimus jääb: nende toitumine.
Nagu eespool mainitud, on op-amp-l tavaliselt ainult 5 tihvti: kaks sisendit, väljund ja kaks toitetappi, positiivne ja negatiivne. Üldiselt kasutatakse bipolaarset toidet, see tähendab, et toiteallikal on kolm potentsiaaliga väljundit: + U; 0; –U.
Veelkord, kaalume hoolikalt kõiki ülaltoodud arvandmeid ja näeme, et OS-is on keskpunkti eraldi väljund EI ! Nende sisemise vooluahela tööks pole seda lihtsalt vaja. Mõne vooluahela korral oli keskpunktiga ühendatud mittepööratav sisend, kuid see pole reegel.
Seetõttu üleolev enamus kaasaegsed op-võimendid on loodud toiteallikaks ÜHTNE POLAR pingestatud! Tekib loogiline küsimus: “Miks me vajame bipolaarset toitumist”, kui me seda nii püsivalt ja kadestamisväärse püsivusega joonistel kujutame?
Selgub, et see lihtsalt on väga mugav praktilistel eesmärkidel järgmistel põhjustel:
A) Koormuse piisava voolu ja väljundpinge suuruse tagamiseks (joonis 18).
Joon. 18 väljundvoolu vool läbi koormamise erinevate op-ampi toitevõimalustega
Praegu ei võta me arvesse joonisel näidatud vooluahelate sisend- (ja OOS) vooluahelaid (“must kast”). Vaadakem iseenesestmõistetavalt seda, et mõni sisend sinusoidaalne signaal (graafikutel must sinusoid) juhitakse sisendisse ja sama sinusoidsignaal võimendatakse graafikute sisendvärvi sinusoidi suhtes).
Koorma ühendamisel R op-amp-i väljundi ja toiteallikate (GB1 ja GB2) ühendamise keskpunkti vahel - joon. 18A, voolab vool läbi koormuse keskpunkti (vastavalt punase ja sinise poollaine) suhtes sümmeetriliselt ning selle amplituud on maksimaalne ja pinge amplituud on koormusel. ka maksimaalne võimalik - see võib ulatuda peaaegu toitepingeni. Vastava polaarsusega toiteallikast saadav vool suletakse op-ampri Rnag kaudu. ja toiteallikas (punased ja sinised jooned, mis näitavad voolu voolu vastavas suunas).
Kuna op-amp-toiteallikate sisemine takistus on väga väike, on koormust läbiv vool piiratud ainult selle takistuse ja op-amp-i maksimaalse väljundvooluga, mis on tavaliselt 25 mA.
Unipolaarse pinge op-ampi varustamisel kui ühine buss tavaliselt valitakse toiteallika negatiivne (miinus) poolus, mille külge on ühendatud teine \u200b\u200bkoormusterminal (joonis 18, B). Nüüd võib koormusest väljuv vool voolata ainult ühes suunas (punase joonega näidatud), teisest suunast lihtsalt ei tule. Teisisõnu, koormuse kaudu kulgev vool muutub asümmeetriliseks (pulseerivaks).
On võimatu ühemõtteliselt väita, et selline võimalus on halb. Kui koormus on näiteks dünaamiline pea, siis on tema jaoks see halvasti ühemõtteline. Siiski on palju rakendusi, kus koormuse ühendamine op-amp-i väljundi ja ühe toitesiini vahel (tavaliselt negatiivse polaarsusega) pole mitte ainult lubatav, vaid ka ainus võimalik.
Kui sellegipoolest on vaja tagada unipolaarse toiteallikaga koormust läbiva voolu voolu sümmeetria, siis tuleb see galvaaniliselt lahti ühendada op-amp väljundist galvaaniliselt kondensaatori C1 abil (joonis 18, B).
B) Inverteeriva sisendi vajaliku voolu tagamiseks köited sisendsignaalid mõnele suvaliselt valitud tasemel aktsepteeritud etaloniks (null) - alalisvoolu op-amp režiimi seadistamine (joonis 19).
Joon. 19 Sisendallika ühendamine erinevate op-amp-toitevõimalustega
Nüüd kaalume sisendallikate ühendamise võimalusi, välistades koormusühenduse kaalumise.
Ülaltoodud skeemide analüüsimisel vaadeldi ümberpööravate ja mitte-ümberpööratavate sisendite ühendamist jõuallikate ühendamise keskpunktiga (joonis 19, A). Kui mittepööratav voolu sisend ei tarbi ja võtab lihtsalt vastu keskpunkti potentsiaali, siis signaaliallika (G) ja Rini kaudu, ühendatud järjestikku, voolab vool, sulgedes vastava energiaallika! Ja kuna nende sisemine takistus on sisendvooluga võrreldes tühine (palju suurusjärke väiksem kui Rin), ei mõjuta see praktiliselt toitepinget.
Seega on op-ampri ühepolaarse toiteallika abil võimalik R1R2 jaguri abil selle mitteinverteerivasse sisendisse pakutav potentsiaal täiuslikult kujundada (joonis 19, B, C). Selle jagaja tüüpilised takistid on 10 ... 100 kOhm ja madalamal (ühendatud ühise negatiivse siiniga) on väga soovitav kondensaatorit manustada 10 ... 22 mikrofaari võrra, et märkimisväärselt vähendada toiteallika väntsatuste mõju potentsiaalile kunstlik keskpunkt.
Kuid signaaliallikat (G) on selle sisendvoolu tõttu selle kunstliku keskpunktiga ühendamiseks äärmiselt ebasoovitav. Hinnakem. Isegi jagaja reitingute korral R1R2 \u003d 10 kOhm ja Rin \u003d 10 ... 100 kOhm, on sisendvool Minasisse parimal juhul on see 1/10 ja halvimal juhul kuni 100% jagajat läbivast voolust. Seetõttu "mitteinverteeruva sisendi" potentsiaal kombinatsioonis (faasis) sisendsignaaliga "hõljub" sama palju.
Sisendite vahelise mõju välistamiseks alalisvoolu signaalide võimendamise ajal selle sisselülitamise ajal tuleks signaaliallika jaoks (joonis 19, B) korraldada R3R4 takistite moodustatud eraldi tehislik keskpunkti potentsiaal või kui vahelduvvoolu signaali võimendatakse, eraldage signaali allikas galvaaniliselt. kondensaatori C2 ümberpööratavast sisendist (joonis 19, B).
Tuleb märkida, et ülaltoodud skeemide puhul (joonis 18, 19) eeldasime vaikimisi, et väljundsignaal peab olema jõuallikate keskpunkti või tehisliku keskpunkti suhtes sümmeetriline. Tegelikkuses pole see alati vajalik. Üsna sageli on vaja, et väljundsignaalil oleks peamiselt positiivne või negatiivne polaarsus. Seetõttu pole absoluutselt vajalik, et energiaallika positiivsed ja negatiivsed polaarsused oleksid absoluutväärtuses võrdsed. Üks neist võib olla absoluutväärtuses palju väiksem kui teine \u200b\u200b- ainult nii, et tagada operatsioonisüsteemi normaalne toimimine.
Tekib loogiline küsimus: “Ja milline neist?” Sellele vastamiseks kaaluge lühidalt sisend- ja väljundsignaalide lubatud pingevahemikke.
Mis tahes op-ampri puhul ei saa väljundpotentsiaal olla suurem kui positiivse võimsuse siini potentsiaal ja madalam kui negatiivse võimsuse siini potentsiaal. Teisisõnu, väljundpinge ei tohi ületada toitepinget. Näiteks OPA277 op-ampri puhul on väljundpinge koormustakistusega 10 kOhm väiksem kui positiivse võimsusega siini pinge 2 V ja negatiivse võimsuse siini pinge võrra 0,5 V. Nende väljundpinge “surnud tsoonide” laius, millele op-amp väljund ei jõua, sõltub mitmest. tegurid, näiteks väljundastme vooluring, koormustakistus jne). On opampe, milles surnud tsoonid on minimaalsed, näiteks 50 mV toitebussi pingele koormusega 10 kOhm (OPA340 jaoks), seda oppiimi omadust nimetatakse raudteelt raudteele (R2R).
Teisest küljest ei tohiks laia rakendusega optiliste amprite puhul sisendsignaalid ületada toitepinget ja mõnede puhul olla alla 1,5 ... 2 V. Siiski on olemas spetsiifilise sisendiga vooluahelaga optilisi ampreid (näiteks sama LM358 / LM324) , mis ei tööta mitte ainult negatiivse võimsuse tasemelt, vaid isegi „vähendab” seda 0,3 V võrra, mis hõlbustab oluliselt nende kasutamist unipolaarse energia abil ühise negatiivse siiniga.
Lõpuks vaatame ja vaatame neid "ämblikvigu". Võite isegi nuusutada ja lakkuda. Ma luban seda. Mõelge nende kõige tavalisematele võimalustele, mis on algajatele singidele saadaval. Eriti kui peate op-ampi jootma vanadest seadmetest.
Vanade disainilampide puhul, mis iseenesest ergastamise vältimiseks vajavad sageduse korrigeerimiseks väliseid vooluahelaid, oli iseloomulik täiendavate järelduste olemasolu. Seetõttu ei mahtunud mõned optilised võimendid isegi 8-kontaktilisse korpusesse (joonis 20, A) ja need olid valmistatud 12-kontaktilisest ümarast metallist klaasist, näiteks K140UD1, K140UD2, K140UD5 (joonis 20, B) või 14-kontaktilised DIP-paketid, näiteks K140UD20, K157UD2 (joonis 20, C). Lühend DIP on ingliskeelse väljendi “Dual In line Package” lühend ja tõlgitud kui “kahepoolne klemmipakett”.
Ümarat metallklaasist korpust (joonis 20, A, B) kasutati peamise imporditud optiliste amprite jaoks kuni umbes 70ndate keskpaigani ja kodumaiste optiliste amprite jaoks kuni 80ndate keskpaigani ning nüüd kasutatakse seda nn. "Sõjalised" rakendused ("5. vastuvõtmine").
Mõnikord olid kodumaised optilised võimendid paigutatud praegu üsna eksootilistesse juhtumitesse: hübriidi K284UD1 jaoks 15-tihvtine ristkülikukujuline metallklaas (joonis 20, D), milles võtmeks on korpuse täiendav 15. väljund, jm. Tõsi, tasapinnalisi 14-kontaktilisi juhtumeid (joonis 20, D) OS-i paigutamiseks neisse ma pole isiklikult kohanud. Neid kasutati digitaalahelate jaoks.
Joon. 20 Kodumajapidamises kasutatavad operatsioonivõimendid
Kaasaegsed opampid sisaldavad enamasti korrektseid vooluringi otse kiibil, mis võimaldas loobuda minimaalsest arvust järeldustest (näitena 5-pin SOT23-5 ühe oppiini kohta - joonis 23). See võimaldas paigutada kaks või neli täiesti sõltumatut (välja arvatud tavalised toitejuhtmed) ühele korpusele valmistatud kiibile.
Joon. 21 Kaasaegse optilise võimendi kaherealised plastkarbid väljundkinnituseks (DIP)
Mõnikord võite leida optilisi ampreid, mis asuvad üherealistes 8-kontaktilistes (joonis 22) või 9-kontaktilistes pakendites (SIP) - K1005UD1. Lühend SIP on ingliskeelse väljendi “Single In line Package” lühend ja tõlgitakse kui “ühepoolne tihendipakett”.
Joon. 22 Kaherealiste optiliste võimenditega üherealine plastkorpus väljundkinnituseks (SIP-8)
Nende eesmärk oli minimeerida tahvlil hõivatud ruumi, kuid kahjuks jäid need hiljaks: selleks ajaks oli SMD (pinnapealse paigaldusseade) laialt kasutusel, jootmisel otse laudteedele (joonis 23). Algajatele tekitab nende kasutamine aga olulisi raskusi.
Joon. 23 moodsa imporditud pinnapealse optilise võimendi (SMD) kestad
Väga sageli saab tootja sama mikroskeemi erinevatel puhkudel pakendada (joonis 24).
Joon. 24 Võimalused sama mikrokiibi paigutamiseks erinevatel juhtudel
Kõigi mikrolülituste leidmisel on järjestikune numeratsioon, loendades nn "Võti", mis näitab väljundi asukohta numbril 1. (joonis 25). Sisse mis tahes kui teete juhtumi järeldused endalt, nende arv kasvab vastu päripäeva!
Joon. 25 Operatiivvõimendite pinout
erinevatel juhtudel (pinout), pealtvaade;
nummerdamise suunda tähistatakse nooltega
Ümarate metallklaasist korpuste korral on võti külgmise väljaulatuva kujuga (joonis 25, A, B). Selle võtme asukohast alates on võimalikud tohutud rehad! 8-kontaktilistes kodumajapidamistes (302.8) asub võti esimese väljundi vastas (joonis 25, A) ja imporditud TO-5 - kaheksanda väljundi vastas (joonis 25, B). 12 juhtivast juhtumist, nii kodumaisest (302.12) kui ka imporditavast, asub võti vahel esimene ja 12. järeldus.
Tavaliselt on nii ümmarguse metallklaasi kui ka DIP puhul ümberpööratav sisend ühendatud teise väljundiga, mitteinverteeriv sisend kolmandaga, väljund kuuendaga, miinus toide 4. ja pluss toide 7 OU K140UD8, K574UD1 pinoutil on siiski erandeid (veel üks võimalik "reha"!). Neis nihutatakse järelduste numeratsiooni ühe võrra vastupäeva, võrreldes enamiku muude tüüpide jaoks üldiselt aktsepteeritud, s.o. need on leiudega ühendatud, nagu impordihoonetes (joonis 25, B) ja numeratsioon vastab kodumaistele (joonis 25, A).
Viimastel aastatel on suurem osa avalikuks kasutamiseks mõeldud rajatistest paigutatud plastkorpustesse (joon. 21, 25, V-D). Nendel juhtudel on võti kas esimese klemmi vastas asuv süvend (punkt) või korpuse lõpus olev väljalõige esimese ja kaheksanda (DIP-8) või 14. (DIP-14) klemmi vahel või faas piki klemmide esimest poolt (joonis. 21, keskel). Ka järelduste nummerdamine nendel juhtudel läheb korda vastu päripäeva ülalt vaadates (järeldused ise).
Nagu eespool mainitud, on sisemise korrektsiooniga opampidel ainult viis väljundit, millest igast opampist kuulub ainult kolm (kaks sisendit ja väljundit). See võimaldas paigutada kaks täiesti sõltumatut optivat võimendit (välja arvatud pluss- ja miinus toiteallikas, mis nõuab veel kahte juhet) ühele 8-nööbilisele pakendile ühele kiibile (joonis 25, D) ja isegi neli 14-nööbilisse paketi (joonis. 25, D). Selle tulemusel toodetakse praegu enamikku opampe vähemalt kahesugustena, näiteks TL062, TL072, TL082, odavad ja lihtsad LM358 jne. Need on sisestruktuuri osas täpselt samad, kuid neli - vastavalt TL064, TL074, TL084 ja LM324.
LM324 kodumaise analoogi (K1401UD2) osas on veel üks „reha”: kui LM324-s antakse võimsus pluss 4. väljundisse ja miinus 11., siis K1401UD2 on see vastupidi: pluss toide antakse 11. väljundisse ja miinus - 4. päeval. Kuid see erinevus ei tekita juhtmestikuga raskusi. Kuna op-amp-klemmide pinout on täiesti sümmeetriline (joonis 25, E), peate lihtsalt korpust 180 kraadi pöörama, nii et esimene tihvt võtab 8. koha. Ja see selleks.
Paar sõna imporditud optiliste võimendite (ja mitte ainult optide) märgistamise kohta. Esimese 300 digitaalse tähistuse mitme arengu jaoks oli kombeks määrata digitaalkoodi esimeseks numbriks kvaliteedirühm. Näiteks võrdluskomplektid LM158 / LM258 / LM358, LM193 / LM293 / LM393, TL117 / TL217 / TL317 reguleeritavad kolme kontaktiga stabilisaatorid jne on sisestruktuuriga täiesti identsed, kuid erinevad temperatuuri töövahemiku poolest. LM158 (TL117) puhul on töötemperatuuri vahemik miinus 55 kuni +125 ... 150 kraadi Celsiuse järgi (nn lahinguvõime või sõjaline ulatus), LM258 (TL217) puhul - miinus 40 kuni +85 kraadi ("tööstuslik"). vahemik) ja LM358 (TL317) jaoks - 0 kuni +70 kraadi (vahemik „leibkond”). Samal ajal võib nende hind olla sellise astmega täiesti vastuolus või erineda väga vähe ( vääramatu hinnakujunduse teed!). Nii et saate neid osta mis tahes märgistusega, mis on algajale saadaval "tasku jaoks", mitte eriti jälitama esimest "kolme".
Pärast esimese kolmesaja digitaalse märgistuse ammendumist märgistati töökindlusrühmad tähtedega, mille tähendus on nende komponentide andmelehtedes dešifreeritud (andmeleht tõlgib sõna-sõnalt andmetabelit).
Järeldus
Niisiis uurisime op-amp operatsiooni "tähestikku", jäädvustades komparaatoreid natuke. Järgmisena peate õppima lisama nendest tähtedest sõnu, lauseid ja terveid tähendusrikkaid “kompositsioone” (toimivad skeemid).
Kahjuks on "tohutut võimatu omaks võtta." Kui käesolevas artiklis esitatud materjal aitas mõista, kuidas need "mustad kastid" toimivad, siis nende "täitmise", sisendi, väljundi ja üleminekuomaduste mõju analüüsi süvendamine on põhjalikum uurimus. Teave selle kohta on üksikasjalik ja esitatud põhjalikult mitmesuguses olemasolevas kirjanduses. Nagu vanaisa William Ockham ütles: "Te ei tohiks olendeid korrutada kaugemale kui vajalik." Juba hästi kirjeldatud pole vaja korrata. Peate lihtsalt mitte laisad olema ja seda lugema.
11. http://www.texnic.ru/tools/lekcii/electronika/l6/lek_6.html
Las ma siis võtan puhkuse, austusega jne Aleksei Sokolyuk ()