Nem invertáló működési erősítő áramkör. Az erősítő invertálása az op erősítőn. Működési elv

A nem invertáló erősítő talán az analóg elektronika három legelemesebb áramköre, az invertáló erősítő és a feszültségkövető áramkörei mellett. Még egyszerűbb, mint egy invertáló erősítő, mivel a bipoláris energia nem szükséges az áramkör működéséhez.

Vigyázzon a képletben szereplő egységre. Ez azt mondja nekünk, hogy a nem invertáló erősítő mindig 1-nél nagyobb nyereséggel rendelkezik, ami azt jelenti, hogy ezzel az áramkörrel nem lehet a jelet gyengíteni.

Annak érdekében, hogy jobban megértsük, hogyan működik egy nem invertáló erősítő, nézzük meg a bekapcsolt áramkört, és gondoljuk át, hogy mi lesz a kimeneti feszültség.

Először arra kell gondolkodnunk, hogy milyen feszültségek vannak jelen az operációs erősítőnk mindkét bemenetén. Emlékezzen az első olyan szabályra, amely leírja az operációs erősítő működését:

1. szabályszám - az operációs erősítő az OOS-on keresztül továbbítja a bemenetet (negatív visszacsatolás), amelynek eredményeként mindkét bemenet, mind az invertáló (-), mind a nem-invertáló (+) feszültségek kiegyenlítődnek.

Vagyis az invertáló bemenet feszültsége 3V. A következő lépésben nézzük meg a 10 k-os ellenállást. Tudjuk, hogy mi van rajta a feszültség és az ellenállás, ami azt jelenti, hogy kiszámolhatjuk, hogy mely áram áramlik rajta:

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

Ez az áram, a 2. szabály szerint, nem vehető ki az invertáló bemenetből (-), tehát az erősítő kimenetéből származik.

2. szabályszám - az erősítő bemenete nem fogyaszt áramot

300 μA-es áram is átfolyik egy 20 k-os ellenálláson. Az Ohm törvénye alapján könnyen kiszámolhatjuk a rajta lévő feszültséget:

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

Kiderül, hogy ez a feszültség az erősítő kimeneti feszültsége? Nem, nem az. Emlékezzünk arra, hogy a 20 k-os ellenállás egyik végénél 3V feszültség van. Ügyeljen a feszültség irányára mindkét ellenállás között.

Az áram a nyíllal ellentétes irányban folyik, és egy nagyobb feszültségű pontot jelképez. Ezért a kiszámított 6V-hoz további 3V-ot kell hozzáadnia a bemenethez. Ebben az esetben a végeredmény 9 V lesz.

Érdemes megjegyezni, hogy az R1 és R2 ellenállások egyszerűek. Ne felejtse el, hogy az elválasztó egyes ellenállásain alkalmazott feszültségek összegének meg kell egyeznie az elválasztó feszültségével - a feszültség nyom nélkül nem tűnik el, és semmiből nem merülhet fel.

Összefoglalva: az eredményt az utolsó szabály szerint kell ellenőriznünk:

3. szabályszám - a bemenetek és a kimenetek feszültségének az operációs rendszer pozitív és negatív tápfeszültsége között kell lennie.

Vagyis ellenőriznünk kell, hogy az általunk kiszámított feszültség reálisan elérhető-e. A kezdők gyakran azt gondolják, hogy az erősítő úgy működik, mint egy Perpetuum Mobile, és semmiből generál feszültséget. De nem szabad elfelejtenünk, hogy az erősítő működéséhez energiára van szüksége.

A klasszikus erősítők -15 V és + 15 V feszültségen működnek. Ilyen helyzetben az általunk értékelt 9 V a valódi feszültség, mivel a 9 V a tápfeszültség tartományában van. A modern erősítők azonban gyakran 5 V vagy annál alacsonyabb feszültséggel működnek. Ebben az esetben az erősítőnek nincs esélye 9 V-os kimenetre.

Ezért az áramkörök fejlesztésekor mindig szem előtt kell tartani, hogy az elméleti számításokat mindig ellenőrizni kell az alkatrészek valósága és fizikai képességei szempontjából.

A tízezer li út az első lépéssel kezdődik.
  (Kínai közmondás)

Este volt, nem volt semmi tennivaló ... És olyan hirtelen meg akartam forrasztani valamit. Valamilyen ... elektronikus! .. Forrasztható - annyira forrasztható. Van számítógép, csatlakozik az internet. Kiválasztjuk a sémát. És hirtelen kiderül, hogy a tervezett tárgy sémái egy kocsi és egy kis kocsi. És minden más. Nincs tapasztalat, nincs elegendő tudás. Melyiket választani? Néhányuk tartalmaz néhány téglalapot, háromszöget. Erősítők, sőt még működő erősítők is ... Nem működik egyértelműen. Stra-a-ashno! .. Mi lenne, ha kiégne? Ezt az egyszerűbbet választjuk az ismerős tranzisztorokon! Választott, forrasztható, kapcsolja be ... SEGÍTSÉG !!! Nem működik !!! Miért?

Igen, mert "az egyszerűség rosszabb, mint a lopás"! Olyan, mint egy számítógép: a leggyorsabb és legkifinomultabb - játék! És irodai munkához elegendő a legegyszerűbb. Így van a tranzisztorokkal. Nem elegendő egy áramköri forrasztás rajtuk. Azt is képesnek kell lennünk arra, hogy konfiguráljuk. Túl sok buktató és gereblye. És ez gyakran nem igényel tapasztalatot a kezdeti szinten. Tehát hagyja ki az izgalmas tevékenységet? Egyáltalán nem! Csak ne félj e "háromszögektől, téglalapoktól". Kiderült, hogy sok esetben sokkal könnyebb velük dolgozni, mint az egyes tranzisztorokkal. HA TUDJA - HOGYAN!

Itt van ez: ha megértjük, hogyan működik az operációs erősítő (op-amp, vagy angolul OpAmp), most meg fogjuk csinálni. Ugyanakkor munkáját szó szerint „az ujjakon” fogjuk tartani, gyakorlatilag semmilyen képlet nélkül, kivéve talán az Ohm nagyapja törvényének kivételével: „Áram az áramkör egy szakaszán keresztül ( én) közvetlenül arányos a rajta lévő feszültséggel ( U) és fordítva arányos az ellenállásával ( R)»:
I \u003d U / R. (1)

A kezdők számára elvileg nem annyira fontos, hogy az op-amp pontosan pontosan hogyan van elrendezve benne. Feltételezzük, hogy ez egy „fekete doboz”, ahol van néhány töltelék. Ebben a szakaszban nem vesszük figyelembe az op-amp olyan paramétereit, mint „torzító feszültség”, „nyírófeszültség”, „hőmérséklet-eltolódás”, „zajjellemzők”, „a közös üzemmódú komponens elutasítási együtthatója”, „az energiafeszültség hullámainak elnyomási együtthatója”, „pass band „stb Mindezek a paraméterek fontosak lesznek a tanulmánya következő szakaszában, amikor munkájának alapelvei „letelepednek” a fejében arra, hogy „papíron sima volt, de elfelejtett a szakadékokról” ...

Egyelőre azt feltételezzük, hogy az op-amp paraméterek közel állnak az ideálishoz, és csak azt vesszük figyelembe, hogy melyik jel lesz a kimeneten, ha bizonyos jeleket táplálunk a bemenetekre.

Tehát az operációs erősítő (OA) egy differenciális egyenáramú erősítő, két bemenettel (invertáló és nem invertáló) és egy kimenettel. Ezen kívül az op-amp tápfeszültség kimenete: pozitív és negatív. Ez az öt megállapítás 2006 - ban érhető el csaknem   bármilyen op és a munkájához alapvetően szükséges.

A Menedéknek hatalmas nyeresége van, legalább 50 000 ... 100 000, de a valóságban sokkal több. Ezért egy első közelítésben azt is feltételezhetjük, hogy egyenlő a végtelenséggel.

A "differencia" kifejezés (a "különféle" angolul fordítva "különbség", "különbség", "különbség") azt jelenti, hogy az op-amp kimeneti potenciálját kizárólag a bemenetei közötti potenciális különbség befolyásolja, függetlenül   az ő abszolútértékek és polaritás.

A "egyenáram" kifejezés azt jelenti, hogy az op-amp bemeneti jeleket 0 Hz-ről erősíti. Az erősített op-amp jelek felső frekvenciatartománya (frekvenciatartomány) számos okból függ, például a tranzisztorok frekvenciajellemzőitől, amelyekből áll, az op-amp használatával felépített áramkör nyereségétől stb. De ez a kérdés már meghaladja a munkájának kezdeti megismerését, és itt nem foglalkozik vele.

Az op erősítő bemenetek nagyon nagy bemeneti impedanciája tíz / száz MegaOhm vagy akár GigaOhm (csak a emlékezetes K140UD1-ben és még a K140UD5-ben is csak 30 ... 50 kOhm). Egy ilyen nagy bemeneti ellenállás azt jelenti, hogy gyakorlatilag nem befolyásolják a bemeneti jelet.

Ezért az elméleti ideálhoz való nagymértékű közelítés mellett azt feltételezhetjük jelenlegi az op erősítő nem áramlik a bemenetekbe . Ez az az első   egy fontos szabály, amelyet alkalmaznak az op-erősítő működésének elemzésekor. Kérem, emlékezzen rá, hogy ez érinti csak maga az opampde nem rendszerek   alkalmazásával!

Mit jelent az invertáló és nem invertáló kifejezés? Összefüggésben azzal, hogy mi határozza meg az inverziót, és általában milyen „állat” ez - a jel inverzió?

Latinul fordítva, az „inversio” szó egyik jelentése: „csomagolás”, „puccs”. Más szavakkal az inverzió tükörkép ( tükrözés) jel a X vízszintes tengelyhez viszonyítva(időtengely). Ábrán Az 1. ábra a lehetséges jel-inverziós lehetőségek közül többet mutat be, ahol a piros egy közvetlen (bemeneti) jelet, a kék pedig egy fordított (kimeneti) jelet jelent.

Ábra. 1 A jel-inverzió fogalma

Különösen meg kell jegyezni, hogy a nulla vonalig (mint az 1. ábra, A, B ábra) a jel inverziója van nincs csatolva! A jelek fordíthatók és aszimmetrikusak lehetnek. Például, mindkettő csak a pozitív értékek tartományában van (1. ábra, B), ami jellemző a digitális jelekre vagy egypólusú energiára (ezt később tárgyaljuk), vagy mindkettő részben pozitív, és részben negatív régiókban van (1. ábra, B, D). Más lehetőségek is lehetséges. A fő feltétel a kölcsönös kölcsönhatás tükrös   valamilyen önkényesen választott szinthez viszonyítva (például egy mesterséges középpont, amelyet később is tárgyalunk). Más szavakkal polaritás   a jel szintén nem meghatározó tényező.

Képpeljen különféle módokon az opampok fogalmait. Külföldön az operációs rendszereket korábban ábrázolták, és még most is gyakran egyenlő szárú háromszögként ábrázolják (2. ábra, A). Az invertáló bemenetet mínusz szimbólum jelzi, míg a nem invertáló bemenetet a háromszög belsejében található plusz szimbólum jelzi. Ezek a szimbólumok egyáltalán nem jelentik azt, hogy a potenciálnak pozitívabbnak vagy negatívnak kell lennie a megfelelő bemeneten, mint a másikon. Egyszerűen jelzik, hogy a kimeneti potenciál hogyan reagál a bemenetekhez adott potenciálra. Ennek eredményeként könnyen összetéveszthetők a tápvezetékekkel, amelyek váratlan „gereblyé” válhatnak, főleg a kezdők számára.

   Ábra. 2 feltételes grafikus kép változata (UGO)
   operációs erősítők

A GOST 2.759-82 (ST SEV 3336-81) hatálybalépése előtt a háztartási feltételes grafikus képek rendszerében (UGO) az OU-kat szintén háromszög alakban ábrázolták, csak az inverziós bemenetet - az inverziós szimbólummal - egy körrel a kimenet és a háromszög metszéspontjában (2. ábra, B), és most - téglalap formájában (2. ábra, C).

Ha az op-amp-ot jelöli a diagramokon, akkor az invertáló és nem invertáló bemenetek cserélhetők, ha ez kényelmesebb, azonban a hagyományosan invertáló bemenet felül látható, a nem invertáló pedig alul. A tápkábeleknek általában csak az egyetlen módja van (felül pozitív, alul negatív).

Az op-erősítőket szinte mindig használják negatív visszacsatoló (OOS) áramkörökben.

A visszacsatolás az erősítő kimeneti feszültségének egy részének a bemenetére történő betáplálása, ahol azt algebrai módon (figyelembe véve a jelet) összeadva a bemeneti feszültséggel. A jelek összegzésének elvét az alábbiakban tárgyaljuk. Attól függően, hogy az op-amp, melyik bemeneti, invertáló vagy nem invertáló operációs rendszert látja el, megkülönböztetjük a negatív visszacsatolást (OOS), amikor a kimeneti jel egy részét az invertáló bemenethez továbbítják (3. ábra, A), vagy pedig a pozitív visszacsatolást (PIC), ha a kimeneti jelet nem invertáló bemenetre kell továbbítani (3. ábra, B).

Ábra. 3 A visszacsatolás (OS) elve

Az első esetben, mivel a kimeneti jel fordított a bemenethez képest, akkor le kell vonni a bemenetről. Ennek eredményeként csökken a teljes kaszkád nyereség. A második esetben a bemenettel összeadva növekszik a kaszkád általános nyeresége.

Első pillantásra úgy tűnik, hogy a PIC pozitív hatással rendelkezik, és az OOS teljesen haszontalan vállalkozás: miért csökkenti a nyereséget? Pontosan ezt gondolták az amerikai szabadalomvizsgálók, amikor Harold S. Black megpróbáltam   szabadalom OOS. Ugyanakkor a nyereség feláldozásával jelentősen javulunk az áramkör többi fontos paraméterén, mint például a linearitás, a frekvenciatartomány stb. Minél mélyebb az OOS, annál kevesebb a teljes áramkör jellemzői az opamp tulajdonságaitól.

De a PIC-nek (tekintettel a saját hatalmas nyereségére az op-amp-erősítőben) fordított hatása van az áramkör tulajdonságaira, és a legkellemetlenebb dolog az öngerjesztés. Természetesen tudatosan használják, például generátorokban, hiszterézisű komparátorokban (erről később bővebben) stb., De általában az op-amp erősítők erősítő áramköreinek működésére gyakorolt \u200b\u200bhatása meglehetősen negatív, és nagyon óvatos és ésszerű elemzést igényel. alkalmazása.

Mivel az operációs rendszernek két bemenete van, az OOS használatával történő beépítésének a következő fő típusai lehetségesek (4. ábra):

   Ábra. 4 Az operációs rendszer beillesztésének alapvető sémái

a) invertáló   (4. ábra, A) - a jelet az invertáló bemenethez továbbítják, a nem invertálót pedig közvetlenül a referenciapotenciálhoz csatlakoztatják (nem használják);

b) a nem-invertáló   (4. ábra, B) - a jelet egy nem invertáló bemenetre táplálják, és a invertálót közvetlenül a referenciapotenciálhoz csatlakoztatják (nem használják);

c)   differenciális   (4. ábra, B) - a jeleket mindkét bemenetre továbbítják, fordítva és nem invertálva.

E rendszerek működésének elemzésekor figyelembe kell venni második   a legfontosabb a szabály, amely engedelmeskedik az operációs rendszer munkájának: Az operációs erősítő kimenete biztosítja, hogy a bemenetek közötti feszültségkülönbség nulla.

Bármely megfogalmazásnak meg kell lennie szükséges és elegendőaz alárendelt ügyek teljes részhalmazának korlátozása. A fenti megfogalmazás, teljes „klasszicitása” mellett, nem ad információt arról, hogy melyik bemenet közül a kimenet „kíván befolyásolni”. Ebből kiderül, hogy az op-amp erősítő látszólag kiegyenlíti a bemeneteken lévő feszültséget, és valahol "belülről" látja el őket.

Ha alaposan megvizsgálja a 2. ábrán látható ábrákat. A 4. ábrán látható, hogy az OOS-t (Rooson keresztül) minden esetben a kijáratról indítják csak   egy fordító bemenetre, amely indokot ad arra, hogy újrafogalmazzuk ezt a szabályt az alábbiak szerint: Feszültség bekapcsolva az operációs rendszer kimenete, amelyet az OOS fedezi, arra törekszik, hogy az invertáló bemenet potenciálja megegyezzen a nem invertáló bemenet potenciáljával.

E meghatározás alapján az op-amp erősítő bármilyen bekapcsolásakor az „irányító” a nem invertáló bemenet, a „slave” pedig az invertáló bemenet.

Az op-amp működésének leírásakor az invertáló bemenet potenciálját gyakran „virtuális nullának” vagy „virtuális középpontnak” hívják. A "virtus" latin szó fordítása "képzeletbeli", "képzeletbeli" jelentését. A virtuális objektum hasonlóan reagál az anyagi valóság hasonló objektumainak viselkedéséhez, azaz a bemeneti jeleknél (az OOS működése miatt) az invertáló bemenet közvetlenül ugyanahhoz a potenciálhoz kapcsolódik, mint amelyhez a nem invertáló bemenet kapcsolódik. A „virtuális nulla” azonban csak egy speciális eset, amelyre csak az op-amp bipoláris tápellátása esetén kerül sor. Unipoláris tápegység használata esetén (amelyet az alábbiakban tárgyalunk) és sok más kapcsolóáramkörben sem a nullának sem a nem invertáló vagy invertáló bemenetei vannak. Ezért hagyjuk jóvá, hogy ezt a kifejezést nem fogjuk használni, mivel ez akadályozza az operációs rendszer alapelveinek kezdeti megértését.

Ebből a szempontból a 2. ábrán bemutatott sémákat elemezzük. 4. Ugyanakkor az elemzés egyszerűsítése céljából feltételezzük, hogy a tápfeszültségek továbbra is bipolárisak, nagyságrendjükben megegyeznek (mondjuk ± 15 V), egy középpontjával (közös busz vagy föld), amelybe beleszámoljuk a bemenetet és a kimeneti feszültségek. Ezenkívül az elemzést egyenárammal, pl az egyes pillanatokban változó váltakozó jel reprezentálható egyenáram-értékek mintájaként. Minden esetben a Rooc-n keresztüli visszacsatolást az op-amp kimenetétől az invertáló bemenetéig kell megállapítani. A különbség csak abban áll, hogy a bemenetek közül melyikbe kerül a bemeneti feszültség.

A) Invert   beillesztés (5. ábra).

   Ábra. 5 Az op-amp működésének alapelve a beillesztés fordításában

A nem invertáló bemenet potenciálja nulla, mert csatlakozik egy középponthoz (“föld”). A Rin bemeneti ellenállás bal oldali kapcsára egy +1 V-os bemeneti jel kerül a középponthoz képest (GB-től). Tegyük fel, hogy a Rooos és a Rin ellenállás azonosak és 1 kOhm-t tesznek ki (ellenállásuk összesen 2 kOhm).

A 2. szabály szerint az invertáló bemenetnek ugyanannak a potenciálnak kell lennie, mint a nullázott nem invertáló bemenetnek, azaz 0 V. Ezért +1 V feszültséget kell alkalmazni a Rin-re. Ohmi törvény szerint az áramerősség áramlik rajta keresztül énrin.   \u003d 1 V / 1000 ohm \u003d 0,001 A (1 mA). Ennek az áramnak az áramlási irányát egy nyíl jelzi.

Mivel a Rooc-ot és a Rin-t az elválasztó kapcsolja be, és az 1. szabály szerint az op-amp bemenetek nem fogyasztanak áramot, tehát az elválasztó középpontjában a feszültség 0 V, a feszültséget a Rooc jobb oldali csatlakozójára kell alkalmazni. mínusz   1 V, és rajta áramlik az áram éndarazsak   szintén egyenlőnek kell lennie 1 mA-val. Más szavakkal, 2 V feszültség van a Rin bal oldali és a Rooc jobb oldali kapcsa között, és az ezen elválasztón át áramló áram 1 mA (2 V / (1 kΩ + 1 kΩ) \u003d 1 mA), azaz én rin. = én darazsak .

Ha negatív polaritási feszültséget adnak a bemenetre, akkor az op-amp kimenetének pozitív polaritású feszültsége van. Minden ugyanaz, csak a nyilak, amelyek megmutatják a Rooxon és a Rinn áthaladó áramot, az ellenkező irányba mutatnak.

Így a Rooos és a Rin érték egyenlőségével az op-amp kimenetének feszültsége megegyezik a bemeneti feszültség nagyságával, de fordított a polaritással. És megvan invertáló ismétlő . Ezt az áramkört gyakran használják, ha meg kell invertálni a jelet, amely alapvetően inverter áramkörökből származik. Például logaritmikus erősítők.

Ha a Rin névleges értékét 1 kOhm-nél tartjuk, akkor növeljük a Roohs ellenállást 2 kOhm-ra, azonos +1 V bemeneti jelkel. A Roohs + \u200b\u200bRinuh osztó teljes ellenállása 3 kOhm-ra növekedett. Annak érdekében, hogy a 0 V-os potenciál (amely megegyezik a nem invertáló bemenet potenciáljával) a középpontjában maradjon, ugyanazzal az árammal (1 mA) kell áramolnia a RooC-n, mint az Rin-en keresztül. Következésképpen a rooszi feszültségcsökkenésnek (az op-amp kimenetének feszültsége) már 2 V.-nak kell lennie. Az op-amp kimenetén a feszültség mínusz 2 V.

Növelje a Rooc névleges értékét 10 kOhm-ra. Most az op-amp kimenetének feszültsége ugyanazon megmaradt feltételek mellett már 10 V. Wow! Végül megkaptuk invertáló erősítő ! Kimeneti feszültsége meghaladja a bemeneti feszültséget (más szóval, nyereség Ku) sokszor annyiszor, hogy a Roox ellenállás nagyobb, mint a Rin ellenállás. Nem számít, mennyire ígérem, hogy nem alkalmazom a képleteket, továbbra is jelenítsük meg ezt egyenletként:
   Ku \u003d - Uout / Uin \u003d - Rooos / Rin. (2)

Az egyenlet jobb oldalának töredéke előtti mínuszjel csak azt jelenti, hogy a kimeneti jel fordított a bemenethez. És semmi több!

Most növeljük Rooos ellenállását 20 kOhm-ra, és elemezzük, mi történik. A (2) képlet szerint Ku \u003d 20 és 1 V bemeneti jel esetén a kimenetnek 20 V feszültségnek kellett lennie. De ott volt! Korábban azt a feltételezést tettük, hogy op-amp tápfeszültségünk csak ± 15 V. De még 15 V-ot sem lehet elérni (miért van így - kissé alacsonyabb). "Nem ugorhatsz a fejed fölé (feszültségforrás)!" Az áramköri névleges visszaélés eredményeként az op-amp kimeneti feszültség „támaszkodik” a tápfeszültségre (az op-amp kimenet telítettségbe kerül). Az áramok egyenlőségének egyensúlya a RoocRvh elválasztón keresztül ( énrin. = éndarazsak) megsértése, egy potenciál jelenik meg az invertáló bemenetnél, különbözik a nem invertáló bemenet potenciáljától. A 2. szabály megszűnik.

bemenet ellenállás   invertáló erősítő   megegyezik a Rin ellenállással, mert a bemeneti jelforrásból (GB) származó összes áram áthalad rajta.

Most cseréljük ki az állandó Rooc értéket egy változóval, névleges értékével, mondjuk 10 kOhm (6. ábra).

   Ábra. 6 Változtatható erősítésű invertáló erősítő áramkör

Ha motorja jobbra (az ábra szerint) helyezkedik el, akkor a nyereség Rоос / Rin \u003d 10 kОм / 1 кОм \u003d 10. Ha a Роос motort balra mozgatja (csökkenti az ellenállását), akkor az áramkör nyeresége csökken, és végül a bal szélső helyzetében nulla lesz, mivel a fenti képletben a számláló nullára válik a bármilyen   nevező értéke. A kimenet a bemeneti jel bármilyen értékére és polaritására is nulla lesz. Ezt a sémát gyakran használják az audiojelek erősítési sémáiban, például keverőkben, ahol szükség van a nullára történő erősítés beállítására.

B) Nem fordított   beillesztés (7. ábra).

   Ábra. 7 Az op-amp működésének alapelve a invertálatlan inklúzióban

A bal oldali Rin kapcsot a középponthoz (talajhoz) csatlakoztatják, és +1 V bemeneti jel közvetlenül a nem invertáló bemenetre kerül. Mivel az elemzés árnyalatait fent „rágottam”, itt csak a szignifikáns különbségekre fogunk figyelni.

Az elemzés első szakaszában azt is feltételezzük, hogy a Rooos és a Rin ellenállás egyenlő és 1 kOhm. mert nem invertáló bemenetnél a potenciál +1 V, akkor a 2. szabály szerint ugyanazon potenciálnak (+1 V) kell lennie a fordítóbemeneten (az ábrán látható). Ehhez a Rooc ellenállás jobb oldali csatlakozójának (OU kimenet) +2 V feszültségűnek kell lennie. énrin.és éndarazsak1 mA-nak felel meg, most áramoljon át a Rooc és a Rin ellenállásokon az ellenkező irányba (nyilakkal jelölve). Sikerült nem fordított erősítő 2 erősítéssel, mivel a +1 V bemeneti jel +2 V kimeneti jelet generál.

Furcsa, nem? A besorolások megegyeznek az invertáló beillesztéssel (az egyetlen különbség az, hogy a jelet egy másik bemenetre adják), és a nyereség nyilvánvaló. Kicsit később kiderül.

Most növeljük a névleges Rooc értéket 2 kOhm-ra. Az aktuális egyensúly fenntartása énrin. = éndarazsak   és az invertáló bemenet potenciálja +1 V, az op-amp kimenetének már +3 V.-nak kell lennie. Ku \u003d 3 V / 1 V \u003d 3!

Ha összehasonlítjuk a Ku értékeit egy nem invertáló bekapcsoláskor egy invertáló értékkel, Rooc és Rin azonos értékekkel, akkor kiderül, hogy a nyereség minden esetben nagyobb egy-egy. A következő képlet származik:
   Ku \u003d Uout / Uin + 1 \u003d (Rooos / Rin) + 1 (3)

Miért történik ez? Igen, nagyon könnyű! Az OOS pontosan ugyanúgy jár, mint egy invertáló kapcsoló esetén, de a 2. szabály szerint a nem invertáló bemenet potenciálját mindig hozzáadják a invertáló bemenet potenciáljához egy invertáló kapcsolóban.

Tehát nem invertáló bekapcsolással nem kaphat 1-es nyereséget? Miért nem - megteheted. Csökkentsük a Rooc névleges értékét, ugyanúgy, mint az 1. ábrán. 6. Nulla értékén - ha rövid ideig rövidíti a kimenetet az invertáló bemenettel (8. ábra, A), a 2. szabály szerint a kimenet olyan feszültségű lesz, hogy az invertáló bemenet potenciálja megegyezik a nem invertáló bemenet potenciáljával, azaz +1 V-tal. A következőt kapjuk: Ku \u003d 1 V / 1 V \u003d 1   (!) Nos, mivel az invertáló árambemenet nem fogyaszt, és nincs kimeneti potenciálkülönbség, akkor ebben az áramkörben nem áramlik áram.

   Ábra. 8 Az op erősítő bekapcsolásának vázlata feszültség követőként

Az öblítés általában feleslegessé válik, mert párhuzamosan van csatlakoztatva azzal a terheléssel, amelyen az op-amp kimenetnek működnie kell, és rajta keresztül kimeneti áram hiába áramlik. És mi történik, ha elhagyjuk Rooc-ot, de eltávolítjuk a Rint (8. ábra, B)? Ezután a Ku \u003d Rooos / Rin + 1 erősítési képletben a Rin ellenállás elméletileg a végtelenhez közelít (a valóságban természetesen nem, mert szivárgások vannak a táblán, és még a bemeneti op-amp áram elhanyagolható, de minden nulla ez nem egyenlő), ahol a Rooos / Rin arány nulla. Csak egy egység marad a képletben: Ku \u003d + 1. És lehet-e a nyereség kisebb, mint egység ebben az áramkörben? Nem, kevésbé sem fog működni. A kecske görbéjén a nyereségképletben szereplő "extra" egység nem mehet körül ...

Miután eltávolítottuk az összes "extra" ellenállást, kapunk egy áramkört invertáló ismétlő ábrán látható 8, B.

Első pillantásra az ilyen rendszernek nincs gyakorlati jelentősége: miért van szükség egy és még nem inverz „nyereségre” - mi az, nem tudsz csak tovább jelezni ??? Az ilyen rendszereket azonban gyakran használják, és ezért. Az 1. szabály szerint az áram nem áramlik az opamp bemenetekbe, azaz bemeneti impedancia   a nem invertáló ismétlő nagyon nagy - nagyon tíz, száz és akár több ezer megohm (ugyanez vonatkozik a 7. ábrán látható áramkörre)! De a kimeneti impedancia nagyon kicsi (Ohm-frakció!). Az op-amp erősítő kimenete "minden erejével fújás", és a 2. szabály szerint megpróbálja fenntartani az invertáló bemeneten ugyanazt a potenciált, mint a nem invertáló. A korlátozás csak az op-amp erősítő megengedett kimeneti árama.

És ebből a helyről kicsit oldalra vagyunk, és kicsit részletesebben megvizsgáljuk az op-amp kimeneti áramok kérdését.

A legtöbb elterjedt opamp esetében a műszaki paraméterek azt jelzik, hogy a kimenetükhöz kapcsolt terhelési ellenállásnak nem szabadnak lennie kevesebb   2 kOhm. Több - amennyit csak akar. Sokkal kisebb számnál ez 1 kOhm (K140UD ...). Ez azt jelenti, hogy a legrosszabb körülmények között: a maximális tápfeszültséget (például ± 16 V vagy összesen 32 V), a kimenet és az egyik tápegység között összekötött terhelést és az ellentétes polaritású legnagyobb kimeneti feszültséget kb. 30 V. feszültségre kell alkalmazni. Ebben az esetben a rajta áthaladó áram: 30 V / 2000 Ohm \u003d 0,015 A (15 mA). Nem annyira, de nem is túl sokat. Szerencsére a legtöbb általános célú opámpampának van beépített védelme a túláram ellen - a tipikus maximális kimeneti áram 25 mA. A védelem megakadályozza a túlmelegedést és az op-erősítő meghibásodását.

Ha a tápfeszültség nem a megengedett legnagyobb, akkor a minimális terhelési ellenállás arányosan csökkenthető. Például 7,5 ... 8 V (összesen 15 ... 16 V) tápegységgel 1 kOhm lehet.

in) differenciális   beillesztés (9. ábra).

   Ábra. 9 Az op-amp működés elve a differenciál kapcsolásban

Tegyük fel, hogy ha Rin és Rooos értékei azonosak 1 kOhm-rel, akkor az áramkör mindkét bemenetére ugyanazt a +1 V feszültséget kell alkalmazni (9. ábra, A). Mivel a Rin ellenállás mindkét oldalán lévõ potenciálok megegyeznek egymással (az ellenállás feszültsége 0), nem áramlik rajta áram. Tehát egyenlő nullával és a Rooc ellenálláson átáramló árammal. Vagyis ez a két ellenállás nem végez semmilyen funkciót. Valójában nem invertáló ismétlőt kaptunk (összehasonlítsuk a 8. ábrával). Ennek megfelelően a kimeneten ugyanazt a feszültséget kapjuk, mint a nem invertáló bemenetnél, azaz +1 V. Változtassuk meg a bemeneti jel polaritását az áramkör invertáló bemeneténél (fordítsuk fel a GB1 fejjel lefelé), és mínusz 1 V-ot alkalmazzunk (9. ábra, B). Most 2 V feszültség van a Rin kapcsai között, és rajta áram áramlik át énrin   \u003d 2 mA (remélem, hogy már nem kell részletesen festeni, miért így van?). Ennek az áramnak a kompenzálásához 2 mA-os áramnak is át kell mennie a Rooos-on. És ehhez az op-amp kimenetének +3 V feszültségűnek kell lennie.

Itt jelenik meg egy kiegészítő egység rosszindulatú „vigyora” egy nem invertáló erősítő nyereségének képletében. Kiderül, hogy ezzel egyszerűsített   differenciális inklúzió esetén a nyereség különbsége folyamatosan eltolja a kimeneti jelet a nem invertáló bemenet potenciáljának értékével. Probléma, uram! Azonban "Még ha enni is van, akkor is van legalább két kijáratod." Tehát valahogy ki kell egyenlíteni az invertáló és nem invertáló zárványok nyereségét annak érdekében, hogy ezt a kiegészítő egységet „semlegesítsük”.

Ehhez a bemeneti jelet a nem invertáló bemenetre közvetlenül nem közvetlenül, hanem a Rin2, R1 elválasztón keresztül vezetjük (9. ábra, B). 1 kOhm névleges értékeket is elfogadjuk. Most az op-amp nem-invertáló (és ezért invertáló) bemeneténél +0,5 V potenciál lesz, az áram átáramlik rajta (és Rooc) énrin = éndarazsak   \u003d 0,5 mA, annak biztosítása érdekében, hogy az op-amp kimenetének feszültsége 0 V. legyen. Fu-uh! Elértük azt, amit akartunk! Ha a jelek az áramkör mindkét bemenetén nagyságrendben és polaritásban azonosak (ebben az esetben +1 V, de ugyanez igaz a mínusz 1 V-ra és bármely más digitális értékre), akkor a bemeneti jelek különbségével megegyező nulla feszültséget tárolják az op-amp kimenetén. .

Ellenőrizzük ezt az érvelést úgy, hogy negatív polaritási jelet, mínusz 1 V-ot alkalmazunk az invertáló bemenetre (9. ábra, D). Ugyanakkor énrin = éndarazsak   \u003d 2 mA, amelynek a kimenetnek +2 V-nak kell lennie. Minden megerősítésre került! A kimeneti szint megfelel a bemenet közötti különbségnek.

Természetesen a Rin1 és a Rooc (Rin2 és R1) egyenlőségével nem kapunk amplifikációt. Ehhez növelni kell a Rooos és az R1 értékeit, ahogyan azt az operációs rendszer korábbi zárványának elemzésekor is elvégeztük (ezt nem fogom megismételni), ráadásul pontosan   az arány megfigyelt:

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

Milyen hasznosságot élvezhetünk a befogadásból a gyakorlatban? És csodálatos tulajdonságot kapunk: a kimeneti feszültség nem függ a bemeneti jelek abszolút értékétől, ha nagyságban és polaritásban egyenlőek egymással. Csak a különbség (differenciál) jelet adjuk ki. Ez lehetővé teszi a nagyon kicsi jelek erősítését az interferencia háttere mellett, amely mindkét bemeneten azonos módon működik. Például egy dinamikus mikrofonból származó jel az 50 Hz-es frekvenciahálózat hátterében.

Ebben a mézhordóban sajnos légy is a kenőcsben. Először is, az egyenlőséget (4) nagyon szigorúan be kell tartani (akár tized és néha száz százalékig!). Ellenkező esetben az áramkörben fellépő áramok kiegyensúlyozatlanok lesznek, ezért a különbség ("fázison kívüli") jelek mellett az kombinált ("fázisban") jelek is megerősítésre kerülnek.

Nézzük meg ezen fogalmak lényegét (10. ábra).

   Ábra. 10 Jel fáziseltolódása

A jel fázisa olyan érték, amely jellemzi a jel periódusának eltolódását az idõ kezdetéhez viszonyítva. Mivel mind az idő referencia, mind az időszak referencia önkényesen van kiválasztva, az egyik fázisa időszakos   a jelnek nincs fizikai jelentése. Ugyanakkor a kettő fáziskülönbsége időszakos   A jelek olyan mennyiség, amelynek fizikai jelentése van; ez tükrözi az egyik jel késleltetését a másikhoz képest. Az, amit egy időszak kezdetének tekintünk, nem számít. A periódus kezdőpontjára pozitív meredekségű nulla értéket vehet fel. Tudod - maximálisan. Minden a mi erőnkben van.

Ábrán A 9. ábrán látható, hogy a forrásjel vörös, a zöld a forráshoz viszonyított periódus ¼ -jével, a kék pedig az periódus ½-je. Ha összehasonlítjuk a piros és a kék görbéket a 2. ábrán látható görbékkel. A 2B. Ábra szerint látható, hogy kölcsönösen egymással vannak inverz. Tehát az "fázisú jelek" olyan jelek, amelyek minden pontján egybeesnek, és az "antifázisú jelek" - fordított   egymáshoz viszonyítva.

Ugyanakkor a koncepció inverzió   tágabb, mint a koncepció fázismert ez utóbbi csak a rendszeresen ismétlődő, időszakos jelekre vonatkozik. Egy koncepció inverzió alkalmazható bármilyen jelre, ideértve a nem periódikus jeleket is, mint például audiosignal, digitális sorozat vagy állandó feszültség. hogy fázis   konzisztens mennyiség volt, a jelnek legalább bizonyos időközönként periodikusnak kell lennie. Egyébként mind a fázis, mind a szakasz matematikai absztrakciókká alakul.

Másodszor, az invertáló és nem invertáló bemenetek a Roo \u003d R1 és Rin1 \u003d Rin2 egyenlő értékű differenciális beépítésben eltérő bemeneti ellenállással rendelkeznek. Ha az invertáló bemenet ellenállását csak a Rin1 értéke határozza meg, akkor a nem invertáló értékét az értékek határozzák meg egymás után   benne a Rin2 és az R1 (nem felejtették el, hogy az op erősítő bemenetek nem fogyasztanak áramot?). A fenti példában ezek 1, illetve 2 kOhm lesznek. És ha növeljük a Rooc-ot és az R1-et, hogy teljes értékű amplifikációs stádiumot kapjunk, akkor a különbség még jelentősebben növekszik: Ku \u003d 10-nél - akár azonos 1 kOhm-ig, akár 11 kOhm-ig!

Sajnos a gyakorlatban az Rin1 \u003d Rin2 és Roox \u003d R1 értékeket általában beállítják. Ez azonban csak akkor elfogadható, ha mindkét bemenet jelforrása nagyon alacsony. kimeneti impedancia. Ellenkező esetben ez az erősítő szakaszának bemeneti ellenállásával elválasztó egységet képez, és mivel az ilyen “elválasztók” megoszlási együtthatója különbözik, az eredmény nyilvánvaló: az ilyen ellenállás-besorolásokkal rendelkező differenciális erősítő nem fogja ellátni a közös üzemmódú (kombinált) jelek elnyomásának funkcióját, vagy nem fogja ezt a funkciót megfelelően elvégezni .

A probléma megoldásának egyik módja lehet az op-amp erősítő invertáló és nem invertáló bemenetéhez kapcsolt ellenállások értékének egyenlőtlensége. Nevezetesen, hogy Rin2 + R1 \u003d Rin1. Egy másik fontos szempont az egyenlőség szigorú betartásának elérése (4). Rendszerint ezt úgy érik el, ha az R1-et két ellenállásra osztják - állandó, általában a kívánt érték 90% -a és egy változó (R2), amelynek ellenállása a kívánt érték 20% -a (11. ábra, A).

   Ábra. 11 Diferenciális erősítő kiegyensúlyozó beállításai

Az utat általánosan elfogadják, de a kiegyensúlyozás ezen módszerével még akkor is megváltozik, ha egy nem invertáló bemenet bemeneti ellenállása kissé megváltozik. Sokkal stabilabb lehetőség egy hangoló ellenállás (R5) beépítése a Rooc-nal sorba (11. ábra, B), mivel a Rooc nem vesz részt az invertáló bemenet bemeneti ellenállásának kialakításában. A lényeg az, hogy megőrizzék a címletük arányát, hasonlóan az „A” opcióhoz (Roox / Rin1 \u003d R1 / Rin2).

Amint beszéltünk a differenciál kapcsolásról és az ismétlőkről, említettem egy érdekes áramkört (12. ábra).

   Ábra. 12 Kapcsolható invertáló / nem invertáló ismétlő áramkör

A bemeneti jelet egyidejűleg továbbítják az áramkör mindkét bemenetére (invertáló és nem invertáló). Az ellenállások (Rin1, Rin2 és Rooc) értékei azonosak (ebben az esetben a valós értékeket vesszük: 10 ... 100 kOhm). Az op-amp nem-invertáló bemenete az SA-kulcs segítségével rövidíthető egy közös buszra.

A kulcs zárt helyzetében (12. ábra, A) a Rin2 ellenállás nem vesz részt az áramkör működésében (rajta keresztül csak az áram „haszontalan”) énin2   a jelforrástól a közös buszig). Megkapjuk fordító ismétlő   mínusz 1-es nyereséggel (lásd 6. ábra). De amikor az SA kulcs nyitva van (12. ábra, B), megkapjuk nem invertáló ismétlő   +1 nyereséggel.

Ennek az áramkörnek az elvét kissé más módon lehet kifejezni. Ha az SA kulcs bezárva, akkor invertáló erősítőként működik, mínusz 1 erősítéssel, és nyitva van, ugyanakkor   (!), És mint invertáló erősítő erősítéssel, mínusz 1, és nem invertáló erősítővel, erősítéssel +2, honnan: Ku \u003d +2 + (–1) \u003d +1.

Ebben a formában ezt az áramkört akkor lehet használni, ha például a tervezési szakaszban a bemeneti jel polaritása ismeretlen (mondjuk egy olyan érzékelőtől, amelyhez nem lehet hozzáférni, mielőtt a készüléket fel nem állítják). Ha azonban egy tranzisztort (például egy mezőhatást) használ, amelyet a bemeneti jel vezérli a komparátor   (alább fogunk beszélni róla), megkapjuk szinkron detektor   (szinkron egyenirányító). Egy ilyen rendszer konkrét megvalósítása természetesen meghaladja az operációs rendszer munkájának kezdeti megismerését, és itt ismét nem fogjuk ezt részletesebben megvizsgálni.

Most nézzük meg a bemeneti jelek összegzésének elvét (13. ábra, A), és ezzel egyidőben kitaláljuk, hogy a Rin és Rooc ellenállások milyen értékeinek kell lennie a valóságban.

   Ábra. 13 Az invertáló kiegészítés működésének elve

Vegyük alapul a fentebb már megvizsgált invertáló erősítőt (5. ábra), csak egy, de két, Rin1 és Rin2 bemeneti ellenállást csatlakoztatunk az op-amp bemenethez. Eddig "oktatási" célokra minden ellenállás, köztük a Rooc ellenállását 1 kOhm-ral számoltuk. A bal oldali Rin1 és Rin2 csapokra +1 V-os bemeneti jeleket adunk. Az ellenállásokon keresztül 1 mA-os áramlási áramok vannak (balról jobbra mutató nyilakkal jelölve). Annak érdekében, hogy az invertáló bemenetnél ugyanaz a potenciál fennmaradjon, mint a nem invertálásnál (0 V), a bemeneti áramok összegével megegyező áramnak (1 mA + 1 mA \u003d 2 mA) kell áramolnia a Rooc ellenálláson, ellentétes irányba mutató nyíl jelölve (jobbról balra). ), amelynek mínusz 2 V feszültségnek kell lennie.

Ugyanezt az eredményt (kimeneti feszültség mínusz 2 V) lehet elérni, ha +2 V feszültséget adnak az invertáló erősítő bemenetére (5. ábra), vagy a Rin érték felére csökkent, azaz 500 ohmig. Növelje a Rin2 ellenállás feszültségét +2 V-ra (13. ábra, B). A kimeneten mínusz 3 V feszültséget kapunk, amely megegyezik a bemeneti feszültségek összegével.

Nem lehet két bemenet, de annyi, amennyit csak akar. Ezen áramkör működési elve ettől nem változik: mindenesetre a kimeneti feszültség közvetlenül arányos lesz az op-amp fordítójának bemeneti csatlakozójához kapcsolt ellenállásokon áthaladó áramok algebrai összegével (figyelembe véve a jelet!) (Számukkal fordítva arányos), számuktól függetlenül.

Ha azonban a +1 V és mínusz 1 V közötti jeleket alkalmazzák az invertáló kiegészítõ bemeneteire (13. ábra, B), akkor a rajtuk átáramló áramok ellentétes irányba vannak irányítva, egymást megszüntetik, és a kimenet 0 V lesz. Ebben az esetben a Rooc ellenálláson keresztül nem áram áramlik. Más szavakkal, a Rooc mentén folyó áram algebrai összege bemenet   áramlatok.

Itt is fontos kérdés: miközben kis bemeneti feszültséggel (1 ... 3 V) működtünk, a széles körű alkalmazású OA kimenet ilyen áramot (1 ... 3 mA) biztosíthatott a Rooc számára, és valami más maradt az OA kimenethez kapcsolt terhelésnél. Ha azonban a bemeneti jelek feszültségét a megengedett maximálisra növekszik (közel a tápfeszültséghez), akkor kiderül, hogy a teljes kimeneti áram a Rooc-ra megy. A rakománynak semmi sem marad. És kinek kell egy olyan erősítő kaszkád, amely "önmagában" működik? Ezenkívül a bemeneti ellenállásoknak csak 1 kOhm-rel megegyező értékei (az invertáló erősítő fokozatának bemeneti impedanciáját meghatározva) túlzottan nagy áramok áramlását igénylik rajtuk, erősen megterhelve a jelforrást. Ezért a valós áramkörökben a Rin ellenállást legalább 10 kOhm-nél, de lehetőleg legfeljebb 100 kOhm-nál kell kiválasztani, hogy egy adott nyereségnél ne tegyék Rooo-t túl magasra a névleges értéknél. Bár ezek az értékek nem abszolút, hanem csak hozzávetőlegesek, amint mondják: "az első közelítésben" - minden az adott rendszertől függ. Mindenesetre nem kívánatos, ha az adott op-amp erősítő maximális kimeneti áramának 5 ... 10% -át meghaladó áram folyik át a Rooos-on.

Az összesített jelek nem invertáló bemenetekre is alkalmazhatók. Kiderült nem invertáló kiegészítés. Alapvetően egy ilyen áramkör pontosan ugyanúgy fog működni, mint egy invertáló összeadó, amelynek kimenete egy olyan jel lesz, amely közvetlenül arányos a bemeneti feszültséggel és fordítva arányos a bemeneti ellenállások névleges értékével. A gyakorlatban azonban sokkal ritkábban használják, mert tartalmaz egy „rake” -et, amelyet figyelembe kell venni.

Mivel a 2. szabály csak olyan invertáló bemenetre érvényes, amelyre a „nulla virtuális potenciál” hat, a nem invertálás potenciálja megegyezik a bemeneti feszültségek algebrai összegével. Ezért az egyik bemenetnél rendelkezésre álló bemeneti feszültség befolyásolja a többi bemenethez adott feszültséget. A nem invertáló bemenetnél nincs „virtuális potenciál”! Ennek eredményeként további áramköri trükköket kell alkalmaznunk.

Eddig megfontoltuk a környezetvédelemmel kapcsolatos operációs rendszerek rendszereit. És mi történik, ha a visszajelzést teljes mértékben eltávolítják? Ebben az esetben megkapjuk komparátor   (14. ábra), vagyis egy eszköz, amely összehasonlítja a két potenciált bemeneteiknél abszolút értékkel (az angol szóból) hasonlítsa össze - összehasonlítsd). A kimeneten a tápfeszültség egyikéhez közeledő feszültség lesz attól függően, hogy melyik jel nagyobb a másiknál. Általában a bemeneti jelet az egyik bemenetre, a másikra állandó feszültségre vezetik, amellyel összehasonlítják (az úgynevezett "referencia feszültség"). Bármely lehet, beleértve a nulla potenciállal egyenlő is (14. ábra, B).

   Ábra. 14 Az op erősítő komparátorként történő bekapcsolásának vázlata

De a dán királyságban nem minden rendben ... És mi történik, ha a bemenetek közötti feszültség nulla? Az elméletben a outputnak is nullának kell lennie, de a valóságban - soha. Ha az egyik bemenet potenciálja legalább egy kicsit meghaladja a másik potenciálját, akkor ez elég ahhoz, hogy kaotikus feszültségnövekedést okozzon a komparátor bemenetére mutató véletlenszerű zavarok miatt.

A valóságban minden jel „zajos”, mert az ideális definíció szerint nem lehet. És a bemenetek azonos potenciáljának közelében lévő régióban egy kimeneti jelcsomag jelenik meg az összehasonlító kimenetén, nem pedig egy tiszta kapcsoló helyett. Ennek a jelenségnek a leküzdésére gyakran alkalmaznak összehasonlító áramkört hiszterézis   egy gyenge pozitív PIC létrehozásával a kimenetről egy nem invertáló bemenetre (15. ábra).

   Ábra. 15 A hiszterézis elve az összehasonlítóban a PIC miatt

Elemezzük ennek az áramkörnek a működését. Teljesítményének feszültsége ± 10 V (egyenletes számlához). Az ellenállás Rin értéke 1 kOhm, és Rpos értéke 10 kOhm. A középpont potenciálját az invertáló bemenethez megadott referencia feszültségként választjuk meg. A piros görbe azt mutatja, hogy a bal oldali csaphoz (bemenet) bemenő jel jön rendszer   komparátor), kék - potenciál az op-amp nem erősítő bemenetén, zöld - a kimeneti jel.

Mindaddig, amíg a bemeneti jelnek negatív polaritása van, a kimenet negatív feszültség, amelyet Rpos-on keresztül a bemeneti feszültséghez fordított arányban számolnak a megfelelő ellenállások értékével. Ennek eredményeként egy nem-invertáló bemenet potenciálja a negatív értékek teljes tartományában 1 V-os (abszolút értékben) meghaladja a bemeneti jel szintjét. Amint a nem invertáló bemenet potenciálja megegyezik a invertáló potenciáljával (a bemeneti jelnél ez + 1 V lesz), az op-amp kimenetének feszültsége negatív polaritástól pozitívra vált. Elindul a teljes potenciál a nem invertáló bemenetnél lavina még pozitívabbá válnak, támogatva egy ilyen váltás folyamatát. Ennek eredményeként az összehasonlító egyszerűen „nem veszi észre” a bemeneti és a referenciajelek jelentéktelen zajingadozásait, mivel azok sok amplitúdóval kisebb amplitúdóval bírnak, mint a nem invertáló bemeneten a leírt potenciális „lépés” a kapcsolás során.

Ha a bemeneti jel csökken, akkor a komparátor kimeneti jele megfordul, ha a bemeneti feszültség mínusz 1 V. Ezt a komparátor kimenetéhez vezető bemeneti jelszintek közötti különbséget, amely esetünkben 2 V, hívjuk. hiszterézis. Minél nagyobb az Rpos ellenállás Rin-hez viszonyítva (kevesebb POS-mélység), annál kisebb a kapcsolási hiszterézis. Tehát Rpos \u003d 100 kOhm esetén csak 0,2 V lesz, és Rpos \u003d 1 MΩ esetén 0,02 V (20 mV). A hiszterézist (PIC mélység) a komparátor tényleges üzemi körülményei alapján választják ki egy adott áramkörben. Melyik 10 mV-ban sok lesz, és amelyben - 2 V-ban kevés.

Sajnos nem minden op erősítő és nem minden esetben használható komparátorként. Speciális komparátor áramkörök állnak rendelkezésre az analóg és a digitális jelek összehangolására. Néhányuk a digitális TTL-mikroáramkörökhöz (597CA2), részben a digitális ESL-áramkörökhöz (597CA1) való csatlakozásra szakosodott, de a legtöbbjük az úgynevezett "Széles körű alkalmazások" (LM393 / LM339 / K554CA3 / K597CA3). A különbség az op-amp-tól a kimeneti szakasz speciális eszköze, amelyet egy nyitott kollektor tranzisztoron készítenek (16. ábra).

   Ábra. 16 Kimeneti fokozat széles skálájú komparátorokhoz
   és csatlakoztatása egy terhelési ellenálláshoz

Ehhez külső használata szükséges terhelési ellenállás   (R1), amely nélkül a kimeneti jel fizikailag nem képes magas (pozitív) kimeneti szintet létrehozni. A + U2 feszültség, amelyhez a terhelési ellenállás csatlakozik, különbözhet a magának a komparátor chipnek az U1 tápfeszültségétől. Ez lehetővé teszi a kívánt szintű kimeneti jel biztosítását - akár TTL, akár CMOS.

megjegyzés A legtöbb komparátorban, például a kettős LM393 (LM193 / LM293) vagy pontosan ugyanaz az áramkörben, de négyszeres LM339 (LM139 / LM239), a kimeneti fokozatú tranzisztor emittere csatlakozik a negatív teljesítményhez, ami némileg korlátozza azok hatókörét. Ebben a tekintetben szeretném felhívni a figyelmet az LM31 (LM111 / LM211) komparátorra, amelynek analógja a háztartási 521 / 554CA3, amelyben mind a kimeneti tranzisztor kollektorát, mind emitterét külön-külön adják ki, amelyek a feszültségtől eltérő feszültségekhez csatlakoztathatók. Az egyetlen és relatív hátránya, hogy a 8 tűs (néha 14 tűs) csomagban csak egy.

Eddig olyan áramköröket vettünk figyelembe, amelyekben a bemeneti jelet Rin-en keresztül a bemenet (ek) re adták be, azaz mind voltak átalakítók   bemenet feszültség   szabadnap feszültség   ugyanaz. Ebben az esetben a bemenő áram átömlött a Rin-en. És mi fog történni, ha az ellenállását nullával egyenlőnek tekintik? Az áramkör pontosan ugyanúgy fog működni, mint a fent említett invertáló erősítő, csak a jelforrás (Rout) kimeneti impedanciája szolgál Rin-ként, és átalakító   bemenet jelenlegi   -ban   szabadnap feszültség   (17. ábra).

   Ábra. 17 Az áram és a feszültség átalakítójának sémája az operációs rendszeren

Mivel a potenciál az invertáló bemenetnél megegyezik a nem invertáló bemenettel (ebben az esetben „virtuális nulla”), a teljes bemeneti áram ( énrin) a Rooc-on keresztül áramlik a jelforrás (G) és az op-amp kimenet között. Egy ilyen áramkör bemeneti impedanciája nullához közeli, ami lehetővé teszi annak alapján mikrométer / milliméter felépítését, gyakorlatilag nem befolyásolva a mért áramkör mentén áramló áramot. Talán az egyetlen korlátozás az op-erősítő megengedett bemeneti feszültségtartománya, amelyet nem szabad túllépni. Ehhez építhet például egy fotodiodáram feszültségáramra és sok más áramkörre való lineáris konvertert is.

Megvizsgáltuk az operációs rendszer működésének alapelveit különféle sémákban annak beépítésére. Egy fontos kérdés továbbra is fennáll: az ő élelmiszer.

Mint fentebb említettük, az op-amp-nak általában csak 5 érintkezője van: két bemenet, egy kimenet és két teljesítménycsap, pozitív és negatív. Általános esetben bipoláris energiát használnak, vagyis az áramforrásnak három kimenete van potenciállal: + U; 0; -U.

Még egyszer, körültekintően megvizsgáljuk a fenti ábrákat, és látjuk, hogy az operációs rendszerben külön van a középpont kimenete NO ! Belső áramkörük működéséhez egyszerűen nincs rá szükség. Néhány áramkörnél nem invertáló bemenet volt csatlakoztatva a középponthoz, ez azonban nem a szabály.

ezért túlnyomó a többség   A modern op erősítőket energiára tervezték EGYSZERŰ POLAR feszültség! Logikus kérdés merül fel: „Miért van szükségünk bipoláris táplálkozásra?”, Ha olyan kitartóan és irigylésre méltó állandósággal ábrázoltuk a rajzokon?

Kiderül, hogy csak így van nagyon kényelmes   gyakorlati célokra, a következő okok miatt:

A) Annak érdekében, hogy elegendő áramot és a kimeneti feszültség nagyságát biztosítsák a terhelésen keresztül (18. ábra).

   Ábra. 18 A kimeneti áram áramlása a terhelésen keresztül különféle opciókkal az op-amp táplálására

Jelenleg nem vesszük figyelembe az ábrán látható áramkörök bemeneti (és OOS) áramköreit („fekete doboz”). Tegyük fel magától értetődik, hogy bizonyos bemeneti szinuszos jeleket (a gráfok fekete szinuszos jele) betápláljuk a bemenetre, és ugyanazt a szinuszos jelet erősítjük a grafikonok bemeneti színének szinuszos alakjához képest).

Az R teher csatlakoztatásakor az op-amp kimenet és a tápegységek csatlakoztatásának középpontja között (GB1 és GB2) - ábra. A 18A. Ábrán látható, hogy az áram a terhelésen szimmetrikusan áramlik a középponthoz (a vörös és a kék félhullámhoz viszonyítva), amplitúdója maximális, és a feszültség amplitúdója Rload-on van. ugyanakkor a lehető legnagyobb - elérheti szinte a tápfeszültséget. A megfelelő polaritású áramforrásból származó áramot az Rnag op-amp-erősítőn keresztül zárják le. és egy energiaforrás (piros és kék vonal, amely az áram áramlását mutatja a megfelelő irányba).

Mivel az op-amp tápegységek belső ellenállása nagyon kicsi, a terhelésen áthaladó áramot csak annak ellenállása és a maximális op-amper kimeneti áram korlátozza, amely jellemzően 25 mA.

Amikor egy egypólusú feszültségű op-amp-ot táplál, mint közös busz   általában az energiaforrás negatív (mínusz) pólusát választják ki, amelyhez a második terhelő kapcsot csatlakoztatják (18. ábra, B). Most a terhelésen átáramló áram csak egy irányban áramolhat (a piros vonal jelzi), a második iránynak egyszerűen sehova nem kell jönnie. Más szavakkal, a terhelésen áthaladó áram aszimmetrikusvá válik (pulzáló).

Lehetetlen egyértelműen állítani, hogy egy ilyen lehetőség rossz. Ha a terhelés, mondjuk, dinamikus fej, akkor számára ez kevéssé egyértelmű. Számos olyan alkalmazás van, ahol a terhelés nem csak megengedett, hanem az egyetlen lehetséges az op-amp kimenet és az egyik tápegység között (általában negatív polaritású).

Ha ennek ellenére biztosítani kell az egypólusú tápegységgel a terhelésen átáramló áram szimmetriáját, akkor galvanikusan el kell választania az op-amp kimenetről, galvanikusan a C1 kondenzátor segítségével (18. ábra, B).

B) Annak érdekében, hogy biztosítsa a szükséges invertáló bemenetet, valamint a kötő   bemeneti jelek néhánynak önkényesen kiválasztott   szinten, a kapott   referenciaként (nulla) - az op-amp üzemmód beállítása az egyenáramra (19. ábra).

   Ábra. 19 Bemeneti forrás csatlakoztatása különféle op-amp tápellátási lehetőségekkel

Most megvizsgáljuk a bemeneti források csatlakoztatási lehetőségeit, figyelembe véve a terhelési kapcsolatot.

A fenti sémák elemzésekor figyelembe vettük az invertáló és nem invertáló bemenetek csatlakoztatását az energiaforrások csatlakoztatásának középpontjához (19. ábra, A). Ha a nem invertáló árambemenet nem fogyaszt, és egyszerűen elfogadja a középpont potenciálját, akkor a sorosan csatlakoztatott jelforráson (G) és az Rin keresztül az áram folyik, és záródik a megfelelő energiaforráson! Mivel belső ellenállásuk elhanyagolható a bemeneti áramhoz képest (sok nagyságrenddel kevesebb, mint Rin), gyakorlatilag nem befolyásolja a tápfeszültséget.

Így az op-amp egypólusú tápellátása révén az R1R2 elválasztóval tökéletesen megteremthető a nem invertáló bemenetre továbbított potenciál (19. ábra, B, C). Ennek az elválasztónak az ellenállása tipikusan 10 ... 100 kOhm, és az alsó (a közös negatív buszhoz csatlakoztatva) rendkívül kívánatos a kondenzátort 10 ... 22 mikrofaráddal suntani, hogy az áramellátás hullámai potenciálisan jelentősen csökkenjenek. mesterséges   a középpont.

De a (G) jelforrást ugyanolyan bemeneti áram miatt rendkívül nem kívánatos csatlakoztatni ehhez a mesterséges középponthoz. Becsüljük meg. Még az R1R2 \u003d 10 kOhm és Rin \u003d 10 ... 100 kOhm elválasztó osztályok esetén is a bemeneti áram énrin   a legjobb esetben ez az 1/10-es, a legrosszabb esetben pedig az osztón áthaladó áram 100% -áig lesz. Ezért a nem invertáló bemenetnél a potenciál a bemeneti jelhez kombinálva (fázisban) annyira „lebeg”.

Annak érdekében, hogy kiküszöböljük a bemenetek egymásra gyakorolt \u200b\u200bhatását az egyenáramú jelek erősítése során ezen bekapcsolás során, az R3R4 ellenállások által létrehozott külön mesterséges középpontpotenciált el kell helyezni a jelforrás számára (19. ábra, B), vagy ha az AC jelet erősítik, galvanikusan szétválasztják a jelforrást a C2 kondenzátor általi invertáló bemenetből (19. ábra, B).

Meg kell jegyezni, hogy a fenti sémákban (18., 19. ábra) alapértelmezés szerint feltételeztük, hogy a kimeneti jelnek szimmetrikusnak kell lennie az energiaforrások középpontja vagy a mesterséges középpont szempontjából. A valóságban ez nem mindig szükséges. Gyakran szükséges, hogy a kimeneti jel túlnyomórészt pozitív vagy negatív polaritással rendelkezzen. Ezért feltétlenül szükséges, hogy az energiaforrás pozitív és negatív polaritása abszolút értékben egyenlő legyen. Az egyik lehet abszolút értékben sokkal kisebb, mint a másik - csak azért, hogy biztosítsa az operációs rendszer normál működését.

Logikus kérdés merül fel: „És melyik?” Válaszához röviden vegye figyelembe a bemeneti és kimeneti op-amp jelek megengedett feszültségtartományát.

Bármely op-amp esetén a kimeneti potenciál nem lehet magasabb, mint a pozitív teljesítmény busz potenciálja, és alacsonyabb, mint a negatív teljesítmény busz potenciálja. Más szavakkal, a kimeneti feszültség nem haladhatja meg a tápfeszültséget. Például egy OPA277 op-erősítő esetén a 10 kOhm terhelési ellenállású kimeneti feszültség kisebb, mint a pozitív teljesítményű busz feszültsége 2 V-os, a negatív teljesítmény-busz feszültsége pedig 0,5 V-nál. A kimeneti feszültség azon „halott zónáinak” szélessége, amelyeket az op-amp kimenet nem képes elérni, számos tényezők, például a kimeneti szakasz áramköre, terhelési ellenállás stb.). Vannak olyan opampok, amelyekben a holt zónák minimálisak, például 50 mV a betápláló busz feszültségéhez 10 kOhm terhelésnél (az OPA340 esetében), az opamp ezt a tulajdonságát vas-sínre (R2R) hívják.

Másrészt a széles körű alkalmazású erősítők esetén a bemeneti jeleknek sem szabad meghaladniuk a tápfeszültséget, és néhányuknál kevesebbnek kell lenniük 1,5 ... 2 V-nál. Vannak olyan opciós erősítők is, amelyek specifikus bemeneti szakasz áramkört tartalmaznak (például ugyanaz az LM358 / LM324) , amely nemcsak a negatív teljesítmény szintjétől képes működni, hanem még 0,3 V-mal is „mínusz”, ami nagyban megkönnyíti azok használatát egypólusú energiával egy közös negatív buszon.

Végül nézzük meg ezeket a „pókhibákat”. Még szippanthat és nyalhat. Megengedöm. Fontolja meg a kezdő sonkák leggyakoribb lehetőségeit. Különösen akkor, ha az op-amp-ot régi eszközökből kell forrasztani.

A régi kivitelű erősítők esetében, amelyek hiba nélkül külső áramköröket igényelnek a frekvencia korrekciójához az öngerjesztés elkerülése érdekében, további következtetések voltak jellemzőek. Emiatt egyes op-amperek még nem is illeszkedtek a 8 tűs tokba (20. ábra, A), és 12 tűs kerek fémüvegből készültek, például K140UD1, K140UD2, K140UD5 (20. ábra, B) vagy 14 tűs DIP csomagok, például K140UD20, K157UD2 (20. ábra, C). A DIP rövidítés a „Dual In line Package” angol kifejezés rövidítése, és „kétoldalas terminálcsomagként” jelent.

A kerek fémüveg tokot (20. ábra, A, B) főként az importált erősítőkhöz használták a 70-es évek közepéig, a háztartási erősítőkhöz pedig a 80-as évek közepéig, és most az ún. "Katonai" alkalmazások ("5. elfogadás").

Időnként a háziasító erősítőket a jelenleg nagyon egzotikus esetekben helyezték el: egy 15 tűs téglalap alakú fémüveget a K284UD1 hibridhez (20. ábra, D), amelyben a kulcs a ház kiegészítő 15. kimenete, és másokban. Igaz, hogy a sík 14 tűs esetekben (20. ábra, D) az operációs rendszer behelyezéséhez személyesen nem találkoztam. Digitális áramkörökhöz használták őket.

   Ábra. 20 Ház háztartási operációs erősítők

A modern opampok nagyrészt közvetlenül a chipen tartalmaznak korrekciós áramköröket, amelyek lehetővé tették a minimális számú következtetés elhagyását (példaként említhetjük az 5-pólusú SOT23-5-et egyetlen opamp számára - 23. ábra). Ez lehetővé tette két vagy négy teljesen független (a közös tápkábelek kivételével) op-amp erősítők elhelyezését egyetlen chipen egy házban.

   Ábra. 21 Kettős soros műanyag házak modern op erősítővel a kimeneti rögzítéshez (DIP)

Időnként egy soros 8 tűs (22. ábra) vagy 9 tűs csomagban (SIP) elhelyezkedő op-erősítőket találhat - K1005UD1. A SIP rövidítés az „Single In line Package” angol kifejezés rövidítése, és „egyoldalas tűs csomagként” jelent.

   Ábra. 22 Egysoros műanyag ház kettős op-erősítővel a kimeneti rögzítéshez (SIP-8)

Úgy tervezték, hogy minimalizálják a táblán elfoglalt helyet, de sajnos „késtek”: addigra a felület-felszerelő eszközt (SMD) széles körben használtak, közvetlenül a táblák sávjaihoz forrasztva (23. ábra). A kezdők számára azonban használatuk jelentős nehézségeket jelent.

   Ábra. 23 Héja modern importált felületre szerelhető op erősítővel (SMD)

Nagyon gyakran ugyanazt a mikroáramkört a gyártó különféle esetekben „csomagolhatja” (24. ábra).

   Ábra. 24 Lehetőségek ugyanazon mikrochip elhelyezésére különböző esetekben

Az összes mikroáramkör eredményei egymást követő számozással rendelkeznek, az úgynevezettből A "kulcs" jelzi a kimenet helyét az 1. számnál (25. ábra). az bármilyen   ha megteszi az eset következtetéseit magamtól, számuk növekszik ellen óramutató járásával megegyező!

   Ábra. 25 Operatív erősítők beszerelése
   különféle esetekben (pinout) felülnézet;
   a számozási irányt nyilak jelzik

Kerek fémüveg tokokban a kulcs oldalkiütés formájában van (25. ábra, A, B). E kulcs helyétől hatalmas gereblye lehetséges! A 8 tűs háztartási esetekben (302.8) a kulcs az első kimenettel szemben (25. ábra, A), az importált TO-5-nél pedig a nyolcadik kimenettel szemben helyezkedik el (25. ábra, B). 12 vezetős esetekben, mind a belföldi (302.12), mind az importált esetben a kulcs található között   első és 12. következtetés.

Általában egy fordító bemenetet mind a kerek fémüveg, mind a DIP esetekben a 2. kimenethez, a nem invertáló bemenetet a 3. kimenethez, a 6. kimenethez csatlakoztatva, mínusz a 4. betáplálás és plusz a tápellátás a 7.. Vannak kivételek (újabb lehetséges „rake”!) Az OU K140UD8, K574UD1 pinoutában. Ezekben a következtetések számozása egy óramutató járásával ellentétes irányban eltolódik, összehasonlítva a legtöbb más típus általánosan elfogadott értékkel, azaz kapcsolódnak a leletekhez, mint az importépületeknél (25. ábra, B), és a számozás megegyezik a háztartásokkal (25. ábra, A).

Az utóbbi években a legtöbb „lakó” operációs rendszer műanyag tokba került (21., 25. ábra, V-D). Ezekben az esetekben a kulcs vagy egy mélyedés (pont) az első csatlakozóval szemben, vagy egy kivágás az eset végén az első és a 8. (DIP-8) vagy a 14. (DIP-14) terminál között, vagy egy letörés a csatlakozók első fele mentén (2. ábra). 21. oldal közepén). A következtetések számozása ezekben az esetekben is megy ellen óramutató járásával megegyező   felülről nézve (következtetések magadtól).

Mint fentebb említettük, a belső korrekcióval rendelkező opampoknak csak öt kimenete van, ezekből csak három (két bemenet és kimenet) tartozik minden egyes opamphoz. Ez lehetővé tette két teljesen független opciós erősítő (a plusz és mínusz tápegység kivételével, amelyhez még két vezetéket igényelnek) elhelyezését egy 8 tűs csomagban egyetlen chipre (25. ábra, D), sőt négyet egy 14 tűs csomagba (2. ábra). 25, D). Ennek eredményeként jelenleg a legtöbb op-erősítőt legalább kétszeresére állítják elő, például TL062, TL072, TL082, olcsó és egyszerű LM358 stb. Belső felépítésükben pontosan azonosak, de négy - TL064, TL074, TL084 és LM324.

Az LM324 (K1401UD2) hazai analógja vonatkozásában van egy másik „rake”: ha az LM324-ben plusz teljesítmény van a 4. kimenetre, és mínusz a 11. kimenetre, akkor a K1401UD2 esetében ez fordítva: plusz az energia a 11. kimenetre kerül, és mínusz - a 4. Ez a különbség azonban nem okoz semmiféle nehézséget a vezetékeknél. Mivel az op-amp csatlakozók összekötése teljesen szimmetrikus (25. ábra, E), a házot csak 180 fokkal el kell fordítani úgy, hogy az 1. tű a 8. helyet foglalja el. És ennyi.

Néhány szó az importált erősítők (és nem csak az erősítők) jelöléséről. Az első 300 digitális megnevezés számos fejlesztésekor szokás volt egy minőségi csoportot kijelölni a digitális kód első számjegyeként. Például az LM158 / LM258 / LM358 op-amp, az LM193 / LM293 / LM393 komparátorok, a TL117 / TL217 / TL317 állítható három tűs stabilizátorok stb. Belső felépítésükben teljesen azonosak, de hőmérsékleti működési tartományukban különböznek. Az LM158 (TL117) esetében az üzemi hőmérsékleti tartomány mínusz 55 és + 125 ... 150 Celsius fok között van (úgynevezett "harci" vagy katonai tartomány), LM258 esetén (TL217) - mínusz 40 és +85 fok között ("ipari"). tartomány) és az LM358 (TL317) esetében - 0 és +70 fok között („háztartási” tartomány). Ugyanakkor az ár teljesen inkonzisztens lehet egy ilyen fokozattal, vagy nagyon kissé eltérhet ( vitathatatlan árazási utak!). Így megvásárolhatja azokat bármilyen jelöléssel, amely elérhető a kezdőnek a zsebébe, és nem különösképpen az első "három" üldözéséhez.

Az első háromszáz digitális jelölés kimerülése után a megbízhatósági csoportokat betűkkel jelöltük, amelyek jelentését ezen összetevők adatlapjaiban (az adatlap szó szerint „adattábla” fordítja) megfejtjük.

következtetés

Tehát megvizsgáltuk az op-amp művelet "ábécéjét", egy kicsit elfogva az összehasonlítókat. Ezután meg kell tanulnia hozzáfűzni szavakat, mondatokat és egész értelmes „kompozíciókat” (működőképes sémákat) ezekből a „betűkből”.

Sajnos "lehetetlen átfogni a hatalmas". Ha a cikkben bemutatott anyag segített megérteni ezeknek a "fekete dobozoknak" a működését, akkor a "kitöltésük" elemzésének, az input, output és az átmeneti jellemzők befolyásának további elmélyítése egy fejlettebb tanulmány feladata. Erről bővebben és alaposabban ismertetik a különféle meglévő irodalmakat. Ahogy William Ockham nagyapja azt mondta: "Nem szabad szaporodni az entitáson, amire szükség van." Nem szükséges megismételni a már jól leírtt. Csak nem kell lusta lennie, és el kell olvasnia.

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

Akkor engedje meg, hogy tisztelettel stb. Távozzon Alekszej Sokolyuk ()