Neinvertujúci zosilňovač je pravdepodobne jedným z troch najzákladnejších obvodov analógovej elektroniky, spolu s obvodmi invertujúceho zosilňovača a sledovača napätia. Je to dokonca jednoduchšie ako inverzný zosilňovač, pretože na fungovanie obvodu nie je potrebný bipolárny výkon.
Venujte pozornosť jednotke obsiahnutej vo vzorci. Toto hovorí, že neinvertujúci zosilňovač má vždy zisk väčší ako 1, čo znamená, že v tomto obvode nemôžete zoslabiť signál.
Záporná spätná väzba znižuje zisk, ktorý však nie je negatívnym javom a je žiaduci, pretože. Rozširuje rozsah lineárnych operácií, znižuje citlivosť na skreslenie, rozširuje frekvenčnú odozvu, parametre zosilňovača spätnej väzby závisia hlavne od komponentov spätnoväzbových obvodov. Zisk obvodu so spätnoväzbovou slučkou je daný vzorcom.
Preto, aj keď sa operačný zosilňovač vyrába so širokou škálou parametrov, externá spätná väzba kompenzuje rozdiely a rozloženie v konfigurácii bude vždy fungovať rovnako! Nasledujúce predpoklady sa robia na analýzu systémov s operačnými zosilňovačmi.
Aby sme lepšie porozumeli tomu, ako funguje neinvertujúci zosilňovač, pozrime sa na obvod a premýšľajte, aké bude výstupné napätie.
Najprv by sme mali premýšľať o tom, aké napätia sú prítomné na oboch vstupoch nášho operačného zosilňovača. Spomeňte si na prvé z pravidiel, ktoré opisujú činnosť operačného zosilňovača:
Vstupná impedancia je nekonečná, zosilnenie napätia je nekonečné, operačný zosilňovač neprijíma energiu. Pre negatívnu spätnú väzbu, tzv. Reverzibilný zosilňovač je počiatočná konfigurácia pre mnoho ďalších obvodov, takže sa bude považovať za dostatočne podrobný.
Pretože operačný zosilňovač nespotrebúva energiu, rovnaký prúd preteká cez oba odpory. Na druhej strane, potenciály obidvoch vstupov sú rovnaké, a preto z toho vyplýva, že oba vstupy operačného zosilňovača sú v hromadnom potenciáli. V konfigurácii neinvertujúceho zosilňovača je situácia podobná situácii s reverzným zosilňovačom: ten istý prúd tečie cez dva odpory.
Pravidlo č. 1 - operačný zosilňovač vykonáva svoj výstup na vstupe prostredníctvom OOS (negatívna spätná väzba), v dôsledku čoho sa vyrovnávajú napätia na oboch vstupoch, inverzných (-) aj neinvertujúcich (+).
Pretože vstupná impedancia zosilňovača je veľmi veľká, tieto obvody sa používajú na izoláciu zdroja signálu od prijímača. Systémy sa používajú na meranie nízkych prúdov vrátane merania intenzity svetla. Sčítací zosilňovač určuje vážený súčet vstupných napätí. Toto je verzia reverzibilného zosilňovača.
Prúd je súčet vstupných prúdov; Volt na vstupoch operačného zosilňovača je nula. Sub-zosilňovač sa často nazýva diferenciálny. Odpočítava vstupné napätie vo vhodnom pomere v závislosti od hodnoty odporov v systéme.
To znamená, že napätie na invertujúcom vstupe je 3V. V ďalšom kroku sa pozrime na odpor 10 k. Vieme, aké je na ňom napätie a jeho odpor, čo znamená, že môžeme vypočítať, z čoho ním preteká prúd:
I \u003d U / R \u003d 3V / 10k \u003d 300μA.
Tento prúd podľa pravidla 2 nemôže byť odobratý z invertujúceho vstupu (-), takže pochádza z výstupu zosilňovača.
Pravidlo číslo 2 - vstupy zosilňovača nespotrebúvajú prúd
Cez odpor 20 k preteká tiež prúd 300 uA. Napätie na ňom môžeme ľahko vypočítať pomocou Ohmovho zákona:
U \u003d IR \u003d 300μA * 20k \u003d 6V
Ukazuje sa, že toto napätie je výstupné napätie zosilňovača? Nie, nie je. Pripomeňme, že 20k rezistor na jednej z jeho svoriek má napätie 3V. Venujte pozornosť smeru napätia cez oba odpory.
Prúd tečie opačným smerom ako šípka, čo symbolizuje bod s vyšším napätím. Preto do vypočítaného 6V musíte na vstup pridať ďalšie 3V. V tomto prípade bude konečný výsledok 9V.
Je potrebné poznamenať, že rezistory R1 a R2 tvoria jednoduchý odpor. Pamätajte, že súčet napätí na jednotlivých odporoch deliča sa musí rovnať napätiu dodávanému do deliča - napätie nemôže zmiznúť bez stopy a vzniknúť z ničoho iného.
Na záver musíme výsledok overiť pomocou posledného pravidla:
Pravidlo číslo 3 - napätie na vstupoch a výstupoch musí byť v rozsahu medzi kladným a záporným napájacím napätím OS.
To znamená, že je potrebné overiť, či sa nám vypočítané napätie dá získať realisticky. Začiatočníci si často myslia, že zosilňovač funguje ako mobil Perpetuum a generuje napätie od nuly. Musíme si však uvedomiť, že na to, aby zosilňovač fungoval, musíte tiež napájať.
Klasické zosilňovače pracujú pri napätí -15V a + 15V. V takejto situácii je nami určené 9V skutočné napätie, pretože 9V je v rozsahu napájacieho napätia. Moderné zosilňovače však často pracujú s napätím 5 V alebo nižším. V tejto situácii nie je žiadna šanca pre zosilňovač na výstup 9V.
Preto sa pri vývoji obvodov musí vždy pamätať na to, že teoretické výpočty by sa mali vždy porovnávať s realitou a fyzickými schopnosťami komponentov.
Prvým krokom začína desaťtisícová cesta.
(Čínske príslovie)
Bol večer, nemalo sa čo robiť ... A tak som zrazu chcel niečo spájať. Niečo ako ... Elektronika! .. Spájka - tak spájka. K dispozícii je počítač, internet je pripojený. Vyberieme schému. A zrazu sa ukáže, že schémy pre plánovaný subjekt sú vagón a malý vozík. A všetky sú rôzne. Žiadne skúsenosti, málo vedomostí. Ktorý z nich si vybrať? Niektoré z nich obsahujú niektoré obdĺžniky, trojuholníky. Zosilňovače a dokonca aj tie operačné ... Ako fungujú, nie je jasné. Stra-a-ashno! .. Čo keď to vyhorí? Vyberáme to jednoduchšie na známych tranzistoroch! Vyber, spájka, zapni ... POMOC !!! Nefunguje !!! Prečo?
Áno, pretože „Jednoduchosť je horšia ako krádež“! Je to ako počítač: najrýchlejší a najnáročnejší - hranie hier! A pre kancelársku prácu je to najjednoduchšie. Takže je to s tranzistormi. Spájkujeme ich trochou schémou. Musíme to tiež vedieť nakonfigurovať. Príliš veľa nástrah a hrablíc. A to si často vyžaduje skúsenosti v žiadnom prípade na počiatočnej úrovni. Takže ukončite vzrušujúcu aktivitu? Vôbec nie! Nebojte sa týchto „trojuholníkov, obdĺžnikov“. Ukazuje sa, že v mnohých prípadoch je oveľa ľahšie s nimi pracovať ako s jednotlivými tranzistormi. AK VEDOMIE - AKO!
Tu je toto: Keď teraz pochopíme, ako funguje operačný zosilňovač (op-amp alebo anglický OpAmp), urobíme to. Zároveň budeme uvažovať o jeho práci doslova „na prstoch“, prakticky bez použitia akýchkoľvek vzorcov, s výnimkou snáď s výnimkou Ohmovho starého zákona: „Prúd cez obvod ja) je priamo úmerné napätiu na ňom ( U) a je nepriamo úmerná jeho odolnosti ( R)»:
I \u003d U / R. (1)
Pre začiatočníkov v zásade nie je také dôležité, ako presne je operačný zosilňovač usporiadaný vo vnútri. Len to vezmite ako predpoklad, že je to „čierna skrinka“ s nejakou plnkou. V tejto fáze nebudeme brať do úvahy parametre op-amp ako „predpätie napätia“, „šmykové napätie“, „drift teploty“, „hlukové charakteristiky“, „koeficient odmietnutia súčastí v spoločnom režime“, „koeficient potlačenia zvlnenia napájacieho napätia“, „priepustné pásmo“ "atď. Všetky tieto parametre budú dôležité v ďalšej fáze jeho štúdia, keď sa základné princípy jeho práce „usadia“ v hlave pre „hladký papier, ale zabudli na rokliny“ ...
Pre túto chvíľu jednoducho predpokladáme, že parametre operačného zosilňovača sú blízko ideálu a berieme do úvahy iba to, aký signál bude na jeho výstupe, ak sa niektoré signály privedú na jeho vstupy.
Takže operačný zosilňovač (OA) je diferenciálny DC zosilňovač s dvoma vstupmi (invertujúci a neinvertujúci) a jedným výstupom. Okrem nich má operačný zosilňovač výstupné výkony: kladné a záporné. Týchto päť zistení je k dispozícii v roku 2007 takmer akýkoľvek operačný zosilňovač a nevyhnutne potrebný pre jeho prácu.
Úkryt má obrovský zisk najmenej 50 000 ... 100 000, ale v skutočnosti - oveľa viac. Preto v prvej aproximácii môžeme dokonca predpokladať, že sa rovná nekonečnu.
Pojem „rozdielový“ („iný“ sa prekladá z angličtiny ako „rozdiel“, „rozdiel“, „rozdiel“) znamená, že výstupný potenciál operačného zosilňovača je ovplyvňovaný iba potenciálnym rozdielom medzi jeho vstupmi, nezávisle z ich absolútnyhodnoty a polarita.
Termín „jednosmerný prúd“ znamená, že zosilňuje vstupné signály op-amp od 0 Hz. Horný frekvenčný rozsah (frekvenčný rozsah) zosilnených signálov op-amp závisí od mnohých dôvodov, ako sú napríklad frekvenčné charakteristiky tranzistorov, z ktorých pozostáva, zisk obvodu skonštruovaného pomocou op-amp atď. Táto otázka však už presahuje rámec pôvodného oboznámenia sa s jeho prácou a nebude sa tu brať do úvahy.
Vstupy operačného zosilňovača majú veľmi veľký vstupný odpor rovnajúci sa desiatkam / stovkám MegaOhm alebo dokonca GigaOhm (a iba v pamätnom K140UD1 a dokonca aj v K140UD5 to bolo iba 30 ... 50 kOhm). Taký veľký vstupný odpor znamená, že prakticky neovplyvňujú vstupný signál.
Preto s veľkou mierou priblíženia sa k teoretickému ideálu môžeme predpokladať, že prúd operačný zosilňovač neprúdi do vstupov , Toto je prvý dôležité pravidlo, ktoré sa uplatňuje pri analýze činnosti operačného zosilňovača. Žiadam vás, aby ste si dobre pamätali, že sa to týka iba samotný operačný zosilňovačale nie režimy s jeho aplikáciou!
Čo znamenajú pojmy invertujúci a neinvertujúci? V súvislosti s tým, čo sa určuje inverzia, a vo všeobecnosti, aký druh „zvieraťa“ je to - inverzia signálu?
Preložené z latinčiny, jeden z významov slova „inversio“ je „wrapping“, „coup“. Inými slovami inverzia je zrkadlový obraz ( zrkadlenie) signál vzhľadom na horizontálnu os X(časová os). Na obr. Obrázok 1 ukazuje niekoľko z mnohých možných variantov inverzie signálu, kde červená označuje priamy (vstupný) signál a modrá označuje invertovaný (výstupný) signál.
Obr. 1 Koncept inverzie signálu
Zvlášť treba poznamenať, že k nulovej línii (ako na obr. 1, A, B) je inverzia signálu nie je pripojený! Signály môžu byť inverzné a asymetrické. Napríklad, obidve sú iba v oblasti pozitívnych hodnôt (obr. 1, B), čo je typické pre digitálne signály alebo s unipolárnou silou (o tom budeme hovoriť neskôr), alebo obidve čiastočne v pozitívnych a čiastočne v negatívnych oblastiach (obr. 1, B, D). Možné sú aj iné možnosti. Hlavnou podmienkou je ich vzájomná výmena zrkadlové vzhľadom na niektorú svojvoľne zvolenú úroveň (napríklad umelý stred, o ktorom sa bude diskutovať aj neskôr). Inými slovami polarita signál tiež nie je určujúcim faktorom.
Zobrazujte opamps na pojmoch rôznymi spôsobmi. V zahraničí boli OS predtým znázornené a dokonca aj dnes sa často zobrazujú ako rovnoramenný trojuholník (obr. 2, A). Invertujúci vstup je označený symbolom mínus, zatiaľ čo neobrátený vstup je označený symbolom plus vo vnútri trojuholníka. Tieto symboly vôbec neznamenajú, že potenciál musí byť na príslušných vstupoch pozitívnejší alebo negatívnejší ako na druhom. Jednoducho naznačujú, ako výstupný potenciál reaguje na potenciály dodávané na vstupy. V dôsledku toho sa ľahko zamieňajú s elektrickými vodičmi, ktoré sa môžu ukázať ako neočakávané „hrable“, najmä pre začiatočníkov.
Obr. 2 varianty podmienených grafických obrázkov (UGO)
operačné zosilňovače
Pred nadobudnutím účinnosti GOST 2.759-82 (ST SEV 3336-81) boli v systéme domácich podmienených grafických obrazov (UGO) znázornené aj OU vo forme trojuholníka, iba inverzný vstup - pomocou inverzného symbolu - krúžkom v priesečníku výstupu s trojuholníkom (obr. 2, B) a teraz - vo forme obdĺžnika (obr. 2, C).
Pri označovaní operačného zosilňovača v diagrame sa môžu invertujúce a neinvertujúce vstupy zamieňať, ak je to vhodnejšie, tradične invertujúci vstup je zobrazený hore a neinvertujúci - dole. Sila vedie spravidla vždy jedinou cestou (kladná hore, záporná spodná).
Operačné zosilňovače sa takmer vždy používajú v obvodoch s negatívnou spätnou väzbou (OOS).
Spätná väzba je efekt dodávky časti výstupného napätia zosilňovača na jeho vstup, kde je algebraicky (berúc do úvahy znamienko) sčítané so vstupným napätím. Princíp spočítavania signálov bude uvedený nižšie. Podľa toho, ktorý vstup op-amp, invertujúci alebo neinvertujúci, je dodávaný OS, záporná spätná väzba (OOS) sa rozlišuje, keď sa časť výstupného signálu privádza na invertujúci vstup (obr. 3, A) alebo kladná spätná väzba (PIC), keď výstupný signál sa privádza na neinvertujúci vstup (obr. 3, B).
Obr. 3 Princíp formovania spätnej väzby (OS)
V prvom prípade, pretože výstupný signál je vzhľadom na vstup inverzný, odpočíta sa od vstupu. Výsledkom je zníženie celkového kaskádového zisku. V druhom prípade sa sčítaním so vstupom zvyšuje celkový zisk kaskády.
Na prvý pohľad sa môže zdať, že PIC má pozitívny účinok a OOS je úplne zbytočný podnik: prečo znížiť zisk? Presne to si mysleli aj americkí skúšajúci z USA, keď Harold S. Black sa snažil patent OOS. Avšak, obetujúcim ziskom, významne zlepšujeme ďalšie dôležité parametre obvodu, ako je jeho linearita, frekvenčný rozsah, atď. Čím hlbší je OOS, tým menšie charakteristiky celého obvodu závisia od charakteristík zosilňovača.
Ale PIC (vzhľadom na svoj vlastný obrovský zisk v operačnom zosilňovači) má nepriaznivý vplyv na vlastnosti obvodu a najnepríjemnejšou vecou je jeho sebapokojenie. Samozrejme sa používa aj vedome, napríklad v generátoroch, komparátoroch s hysteréziou (viac o tomto neskôr), atď., Ale vo všeobecnosti je jeho účinok na fungovanie zosilňovacích obvodov s op-ampérmi pomerne negatívny a vyžaduje si veľmi starostlivú a primeranú analýzu. jej uplatňovanie.
Pretože operačný systém má dva vstupy, pomocou OOS sú možné tieto hlavné typy jeho začlenenia (obr. 4):
Obr. 4 Základné schémy začlenenia OS
a) invertujúci (Obr. 4, A) - signál je privádzaný na invertujúci vstup a ten, ktorý nie je invertovaný, je pripojený priamo na referenčný potenciál (nepoužitý);
b) neinvertujúci (Obr. 4, B) - signál je privádzaný na neinvertujúci vstup a inverzný je pripojený priamo na referenčný potenciál (nepoužitý);
c) diferenciál (Obr. 4, B) - signály sa privádzajú na vstupy, invertujúce aj neinvertujúce.
Pri analýze fungovania týchto systémov je potrebné vziať do úvahy druhý najdôležitejšie pravidlo, ktorá sa riadi prácou OS: Výstup operačného zosilňovača má tendenciu zaistiť, že rozdiel napätia medzi jeho vstupmi je nula.
Akékoľvek znenie by však malo byť potrebné a dostatočnéobmedziť celú podskupinu prípadov, ktoré sú jej podriadené. Vyššie uvedené znenie so svojou „klasicitou“ neposkytuje žiadne informácie o tom, na ktorých vstupoch sa výstup „snaží ovplyvniť“. Z toho vyplýva, že sa zdá, že operačný zosilňovač vyrovnáva napätie na svojich vstupoch a dodáva im napätie niekde „vnútri“.
Ak starostlivo zvážite diagramy na obr. 4 je možné poznamenať, že OOS (cez Roos) sa vo všetkých prípadoch začína od východu iba na obrátený vstup, čo nám dáva dôvod preformulovať toto pravidlo takto: Napätie zapnuté výstup OS, na ktorý sa vzťahuje OOS, sa snaží zabezpečiť, aby sa potenciál na invertujúcom vstupe rovnal potenciálu na invertujúcom vstupe.
Na základe tejto definície je „predné“ pri každom zapnutí operačného zosilňovača pomocou OOS neinvertujúci vstup a „slave“ je invertujúci vstup.
Pri opise činnosti operačného zosilňovača sa potenciál na jeho invertujúcom vstupe často nazýva „virtuálna nula“ alebo „virtuálny stredný bod“. Preklad latinského slova „virtus“ znamená „imaginárny“, „imaginárny“. Virtuálny objekt sa chová takmer ako správanie podobných objektov materiálnej reality, t. J. Pre vstupné signály (v dôsledku pôsobenia OOS) sa inverzný vstup môže považovať za pripojený priamo k rovnakému potenciálu, ku ktorému je pripojený neinvertujúci vstup. „Virtuálna nula“ je však iba špeciálny prípad, ktorý sa vyskytuje iba pri bipolárnom napájaní operačného zosilňovača. Pri použití unipolárneho zdroja energie (o ktorom sa bude diskutovať ďalej) a v mnohých ďalších spínacích obvodoch nebude nulová hodnota ani na neinvertujúcich, ani invertujúcich vstupoch. Preto súhlasíme, že tento výraz nebudeme používať, pretože narúša počiatočné pochopenie zásad OS.
Z tohto hľadiska budeme analyzovať schémy znázornené na obr. 4. Na zjednodušenie analýzy sa zároveň predpokladá, že napájacie napätie je stále bipolárne, rovnaké vo veľkosti (povedzme ± 15 V), so stredným bodom (spoločná zbernica alebo zem), proti ktorému sa bude počítať vstup. a výstupné napätie. Okrem toho sa analýza vykoná jednosmerným prúdom, ako je napr premenlivý striedavý signál v každom okamihu môže byť tiež reprezentovaný ako vzorka hodnôt jednosmerného prúdu. Vo všetkých prípadoch je spätná väzba cez Rooc stanovená od výstupu operačného zosilňovača k jeho invertujúcemu vstupu. Rozdiel je iba v tom, na ktorých vstupoch je privedené vstupné napätie.
A) invertný inklúzia (obr. 5).
Obr. 5 Princíp činnosti operačného zosilňovača pri invertovaní inklúzie
Potenciál na neinvertujúcom vstupe je nula, pretože je pripojený k stredu („zem“). Na ľavý terminál vstupného odporu Rin sa privádza vstupný signál rovnajúci sa +1 V vzhľadom na stredný bod (z GB). Predpokladajme, že odpor Rooos a Rin sú si navzájom rovné a dosahujú 1 kOhm (celkovo je ich odpor 2 kOhm).
Podľa pravidla 2 musí mať invertujúci vstup rovnaký potenciál ako vynulovaný neinvertujúci, t.j. 0 V. Preto sa na Rin privádza napätie +1 V. Podľa Ohmovho zákona ním bude prúdiť prúd. jarin. \u003d 1 V / 1000 Ohmov \u003d 0,001 A (1 mA). Smer toku tohto prúdu je znázornený šípkou.
Pretože Rooc a Rin sú zapnuté pomocou deliča a podľa pravidla 1 nespĺňajú vstupy operačného zosilňovača prúd, takže napätie v strede tohto deliča je 0 V, musí sa napätie priviesť na pravý terminál Rooc. bez 1 V a prúd ním pretekajúci jaosy by sa tiež mala rovnať 1 mA. Inými slovami, napätie 2 V je aplikované medzi ľavý terminál Rin a pravý terminál Rooc a prúd tečúci cez tento delič je 1 mA (2 V / (1 kΩ + 1 kΩ) \u003d 1 mA), t.j. ja rin. = ja osy .
Ak je na vstup privedené záporné napätie, výstup op-amp bude mať napätie s kladnou polaritou. Všetko je rovnaké, iba šípky ukazujúce tok prúdu cez Roox a Rin budú smerované opačným smerom.
Teda, s rovnosťou hodnôt Rooos a Rin, napätie na výstupe op-amp sa bude rovnať napätiu na jeho vstupe vo veľkosti, ale inverzne v polarite. A dostali sme sa invertujúci repeater , Tento obvod sa často používa, ak potrebujete invertovať signál získaný pomocou obvodov, ktoré sú v zásade invertory. Napríklad logaritmické zosilňovače.
Teraz, pri zachovaní nominálnej hodnoty Rin rovnej 1 kOhm, zvýšime odpor Roohs na 2 kOhm s rovnakým vstupným signálom +1 V. Celkový odpor deliča Roohs + \u200b\u200bRinuh sa zvýšil na 3 kOhm. Aby potenciál 0 V (rovný potenciálu neinvertujúceho vstupu) zostal v jeho strede, musí prúdiť cez RooC rovnaký prúd (1 mA) ako cez Rin. V dôsledku toho by pokles napätia pri Roose (napätie na výstupe op-amp) mal byť už 2 V. Na výstupe op-amp je napätie mínus 2 V.
Zvýšte nominálnu hodnotu Rooc na 10 kOhm. Teraz je napätie na výstupe operačného zosilňovača za rovnakých zvyšných podmienok už 10 V. Wow! Nakoniec sme sa dostali invertujúci zosilňovač
! Jeho výstupné napätie je vyššie ako vstupné napätie (inými slovami zisk Ku) toľkokrát, koľkokrát je odpor Roox väčší ako odpor Rin. Bez ohľadu na to, ako sľubujem, že sa vzorce nepoužijú, ukážme to stále ako rovnicu:
Ku \u003d - Uout / Uin \u003d - Rooos / Rin. (2)
Znamienko mínus pred zlomkom pravej strany rovnice znamená iba to, že výstupný signál je inverzný k vstupu. A nič viac!
Teraz zvýšime odolnosť Rooosa na 20 kOhm a analyzujeme, čo sa stane. Podľa vzorca (2), s Ku \u003d 20 a vstupným signálom 1 V, výstupom malo byť napätie 20 V. Ale tam to bolo! Predtým sme predpokladali, že napájacie napätie nášho operačného zosilňovača je iba ± 15 V. Ale ani 15 V sa nedá získať (prečo je to - o niečo nižšie). "Nemôžete skočiť nad hlavu (napájanie)!" V dôsledku takéhoto zneužitia pri obvode výstupné napätie op-amp „leží“ na napájacom napätí (výstup op-amp vstupuje do saturácie). Zostatok rovnosti prúdov prostredníctvom deliča RoocRvh ( jarin. = jaosy) je narušený, potenciál sa objaví na invertujúcom vstupe, odlišný od potenciálu na invertujúcom vstupe. Pravidlo 2 sa prestane uplatňovať.
vstup odpor invertujúci zosilňovač rovná odporu Rin, pretože ním preteká všetok prúd zo zdroja vstupného signálu (GB).
Teraz nahradme konštantný Rooc premennou s menovitou hodnotou, povedzme 10 kOhm (obr. 6).
Obr. 6 Obvod zosilňovača s meniteľným ziskom
Pri správnej polohe motora (podľa nákresu) bude zisk Rоос / Rin \u003d 10 kОм / 1 кОм \u003d 10. Pohybom motora Роос doľava (znížením jeho odporu) sa zisk obvodu zníži a nakoniec v jeho krajnej ľavej polohe bude nulový, pretože čitateľ vo vyššie uvedenom vzorci sa na nule rovná nule akýkoľvek hodnota menovateľa. Výstup bude nulový aj pre každú hodnotu a polaritu vstupného signálu. Takáto schéma sa často používa v schémach zosilnenia zvukových signálov, napríklad v mixéri, kde je potrebné upraviť zisk od nuly.
B) Bez invertovania inklúzia (obr. 7).
Obr. 7 Princíp činnosti operačného zosilňovača pri neinvertujúcom začlenení
Ľavý terminál Rin je pripojený k stredu (uzemnenie) a vstupný signál +1 V je privedený priamo na neinvertujúci vstup. Keďže nuansy analýzy sú „prežúvané“ vyššie, budeme venovať pozornosť iba významným rozdielom.
V prvej fáze analýzy tiež predpokladáme, že rezistencia Rooos a Rin sa navzájom rovnala a bola 1 kOhm. pretože pri neinvertujúcom vstupe je potenciál +1 V, potom podľa pravidla 2 by mal byť rovnaký potenciál (+1 V) na invertujúcom vstupe (znázornené na obrázku). Na tento účel musí mať pravá svorka odporu Rooc (výstup OU) napätie +2 V. Prúdy jarin.a jaosyrovná 1 mA, teraz pretekajú odpory Rooc a Rin v opačnom smere (znázornené šípkami). Podarilo sa nám bez prevrátenia zosilňovač so ziskom 2, pretože vstupný signál +1 V generuje výstupný signál +2 V.
Je to zvláštne, že? Hodnotenia sú rovnaké ako pri invertujúcej inklúzii (jediný rozdiel je v tom, že signál je aplikovaný na iný vstup) a zisk je zrejmý. Zistíme to o niečo neskôr.
Teraz zvyšujeme nominálny Rooc na 2 kOhm. Zachovať aktuálnu rovnováhu jarin. = jaosy a potenciál invertujúceho vstupu je +1 V, výstup op-amp by už mal byť +3 V. Ku \u003d 3 V / 1 V \u003d 3!
Ak porovnáme hodnoty Ku pri neobrátenom zapnutí s inverzným pri rovnakých hodnotách Rooc a Rin, potom sa ukáže, že zisk je vo všetkých prípadoch väčší o jeden. Odvodíme vzorec:
Ku \u003d Uout / Uin + 1 \u003d (Rooos / Rin) + 1 (3)
Prečo sa to deje? Áno, veľmi ľahké! OOS pôsobí presne rovnakým spôsobom ako pri inverznom prepínači, ale podľa pravidla 2 sa potenciál neinvertujúceho vstupu vždy pripočítava k potenciálu invertujúceho vstupu v neinvertujúcom prepínači.
Takže s nezapnutým zapnutím nemôžete dosiahnuť zisk rovný 1? Prečo nie - môžete. Znížime nominálnu hodnotu Rooc rovnakým spôsobom, ako sme analyzovali obr. 6. Pri svojej nulovej hodnote - krátke skratovanie výstupu s invertujúcim vstupom (obr. 8, A), podľa pravidla 2 bude mať výstup také napätie, že potenciál invertujúceho vstupu sa rovná potenciálu neinvertujúceho vstupu, tj +1 V. Dostaneme: Ku \u003d 1 V / 1 V \u003d 1 (!) No, pretože vstup invertujúceho prúdu nespotrebuje a neexistuje žiadny potenciálny rozdiel medzi ním a výstupom, potom v tomto obvode neprúdi žiadny prúd.
Obr. 8 Schéma zapnutia operačného zosilňovača ako sledovača napätia
Rín sa stáva všeobecne zbytočným, pretože je zapojený paralelne so záťažou, na ktorej by mal pôsobiť výstup operačného zosilňovača a jeho výstupný prúd márne tečie. A čo sa stane, ak opustíme Rooc, ale odstránime Rina (obr. 8, B)? Potom, vo vzorci zosilnenia Ku \u003d Rooos / Rin + 1, sa odpor Rin teoreticky priblíži k nekonečnu (v skutočnosti samozrejme nie, pretože na tabuli sú netesnosti a dokonca aj vstupný op-amp prúd je zanedbateľne malý, ale všetko nie je to rovnaké), pričom pomer Rooos / Rin sa rovná nule. Vo vzorci zostáva iba jedna jednotka: Ku \u003d + 1. A môže byť zisk pre tento obvod menší ako jednota? Nie, za žiadnych okolností nebude fungovať menej. "Extra" jednotka v zisku vzorca na krivke kozy nemôže obísť ...
Po odstránení všetkých „extra“ rezistorov dostaneme obvod neinvertujúci repeater znázornené na obr. 8, B.
Na prvý pohľad nemá takáto schéma praktický význam: Prečo potrebujeme jediný a dokonca aj inverzný „zisk“ - čo, nemôžete len dať signál ďalej? Takéto systémy sa však používajú pomerne často, a preto je to tak. Podľa pravidla 1 prúd neprúdi do vstupov pre zosilňovače, t.j. vstupná impedancia neinvertujúci zosilňovač je veľmi veľký - veľmi desiatky, stovky až tisíce megohmov (to isté platí pre obvod na obr. 7)! Ale výstupná impedancia je veľmi malá (Ohm zlomok!). Výstup operačného zosilňovača je „nafúknutý celou svojou silou“ a snaží sa podľa pravidla 2 zachovať rovnaký potenciál na invertujúcom vstupe ako na neinvertujúcom. Obmedzenie je iba povolený výstupný prúd operačného zosilňovača.
A tu z tohto miesta sme trochu odporní k boku a otázku op-amp výstupných prúdov budeme posudzovať podrobnejšie.
Pre väčšinu rozšírených použití, technické parametre naznačujú, že zaťažovací odpor spojený s ich výstupom by nemal byť menej 2 kOhm. Viac - rovnako ako sa vám páči. Pre oveľa menšie číslo je to 1 kOhm (K140UD ...). To znamená, že v najhorších podmienkach: maximálne zaťažovacie napätie (napríklad ± 16 V alebo celkom 32 V), záťaž spojená medzi výstupom a jednou z napájacích zberníc a maximálne výstupné napätie opačnej polarity, bude na záťaž privedené napätie približne 30 V. V tomto prípade bude prúd prechádzajúci týmto prúdom: 30 V / 2000 Ohm \u003d 0,015 A (15 mA). Nie toľko, ale nie príliš. Našťastie väčšina univerzálnych zosilňovačov má zabudovanú ochranu proti nadprúdu - typický maximálny výstupný prúd je 25 mA. Ochrana zabraňuje prehriatiu a zlyhaniu operačného zosilňovača.
Ak napájacie napätie nie je maximálne povolené, potom sa môže úmerne znížiť minimálny zaťažovací odpor. Napríklad pri napájaní 7,5 ... 8 V (celkom 15 ... 16 V) to môže byť 1 kOhm.
v) diferenciál zahrnutie (obr. 9).
Obr. 9 Princíp činnosti operačného zosilňovača pri diferenciálnom spínaní
Predpokladajme teda, že pri rovnakých hodnotách Rin a Rooos rovných 1 kOhm sa na oba vstupy obvodu použije rovnaké napätie rovné +1 V (obr. 9, A). Pretože potenciály na obidvoch stranách rezistora Rin sú si navzájom rovnaké (napätie na rezistore je 0), preteká ním žiadny prúd. Takže sa rovná nule a prúdu cez odpor Rooc. To znamená, že tieto dva odpory nevykonávajú žiadnu funkciu. V skutočnosti sme skutočne dostali neinvertujúci opakovač (porovnaj s obr. 8). Podobne na výstupe získame rovnaké napätie ako na neinvertujúcom vstupe, tj +1 V. Zmeňte polaritu vstupného signálu na invertujúcom vstupe obvodu (otočte GB1 hore nohami) a aplikujte mínus 1 V (obr. 9, B). Teraz je medzi svorkami Rin privedené napätie 2 V a preteká ním prúd jarin \u003d 2 mA (dúfam, že už nie je potrebné maľovať podrobne, prečo je to tak?). Aby sa kompenzoval tento prúd, musí prúd Rooos pretekať aj prúd 2 mA. Na tento účel by výstupom operačného zosilňovača malo byť napätie +3 V.
To je miesto, kde sa vo formulácii zisku neinvertujúceho zosilňovača objavil škodlivý „úsmev“ ďalšej jednoty. Ukazuje sa, že s týmto zjednodušený diferenciálne zahrnutie, rozdiel v zisku neustále posúva výstupný signál o hodnotu potenciálu na neinvertujúcom vstupe. Problém, pane! „Aj keď ste boli zjedení, stále máte najmenej dva východy.“ Preto nejako potrebujeme vyrovnať zisk invertujúcich a neinvertujúcich inklúzií, aby sme „neutralizovali“ túto ďalšiu jednotku.
Za týmto účelom privádzame vstupný signál na neinvertujúci vstup nie priamo, ale prostredníctvom deliča Rin2, R1 (obr. 9, B). Tiež akceptujeme ich nominálne hodnoty 1 kOhm. Teraz na neinvertujúcom (a teda aj invertujúcom) vstupe operačného zosilňovača bude potenciál +0,5 V, prúd ním bude prúdiť (a Rooc) jarin = jaosy \u003d 0,5 mA, aby sa zabezpečilo, že výstup op-amp musí mať napätie rovné 0 V. Fu-uh! Dosiahli sme, čo sme chceli! Ak sú signály na obidvoch vstupoch obvodu rovnaké, pokiaľ ide o veľkosť a polaritu (v tomto prípade +1 V, ale to isté platí pre mínus 1 V a pre akékoľvek ďalšie digitálne hodnoty), na výstupe op-amp sa uloží nulové napätie rovnajúce sa rozdielu vo vstupných signáloch. ,
Overme toto zdôvodnenie použitím signálu so zápornou polaritou mínus 1 V na invertujúci vstup (obr. 9, D). Súčasne jarin = jaosy \u003d 2 mA, pre ktorý by mal byť výstup +2 V. Všetko bolo potvrdené! Výstupná úroveň zodpovedá rozdielu medzi vstupom.
Samozrejme, pri rovnosti Rin1 a Rooc (respektíve Rin2 a R1) nedostaneme amplifikáciu. Na tento účel je potrebné zvýšiť hodnoty Rooos a R1, ako sa to stalo pri analýze predchádzajúcich inklúzií OS (nebudem sa opakovať), a prísne pomer je pozorovaný:
Roox / Rin1 \u003d R1 / Rin2. (4)
Aká užitočnosť získame z tohto začlenenia do praxe? A dostaneme úžasnú vlastnosť: výstupné napätie nezávisí od absolútnych hodnôt vstupných signálov, ak sú si navzájom rovnaké vo veľkosti a polarite. Výstupom je iba diferenčný (diferenčný) signál. Toto umožňuje zosilnenie veľmi malých signálov na pozadí interferencie pôsobiacich rovnako na oba vstupy. Napríklad signál z dynamického mikrofónu na pozadí 50 Hz výkonovej frekvenčnej siete.
V tomto sude medu je však nanešťastie v masti mucha. Po prvé, rovnosť (4) sa musí dodržiavať veľmi prísne (až do desatín a niekedy stotín percenta). Inak dôjde k nevyváženosti prúdov pôsobiacich v obvode, a preto sa okrem rozdielových signálov („mimo fázy“) zosilnia aj kombinované signály („vo fáze“).
Pozrime sa na podstatu týchto pojmov (obr. 10).
Obr. 10 fázový posun signálu
Fáza signálu je hodnota, ktorá charakterizuje ofset začiatku signálnej periódy vzhľadom na začiatok času. Pretože časová referencia aj referencia obdobia sú vybrané ľubovoľne, fáza jedna periodický signál nemá fyzický význam. Avšak, fázový rozdiel oboch periodický signály sú veličiny, ktoré majú fyzikálny význam, odrážajú oneskorenie jedného zo signálov voči druhému. Nezáleží na tom, čo sa považuje za začiatok obdobia. Na začiatku obdobia môžete vziať nulovú hodnotu s kladným sklonom. Môžete - maximum. Všetko je v našej moci.
Na obr. 9 je zdrojový signál červený, zelený je posunutý o ¼ periódy vzhľadom na zdroj a modrá je o polovicu periódy. Ak porovnáme červené a modré krivky s krivkami na obr. 2B je zrejmé, že sú vzájomne prepojené sú inverzné, Teda „fázové signály“ sú signály, ktoré sa navzájom zhodujú v každom z jej bodov, a „antifázové signály“ - prevrátený vo vzťahu k sebe navzájom.
Zároveň ide o koncept inverzie širší ako koncept fázypretože posledný uvedený sa týka iba pravidelne sa opakujúcich periodických signálov. Koncept inverzie použiteľné pre všetky signály, vrátane neperiodických, ako je zvukový signál, digitálna sekvencia alebo konštantné napätie. že fázy bola konzistentná veličina, signál by mal byť periodický aspoň v určitom intervale. Inak sa z fázy aj obdobia premenia matematické abstrakcie.
Po druhé, inverzné a neinvertujúce vstupy v diferenciálnom začlenení s rovnosťou hodnôt Roo \u003d R1 a Rin1 \u003d Rin2 budú mať rôzne vstupné odpory. Ak je vstupný odpor invertujúceho vstupu určený iba hodnotou Rin1, potom nie je invertovaný - hodnotami postupne zahrnuté Rin2 a R1 (nezabudli sme, že vstupy operačného zosilňovača nespotrebúvajú prúd?). Vo vyššie uvedenom príklade to budú 1 kOhm a 2 kOhm. A ak zvýšime Rooc a R1, aby sme dosiahli plnohodnotnú fázu zosilnenia, rozdiel sa zvýši ešte výraznejšie: pri Ku \u003d 10 - až do toho istého 1 kOhm a až do 11 kOhm!
Bohužiaľ, v praxi sú hodnoty Rin1 \u003d Rin2 a Roox \u003d R1 obvykle stanovené. To je však prijateľné, iba ak sú zdroje signálu pre oba vstupy veľmi nízke. výstupná impedancia, V opačnom prípade tvorí delič so vstupným odporom tohto zosilňovacieho stupňa a keďže koeficient delenia takýchto „deličov“ bude odlišný, výsledok je zrejmý: diferenciálny zosilňovač s takýmito hodnotami rezistorov nebude vykonávať svoju funkciu potláčania signálov v spoločnom režime (kombinovaných) alebo nebude túto funkciu vykonávať dobre. ,
Jedným zo spôsobov, ako vyriešiť tento problém, môže byť nerovnosť hodnôt rezistorov pripojených k invertujúcim a neinvertujúcim vstupom operačného zosilňovača. Konkrétne, že Rin2 + R1 \u003d Rin1. Ďalším dôležitým bodom je dosiahnutie prísneho dodržiavania rovnosti (4). Spravidla sa to dosiahne rozdelením R1 na dva odpory - konštantu, zvyčajne 90% požadovanej hodnoty a premennú (R2), ktorej odpor je 20% požadovanej hodnoty (obr. 11, A).
Obr. 11 Možnosti vyváženia diferenciálneho zosilňovača
Cesta je všeobecne akceptovaná, ale pri tomto spôsobe vyváženia sa opäť zmení, aj keď sa vstupný odpor neinvertujúceho vstupu mierne zmení. Oveľa stabilnejšou možnosťou je zahrnutie ladiaceho odporu (R5) do série s Rooc (obr. 11, B), pretože Rooc sa nezúčastňuje na tvorbe vstupného odporu invertujúceho vstupu. Hlavné je zachovať pomer ich nominálnych hodnôt, podobne ako v prípade možnosti „A“ (Roox / Rin1 \u003d R1 / Rin2).
Hneď ako sme hovorili o diferenciálnom spínaní a zmienených zosilňovačoch, rád by som popísal jeden zaujímavý obvod (obr. 12).
Obr. 12 Prepínateľný inverzný / neinvertujúci obvod opakovača
Vstupný signál sa privádza súčasne na oba vstupy obvodu (invertujúci aj neinvertujúci). Hodnoty všetkých odporov (Rin1, Rin2 a Rooc) sú si navzájom rovnaké (v tomto prípade berieme ich skutočné hodnoty: 10 ... 100 kOhm). Neinvertujúci vstup op-amp pomocou SA kľúča môže byť skratovaný na spoločnú zbernicu.
V uzavretej polohe kľúča (obr. 12, A) sa rezistor Rin2 nezúčastňuje na prevádzke obvodu (iba prúd je „zbytočný“). jain2 zo zdroja signálu na spoločnú zbernicu). Dostaneme invertujúci opakovač so ziskom rovným mínus 1 (pozri obr. 6). Ale keď je kľúč SA otvorený (obr. 12, B), dostaneme neinvertujúci opakovač so ziskom +1.
Princíp činnosti tohto obvodu môže byť vyjadrený trochu inak. Keď je SA kľúč zatvorený, funguje ako inverzný zosilňovač so ziskom mínus 1 a keď je otvorený, súčasne (!) A ako inverzný zosilňovač so zosilnením mínus 1 a ako inverzný zosilňovač so zosilnením +2, odkiaľ: Ku \u003d +2 + (-1) \u003d +1.
V tejto forme sa tento obvod môže použiť, ak napríklad vo fáze návrhu nie je známa polarita vstupného signálu (napríklad zo snímača, ku ktorému nie je možné pristupovať pred nastavením zariadenia). Ak však používate tranzistor (napríklad efekt poľa) riadený pomocou vstupného signálu komparátor (budeme o tom hovoriť nižšie) synchrónny detektor (synchrónny usmerňovač). Konkrétna implementácia takejto schémy samozrejme prekračuje počiatočné zoznámenie sa s prácou OS a nebudeme tu opäť podrobne uvažovať.
A teraz sa pozrime na princíp spočítania vstupných signálov (obr. 13, A) a súčasne zistíme, aké hodnoty rezistorov Rin a Rooc by mali byť v skutočnosti.
Obr. 13 Princíp činnosti invertorového meniča
Za základ považujeme inverzný zosilňovač, ktorý sa už uvažoval vyššie (obr. 5), k vstupu op-amp pripájame iba jeden, ale dva vstupné odpory Rin1 a Rin2. Doteraz sme za „vzdelávacie“ účely považovali odpor všetkých odporov vrátane Rooc za rovný 1 kOhm. Ľavým kolíkom Rin1 a Rin2 dávame vstupné signály rovné +1 V. Cez tieto odpory pretekajú prúdy rovné 1 mA (znázornené šípkami smerujúcimi zľava doprava). Aby sa zachoval rovnaký potenciál na invertujúcom vstupe ako na neinvertujúcom (0 V), musí prúd Rooc odporu pretekať prúd rovnajúci sa súčtu vstupných prúdov (1 mA + 1 mA \u003d 2 mA), ktorý je označený šípkou smerujúcou opačným smerom (sprava doľava). ), pre ktoré by malo byť napätie mínus 2 V.
Rovnaký výsledok (výstupné napätie mínus 2 V) možno dosiahnuť, ak sa na vstup invertujúceho zosilňovača privedie napätie +2 V (obr. 5) alebo ak sa hodnota Rin zníži na polovicu, t.j. do 500 ohmov. Zvýšte napätie privádzané na odpor Rin2 na +2 V (obr. 13, B). Na výstupe dostaneme napätie mínus 3 V, čo sa rovná súčtu vstupných napätí.
Nemôžu existovať dva vstupy, ale toľko, koľko chcete. Princíp činnosti tohto obvodu sa od tohto nezmení: v každom prípade bude výstupné napätie priamo úmerné algebraickému súčtu (berúc do úvahy znamienko!) Z prúdov prechádzajúcich cez odpory pripojené k invertujúcemu vstupu op-amp (nepriamo úmerné ich hodnotám), bez ohľadu na ich počet.
Ak sa však na vstupy invertujúceho sčítača aplikujú signály rovné +1 V a mínus 1 V (obr. 13, B), potom prúdy, ktoré nimi prechádzajú, budú smerované opačne, navzájom sa rušia a výstup bude 0 V. V tomto prípade prostredníctvom odporu Rooc neprúdi žiadny prúd. Inými slovami, prúd, ktorý tečie pozdĺž Rooka, je algebraicky zhrnutý vstup prúdy.
Dôležitý bod tu tiež prichádza: keď sme pracovali s malými vstupnými napätiami (1 ... 3 V), výstup OA širokej aplikácie by mohol poskytnúť taký prúd (1 ... 3 mA) pre Rooc a niečo iné zostalo pre záťaž pripojenú k výstupu OA. Ak sa však napätie vstupných signálov zvýši na maximálne povolené napätie (blízko napájacieho napätia), potom sa ukáže, že celý výstupný prúd prejde na Rooc. Na náklad nezostáva nič. A kto potrebuje zosilňovaciu kaskádu, ktorá funguje „sama“? Okrem toho hodnoty vstupných odporov, ktoré sa rovnajú iba 1 kOhm (v tomto poradí, určujú vstupnú impedanciu invertujúceho zosilňovacieho stupňa), si vyžadujú tok nadmerne veľkých prúdov, ktoré silne zaťažujú zdroj signálu. Preto je v reálnych obvodoch odpor Rin vybraný nie menej ako 10 kOhm, ale výhodne nie viac ako 100 kOhm, takže pri danom zisku neukladajte Rooo príliš vysokú nominálnu hodnotu. Aj keď tieto hodnoty nie sú absolútne, ale iba približné, ako sa hovorí, „v prvej aproximácii“ - všetko závisí od konkrétnej schémy. V každom prípade je nežiaduce, aby prúd presahujúci 5 ... 10% maximálneho výstupného prúdu tohto konkrétneho operačného zosilňovača pretekal cez Rooos.
Sčítané signály sa môžu použiť aj na neinvertujúci vstup. Ukázalo sa, že neinvertujúce kadidlo, V zásade bude taký obvod pracovať presne rovnakým spôsobom ako inverzný sčítač, ktorého výstupom bude signál, ktorý je priamo úmerný vstupným napätiam a nepriamo úmerný nominálnym hodnotám vstupných odporov. V praxi sa však používa oveľa menej často, pretože obsahuje „hrable“, ktoré treba brať do úvahy.
Pretože pravidlo 2 platí iba pre invertujúci vstup, na ktorý pôsobí „nulový virtuálny potenciál“, bude existovať potenciál pre neinvertovanie rovný algebraickému súčtu vstupných napätí. Preto vstupné napätie dostupné na jednom zo vstupov bude mať vplyv na napätie privádzané na ďalšie vstupy. Neinvertujúci vstup nemá „virtuálny potenciál“! Preto musíme použiť ďalšie triky s obvodmi.
Doteraz sme uvažovali o schémach pre OS s ochranou životného prostredia. A čo sa stane, ak sa spätná väzba úplne odstráni? V tomto prípade sa dostaneme komparátor (Obr. 14), to znamená, zariadenie porovnávajúce dva potenciály na ich vstupoch podľa absolútnej hodnoty (z anglického slova porovnať - porovnať). Na jeho výstupe bude napätie blížiace sa k jednému z napájacích napätí, v závislosti od toho, ktorý signál je väčší ako druhý. Typicky je vstupný signál privádzaný na jeden zo vstupov a na druhé konštantné napätie, s ktorým je porovnávaný (tzv. „Referenčné napätie“). Môže byť ľubovoľný, vrátane nulového potenciálu (obr. 14, B).
Obr. 14 Schéma zapnutia operačného zosilňovača ako porovnávača
Nie však všetko je tak dobré „v dánskom kráľovstve“ ... A čo sa stane, ak je napätie medzi vstupmi nulové? Teoreticky by výstup mal byť tiež nula, ale v skutočnosti - nikdy, Ak potenciál na jednom zo vstupov prevažuje nad troškou potenciálu druhého, potom to bude stačiť na to, aby spôsobil chaotické napäťové rázy v dôsledku náhodných porúch smerujúcich na vstupy komparátora.
V skutočnosti je akýkoľvek signál „hlučný“, pretože ideál nemôže byť podľa definície. A v oblasti blízko bodu rovnakých potenciálov vstupov sa na výstupe z porovnávača objaví balík výstupných signálov namiesto jedného prepínača. Na boj proti tomuto javu sa často zavádza porovnávací obvod hysterézie vytvorením slabého pozitívneho PIC z výstupu na neinvertujúci vstup (Obr. 15).
Obr. 15 Princíp hysterézie v komparátore kvôli PIC
Analyzujme fungovanie tohto obvodu. Napätie jeho výkonu je ± 10 V (pre rovnomerný účet). Odpor Rin je 1 kOhm a Rpos je 10 kOhm. Potenciál stredného bodu je vybraný ako referenčné napätie privádzané na invertujúci vstup. Červená krivka zobrazuje vstupný signál prichádzajúci k ľavému kolíku Rin (vstup systém komparátor), modrá - potenciál na neinvertujúcom vstupe operačného zosilňovača a zelená - výstupný signál.
Pokiaľ má vstupný signál zápornú polaritu, je výstupom záporné napätie, ktoré sa pomocou Rpos sčítava so vstupným napätím v inverznom pomere k hodnotám zodpovedajúcich odporov. Výsledkom je, že potenciál neinvertujúceho vstupu v celom rozsahu negatívnych hodnôt o 1 V (v absolútnej hodnote) prekračuje úroveň vstupného signálu. Len čo sa potenciál neinvertujúceho vstupu rovná potenciálu invertujúceho (pre vstupný signál to bude + 1 V), napätie na výstupe operačného zosilňovača sa začne prepínať zo zápornej polarity na kladnú. Začne sa celkový potenciál na neinvertujúcom vstupe lavína stať sa ešte pozitívnejšími a podporovať proces takéhoto prechodu. Výsledkom je, že komparátor jednoducho „nevšimne“ nevýznamné kolísanie šumu vstupných a referenčných signálov, pretože v priebehu prepínania budú mať o veľa rádovo menšiu amplitúdu, ako je opísaný „krok“ potenciálu na neinvertujúcom vstupe.
Keď sa vstupný signál zníži, výstupný signál komparátora sa prepne späť na vstupné napätie mínus 1 V. Tento rozdiel medzi úrovňami vstupného signálu, ktorý vedie k výstupu komparátora, ktorý je v našom prípade rovný 2 V, sa nazýva. hysterézie, Čím väčší je odpor Rpos vo vzťahu k Rin (menšia hĺbka POS), tým menšia je spínacia hysteréza. Pri Rpos \u003d 100 kOhm to bude iba 0,2 V a pri Rpos \u003d 1 MΩ to bude 0,02 V (20 mV). Hysteréza (hĺbka PIC) sa vyberá na základe skutočných prevádzkových podmienok komparátora v konkrétnom obvode. V ktorých 10 mV bude veľa a v ktorých - 2 V bude málo.
Nanešťastie nie každý operačný zosilňovač, a nie vo všetkých prípadoch, sa dá použiť ako porovnávač. K dispozícii sú špecializované porovnávacie obvody na porovnávanie analógových a digitálnych signálov. Niektoré z nich sa špecializujú na pripojenie k digitálnym mikroobvodom TTL (597CA2), časť - k digitálnym mikroobvodom ESL (597CA1), väčšina je však tzv. „Komparátory so širokým uplatnením“ (LM393 / LM339 / K554CA3 / K597CA3). Ich hlavný rozdiel od operačného zosilňovača je špeciálne zariadenie výstupného stupňa, ktoré sa vytvára na otvorenom kolektorovom tranzistore (obr. 16).
Obr. 16 Výstupný stupeň pre porovnávače širokého rozsahu
a jeho pripojenie k záťažovému rezistoru
Vyžaduje si to použitie externého zariadenia odpor odporu (R1), bez ktorého výstupný signál jednoducho fyzicky nedokáže vytvoriť vysokú (pozitívnu) výstupnú úroveň. Napätie + U2, ku ktorému je pripojený záťažový odpor, sa môže líšiť od napájacieho napätia + U1 samotného porovnávacieho čipu. To umožňuje jednoduché prostriedky na poskytnutie výstupného signálu požadovanej úrovne - či už ide o TTL alebo CMOS.
poznámka Napríklad vo väčšine komparátorov, napríklad duálny LM393 (LM193 / LM293) alebo presne rovnaký v obvodoch, ale štvornásobne LM339 (LM139 / LM239), je emitor tranzistora výstupného stupňa pripojený k zápornému výkonu, čo do istej miery obmedzuje ich rozsah. V tejto súvislosti by som chcel upozorniť na komparátor LM31 (LM111 / LM211), ktorého analógom je domáci 521 / 554CA3, v ktorom je výstup kolektora aj žiariča výstupného tranzistora oddelene výstupom a ktorý môže byť pripojený k inému napätiu, ako je napájacie napätie samotného komparátora. Jeho jedinou a relatívnou nevýhodou je, že v balení s 8 kolíkmi (niekedy v 14 kolíkoch) je iba jedna. |
Až doteraz sme uvažovali o obvodoch, v ktorých bol vstupný signál privádzaný na vstup (vstupy) cez Rin, t. všetci boli prevodníky vstup napätie v deň voľna napätie to isté. V tomto prípade vstupný prúd pretekal cez Rin. A čo sa stane, ak sa jeho odpor rovná nule? Obvod bude fungovať presne rovnakým spôsobom ako inverzný zosilňovač uvažovaný vyššie, ako výstup bude slúžiť iba výstupná impedancia zdroja signálu (Rout) a dostaneme konvertor vstup prúd v deň voľna napätie (Obr. 17).
Obr. 17 Schéma prevodníka prúdu na napätie v OS
Pretože potenciál na invertujúcom vstupe je rovnaký ako na neinvertujúcom (v tomto prípade je to „virtuálna nula“), celý vstupný prúd ( jarin) bude pretekať Rooc medzi výstupom zdroja signálu (G) a výstupom operačného zosilňovača. Vstupná impedancia takého obvodu je takmer nulová, čo umožňuje stavať na ňom mikro / miliameter, ktorý prakticky neovplyvňuje prúd tečúci pozdĺž meraného obvodu. Možno jediným obmedzením je povolený rozsah vstupného napätia operačného zosilňovača, ktorý by sa nemal prekročiť. Pomocou neho môžete napríklad vybudovať napríklad lineárny prevodník prúdu fotodiódy na napätie a mnoho ďalších obvodov.
Preskúmali sme základné princípy fungovania OS v rôznych schémach jeho začlenenia. Zostáva jedna dôležitá otázka: ich jedlo.
Ako bolo uvedené vyššie, operačný zosilňovač má obvykle iba 5 pinov: dva vstupy, výstup a dva napájacie kolíky, kladný a záporný. Všeobecne sa používa bipolárna energia, to znamená, že zdroj energie má tri výstupy s potenciálom: + U; 0; -U.
Opäť starostlivo zvážime všetky vyššie uvedené čísla a vidíme, že samostatný výstup stredného bodu v OS NO ! Pre fungovanie vnútorného obvodu to jednoducho nie je potrebné. Na niektorých obvodoch bol do stredu pripojený neinvertujúci vstup, nie je to však pravidlo.
preto, ohromujúci väčšina moderné operačné zosilňovače sú určené na napájanie JEDEN POLAR napätie! Vynára sa logická otázka: „Prečo teda potrebujeme bipolárnu výživu“, ak to na výkresoch vytrvalo a so závistivou stálosťou zobrazujeme?
Ukázalo sa, že je to spravodlivé veľmi pohodlné z praktických dôvodov z týchto dôvodov:
A) Zabezpečiť dostatočný prúd a veľkosť výstupného napätia záťažou (obr. 18).
Obr. 18 Tok výstupného prúdu záťažou s rôznymi možnosťami napájania op-amp
Zatiaľ nebudeme brať do úvahy vstupné obvody (a OOS) obvodov uvedených na obrázku („čierna skrinka“). Uvažujme za samozrejmé, že vstupný sínusový signál (čierny sínusoid na grafoch) je privádzaný na vstup a ten istý sínusový signál je zosilňovaný vzhľadom na vstupnú sínusovú farbu v grafoch.
Pri pripájaní bremena R medzi výstupom operačného zosilňovača a stredom pripojenia napájacích zdrojov (GB1 a GB2) - obr. 18A prúd prúdi záťažou symetricky vzhľadom na stred (respektíve červená a modrá polovica vĺn) a jeho amplitúda je maximálna a amplitúda napätia je pri Rload. tiež maximálne možné - môže dosiahnuť takmer napájacie napätie. Prúd zo zdroja energie so zodpovedajúcou polaritou je uzavretý prostredníctvom operačného zosilňovača Rnag. a zdroj energie (červené a modré čiary znázorňujúce tok prúdu v zodpovedajúcom smere).
Pretože vnútorný odpor napájacích zdrojov op-amp je veľmi malý, prúd prechádzajúci záťažou je obmedzený iba jeho odporom a maximálnym výstupným prúdom op-amp, ktorý je obvykle 25 mA.
Pri napájaní op-amp s unipolárnym napätím ako spoločný autobus zvyčajne je vybraný záporný (mínus) pól zdroja energie, ku ktorému je pripojená druhá záťažová svorka (obr. 18, B). Teraz prúd prechádzajúci záťažou môže prúdiť iba jedným smerom (znázornený červenou čiarou), druhý smer jednoducho nemá odkiaľ pochádzať. Inými slovami, prúd prechádzajúci záťažou sa stáva asymetrickým (pulzujúcim).
Je nemožné jednoznačne tvrdiť, že takáto možnosť je zlá. Ak je nákladom napríklad dynamická hlava, potom je to pre ňu zle jednoznačné. Existuje však mnoho aplikácií, kde je pripojenie záťaže medzi výstupom operačného zosilňovača a jednej z výkonových zberníc (zvyčajne so zápornou polaritou) nielen prípustné, ale aj jediné možné.
Ak je napriek tomu potrebné zabezpečiť symetriu prúdu tečúceho záťažou s unipolárnym napájaním, musíte ho galvanicky oddeliť od výstupu op-amp galvanicky kondenzátorom C1 (obr. 18, B).
B) Zabezpečiť požadovaný prúd invertujúceho vstupu, ako aj viazanie vstupné signály pre niektorých svojvoľne vybraný level, prijaté pre referenciu (nula) - nastavenie prevádzkového režimu op-amp jednosmerného prúdu (obr. 19).
Obr. 19 Pripojenie vstupného zdroja s rôznymi možnosťami napájania op-amp
Teraz zvažujeme možnosti pripojenia pre vstupné zdroje, pričom sa neuvažuje o záťažovom pripojení.
Pri analýze vyššie uvedených schém sa uvažovalo o pripojení invertujúcich a neinvertujúcich vstupov k stredu pripojenia zdrojov energie (obr. 19, A). Ak nespätný prúdový vstup nespotrebuje a jednoducho akceptuje potenciál stredu, potom cez zdroj signálu (G) a Rin, zapojené do série, prúd tečie a zatvára sa zodpovedajúcim zdrojom energie! A keďže ich vnútorné odpory sú v porovnaní so vstupným prúdom zanedbateľné (mnoho rádov s hodnotou menšou ako Rin), prakticky to neovplyvní napájacie napätie.
Teda, s unipolárnym napájaním operačného zosilňovača je možné dokonale tvoriť potenciál dodávaný na jeho neinvertujúci vstup pomocou deliča R1R2 (obr. 19, B, C). Typické meniče rezistorov tohto deliča sú 10 ... 100 kOhm a nižšie (pripojené na spoločnú zápornú zbernicu) je veľmi žiaduce skratovať kondenzátor o 10 ... 22 mikrofarád, aby sa výrazne znížil vplyv vlnok napájania na potenciál umelý stred.
Ale zdroj signálu (G) je veľmi nežiaduce pripojiť sa k tomuto umelému stredu v dôsledku rovnakého vstupného prúdu. Odhadujme. Aj pri hodnotách deliča R1R2 \u003d 10 kOhm a Rin \u003d 10 ... 100 kOhm, vstupný prúd jarin v najlepšom prípade to bude 1/10 a v najhoršom prípade až 100% prúdu, ktorý prechádza deličom. Preto potenciál na neinvertujúcom vstupe v kombinácii (vo fáze) so vstupným signálom bude „plávať“ rovnako.
Aby sa vylúčil vzájomný vplyv vstupov počas zosilnenia jednosmerných signálov počas tohto zapínania, mal by byť pre zdroj signálu usporiadaný samostatný umelý stredný potenciál tvorený rezistormi R3R4 (obr. 19, B), alebo ak je striedavý signál zosilnený, galvanicky oddelí zdroj signálu. z invertujúceho vstupu kondenzátorom C2 (obr. 19, B).
Je potrebné poznamenať, že vo vyššie uvedených schémach (obr. 18, 19) sme v predvolenom nastavení predpokladali, že výstupný signál by mal byť symetrický s ohľadom buď na stred zdrojov energie alebo na umelý stred. V skutočnosti to nie je vždy potrebné. Pomerne často je potrebné, aby výstupný signál mal prevažne buď kladnú alebo zápornú polaritu. Preto absolútne nie je potrebné, aby sa kladná a záporná polarita zdroja energie rovnala absolútnej hodnote. Jeden z nich môže byť v absolútnej hodnote oveľa menší ako druhý - len tak, aby sa zabezpečilo normálne fungovanie OS.
Vzniká logická otázka: „A ktorá?“ Ak chcete odpovedať, stručne zvážte prípustné rozsahy napätia vstupných a výstupných op-amp signálov.
Pre ktorýkoľvek operačný zosilňovač nemôže byť výstupný potenciál vyšší ako potenciál pozitívnej výkonovej zbernice a nižší ako potenciál negatívnej výkonovej zbernice. Inými slovami, výstupné napätie nemôže prekročiť napájacie napätie. Napríklad pre OPA277 op amp je výstupné napätie pri záťažovom odpore 10 kOhm menšie ako napätie pozitívnej napájacej zbernice o 2 V a zápornej výkonovej zbernice o 0,5 V. Šírka týchto „mŕtvych zón“ výstupného napätia, ktoré výstup op-amp nemôže dosiahnuť, závisí od počtu faktory, ako sú obvody výstupného stupňa, odpor proti zaťaženiu atď.). Existujú zosilňovače, v ktorých sú mŕtve zóny minimálne, napríklad 50 mV na napájacie napätie zbernice pri zaťažení 10 kOhm (pre OPA340), táto vlastnosť zosilňovača sa nazýva trať-koľajnica (R2R).
Na druhej strane, pre operačné zosilňovače so širokým uplatnením by vstupné signály nemali prekročiť napájacie napätie a pre niektoré by mali byť nižšie ako 1,5 ... 2 V. Existujú však operačné zosilňovače so špecifickým obvodom vstupného stupňa (napríklad rovnaký LM358 / LM324). , ktoré dokážu pracovať nielen z úrovne záporného výkonu, ale aj „mínus“ o 0,3 V, čo značne uľahčuje ich použitie s unipolárnou silou so spoločnou zápornou zbernicou.
Nakoniec sa poďme pozrieť a cítiť tieto „chyby pavúka“. Môžete dokonca čuchať a olizovať. Pripúšťam to. Zvážte ich najbežnejšie dostupné možnosti pre začiatočníkov. Obzvlášť ak musíte spájkovať operačný zosilňovač zo starého zariadenia.
Pre op-ampéry starých konštrukcií, ktoré si bez problémov vyžadujú externé obvody na korekciu frekvencie, aby sa zabránilo samočinnému budeniu, boli charakteristické ďalšie závery. Z tohto dôvodu sa niektoré operačné zosilňovače ani „nezmestili“ do 8-pólového puzdra (obr. 20, A) a boli vyrobené z 12-pólového kruhového kovového skla, napríklad K140UD1, K140UD2, K140UD5 (obr. 20, B) alebo 14-kolíkové DIP balíčky, napríklad K140UD20, K157UD2 (obr. 20, C). Skratka DIP je skratka anglického výrazu „Dual Inline Package“ a prekladá sa ako „obojstranný terminálový balík“.
Kruhové puzdro z kovového skla (obr. 20, A, B) sa používalo ako hlavné pre dovážané operačné zosilňovače až do polovice 70. rokov a pre domáce operačné zosilňovače do polovice 80. rokov a teraz sa používa pre tzv. „Vojenské“ žiadosti („5. prijatie“).
Niekedy boli domáce operačné zosilňovače umiestnené v celkom „exotických“ prípadoch: 15-kolíkové pravouhlé kovové sklo pre hybrid K284UD1 (obr. 20, D), v ktorom je kľúčom ďalší 15. výstup z puzdra, a ďalšie. Pravda, rovné 14-pinové skrinky (obr. 20, D) na umiestnenie OS do nich som osobne nestretla. Boli používané pre digitálne obvody.
Obr. 20 Domáce operačné zosilňovače pre domácnosti
Moderné operačné zosilňovače však väčšinou obsahujú korekčné obvody priamo na čipe, čo umožnilo upustiť od minimálneho počtu záverov (napríklad 5-pinový SOT23-5 pre jeden operačný zosilňovač - obr. 23). To umožnilo umiestniť dva alebo štyri úplne nezávislé (s výnimkou bežných silových vodičov) operačné zosilňovače vyrobené na jednom čipe do jedného puzdra.
Obr. 21 dvojradových plastových krytov moderného operačného zosilňovača pre výstupnú montáž (DIP)
Niekedy nájdete operačné zosilňovače umiestnené v jednoradových 8-pinových (Obr. 22) alebo 9-pinových balíkoch (SIP) - K1005UD1. Skratka SIP je skratka anglického výrazu „Single Inline Package“ a prekladá sa ako „single-sided pin pack“.
Obr. 22 Jednoradové plastové puzdro duálnych op-ampérov pre montáž na výstup (SIP-8)
Boli navrhnuté tak, aby minimalizovali priestor zaberaný na doske, ale nanešťastie boli „neskoro“: v tom čase sa zariadenie na povrchové montáž (SMD) široko využívalo spájkovaním priamo na koľajové dosky (obr. 23). Pre začiatočníkov však ich použitie predstavuje značné ťažkosti.
Obr. 23 škrupín moderných dovezených operačných zosilňovačov na povrchovú montáž (SMD)
Výrobca môže veľmi často „zabaliť“ ten istý mikroobvod v rôznych prípadoch (obr. 24).
Obr. 24 Možnosti umiestnenia toho istého mikročipu v rôznych prípadoch
Zistenia všetkých mikroobvodov majú postupné číslovanie, počítané od tzv „Kľúč“ označujúci umiestnenie výstupu na čísle 1. (Obr. 25). akýkoľvek ak uvediete závery prípadu odo mňa, ich číslovanie sa zvyšuje proti v smere hodinových ručičiek!
Obr. 25 Vývod operačných zosilňovačov
v rôznych prípadoch (pinout), pohľad zhora;
smer číslovania je označený šípkami
V puzdrách z kovového skla má kľúč tvar bočného výčnelku (obr. 25, A, B). Z umiestnenia tohto kľúča sú možné obrovské hrable! V domácich 8-pinových prípadoch (302.8) je kľúč umiestnený oproti prvému výstupu (obr. 25, A) a v importovanom TO-5 - oproti ôsmemu výstupu (obr. 25, B). V 12-zvodových prípadoch, domácich (302.12) aj importovaných, je kľúč lokalizovaný medzi prvé a 12. závery.
Typicky je invertovaný vstup v oboch okrúhlych kovových sklách a DIP prípadoch pripojený k 2. výstupu, neinvertujúci vstup k 3., výstup k 6., mínus prívod do 4. a plus napájanie k 4. 7 .. Existujú však výnimky (ďalší možný „hrable“!) V pineut OU K140UD8, K574UD1. V nich je číslovanie záverov posunuté o jeden proti smeru hodinových ručičiek v porovnaní so všeobecne akceptovanými pre väčšinu ostatných typov, t.j. súvisia so zisteniami, ako v prípade importovaných budov (obr. 25, B), a číslovanie zodpovedá domácim (obr. 25, A).
V posledných rokoch sa väčšina verejných zariadení na verejné použitie umiestňovala do plastových puzdier (obr. 21, 25, V-D). V týchto prípadoch je kľúčom buď vybranie (bod) oproti prvému terminálu, alebo výrez na konci puzdra medzi prvým a 8. (DIP-8) alebo 14. (DIP-14) terminálom alebo skosenie pozdĺž prvej polovice terminálov (obr. 21, v strede). Číslovanie záverov v týchto prípadoch tiež platí proti v smere hodinových ručičiek pri pohľade zhora (závery od vás).
Ako bolo uvedené vyššie, operačné zosilňovače s vnútornou korekciou majú iba päť výstupov, z ktorých iba tri (dva vstupy a výstup) patria do každého jednotlivého operačného zosilňovača. To umožnilo umiestniť dva úplne nezávislé operačné zosilňovače (s výnimkou plus a mínus napájania, vyžadujúcich dva ďalšie zvody) do jedného 8-kolíkového balenia na jeden čip (obr. 25, D), a dokonca štyri do 14-kolíkového balenia (obr. 25, D). Výsledkom je, že v súčasnosti sa väčšina operačných zosilňovačov vyrába aspoň duálne, napríklad TL062, TL072, TL082, lacný a jednoduchý LM358, atď. Sú z hľadiska vnútornej štruktúry presne rovnaké, ale štyri - respektíve, TL064, TL074, TL084 a LM324.
Pokiaľ ide o domáci analóg LM324 (K1401UD2), existuje ďalší „hrable“: ak je v LM324 plus výkon na výstup na 4. výstup a mínus na 11., potom v K1401UD2 je to opačne: plus výkon na výstup na 11. výstup a mínus - 4.. Tento rozdiel však nespôsobuje žiadne problémy s prepojením. Pretože vývod op-amp terminálov je úplne symetrický (obr. 25, E), stačí otočiť puzdro o 180 stupňov tak, aby prvý kolík nahradil 8. miesto. A to je všetko.
Niekoľko slov týkajúcich sa označovania dovážaných operačných zosilňovačov (nielen operačných zosilňovačov). V prípade niekoľkých vývojov prvých 300 digitálnych označení bolo zvyčajné označiť skupinu kvality za prvú číslicu digitálneho kódu. Napríklad operačné zosilňovače LM158 / LM258 / LM358, komparátory LM193 / LM293 / LM393, nastaviteľné trojpinové stabilizátory TL117 / TL217 / TL317 atď. Sú vo vnútornej štruktúre úplne identické, ale líšia sa teplotným pracovným rozsahom. Pre LM158 (TL117) je rozsah prevádzkových teplôt od mínus 55 do + 125 ... 150 stupňov Celzia (takzvaný „bojový“ alebo vojenský rozsah), pre LM258 (TL217) - od mínus 40 do +85 stupňov („priemyselný“) rozsah) a pre LM358 (TL317) - od 0 do +70 stupňov (rozsah pre domácnosť). Zároveň ich cena môže byť úplne nezlučiteľná s takouto gradáciou alebo sa môže mierne líšiť ( nevyvrátiteľné cenové cesty!). Môžete si ich teda kúpiť s akýmkoľvek označením „pre vrecko“ začiatočníka, a to zvlášť za prenasledovanie prvých „troch“.
Po vyčerpaní prvých tristo digitálnych označení boli skupiny spoľahlivosti označené písmenami, ktorých význam je dešifrovaný v technických listoch (údajový list sa doslova prekladá ako „tabuľka údajov“) o týchto komponentoch.
záver
Študovali sme teda „abecedu“ operácie operačného zosilňovača a trochu zachytili komparátory. Ďalej sa musíte naučiť pridávať slová, vety a celé zmysluplné „kompozície“ (funkčné schémy) z týchto „písmen“.
Bohužiaľ, „Je nemožné prijať ohromné.“ Ak materiál prezentovaný v tomto článku pomohol porozumieť tomu, ako tieto „čierne skrinky“ fungujú, je úlohou dôkladnejšej štúdie ďalšie prehlbovanie analýzy ich „náplne“, vplyvu vstupných, výstupných a prechodných charakteristík. Informácie o tomto sú podrobne a dôkladne uvedené v rôznych publikáciách. Ako starý otec William Ockham hovoril: „Nemali by ste znásobovať entity nad rámec toho, čo je potrebné.“ Nie je potrebné opakovať už opísaný postup. Musíte len byť leniví a prečítať si to.
11. http://www.texnic.ru/tools/lekcii/electronika/l6/lek_6.html
Potom mi dovoľte odísť s rešpektom atď Alexey Sokolyuk ()