Driftsforsterkere. Del 2. Den perfekte driftsforsterkeren

For å bedre forstå prinsippene for å konstruere kretsløp ved bruk av driftsforsterkere, bruker de ofte konseptet med en ideell driftsforsterker. Hva er dens idealitet, fantastiske egenskaper? Det er ikke så mange av dem, men de har alle en tendens til enten null eller til og med uendelig. Men oppfører seg sånn driftsforsterker ikke dekket av tilbakemeldinger (OS) og generelt ikke har noen eksterne tilkoblinger.

I denne artikkelen vil vi prøve å snakke om tilbakemeldinger og noen ordninger for å inkludere driftsforsterkere uten å nevne tungvint matematiske formler med integraler. Men noen, veldig enkle og forståelige på skolen på åttendeklasse, som vil bidra til å forstå den generelle betydningen, kan fremdeles ikke unngås.

få av

Med en slik "frodig" forsterkning er det nok å bruke bare noen få mikrovolt på inngangene (for eksempel nettforstyrrelser) for å få en utgangsspenning nær 15V. Denne tilstanden indikerer metning av utgangen.

Det er hensiktsmessig å minne om den samme tilstanden i transistorer. Naturlig, i denne formen oppnås ingen gevinst i det hele tatt. Derfor er virkelige driftsforsterkere alltid dekket av negativ tilbakemelding, som vil bli diskutert nedenfor.

Selv om det skal bemerkes at driftsforsterkere ganske ofte brukes uten tilbakemelding, og i noen tilfeller med positive tilbakemeldinger. Denne applikasjonen finnes i komparatorer - enheter for nøyaktig sammenligning av analoge signaler. Sammenlignere er tilgjengelige i form av spesialiserte mikrokretser, og er også en del av andre mikrokretser. Bare husk det legendariske integrert tidtaker NE555, som inneholder i seg selv to komparatorer.

Nesten nyere historie

På en gang mestret den innenlandske elektroniske industrien også produksjonen av driftsforsterkere. Den første driftsforsterkeren var K1UT401A (B), deretter omdøpt til K140UD1 med de samme bokstavene på slutten. Så å være en nesten eksakt kopi av den amerikanske broren UA702, hadde den analoge med bokstaven A ved en forsyningsspenning på ± 6V en gevinst i området 500 ... 4500, og med bokstaven B (± 12V) 1500 ... 13000.

Etter moderne standarder er dette bare latterlig, men likevel kan du finne disse arkaiske forsterkere. Men selv med så "liten" gevinst var det umulig å gjøre uten negative tilbakemeldinger.

Og bare utseendet til driftsforsterkere i integrert design introduserte denne universelle komponenten i industrielle, innenlandske og amatørkretser. Tross alt må du innrømme at en operasjonsforsterker med elektroniske rør eller til og med et transistoralternativ, unntatt i forsvars AVM-er, ikke kunne brukes.

Innganger og utganger til driftsforsterkere

Driftsforsterkeren har to innganger og en utgang, og selvfølgelig to utganger for tilførsel av spenning. Dette er det minste settet med konklusjoner som er viktig. Slik er det med de fleste moderne driftsforsterkere. En gang var det konklusjoner for å koble sammen elementer med frekvenskorreksjon og balansering.

Mat er ofte bipolar med et midtpunkt, noe som gjør det mulig å utføre forsterkning med konstant spenning. I dette tilfellet er det generelt akseptert at frekvensområdet for driftsforsterkere starter fra 0 Hz, og den øvre frekvensen er begrenset både av typen operasjonsforsterker i seg selv, dens interne krets og typen transistorer og dens svitsjekrets.

Båndbredden til en ideell operasjonsforsterker strekker seg fra DC til uendelig.Også hastighet eller slevehastighet for utsignalet har en tendens til uendelig. Men vi vil ikke vurdere dette problemet foreløpig.

Hva forbedrer driftsforsterkeren

Driftsforsterkerens utgangsspenning er proporsjonal med spenningsforskjellen ved inngangene. I dette tilfellet spiller ikke det absolutte nivået på signalene, så vel som deres polaritet, noen spesiell rolle. Bare forskjellen betyr noe. Og siden alle begrepene i elektronikk kom fra det engelske språket, er det på tide å huske ordet “annerledes”, som betyr heterogen, forskjell (ordboken “Multitran”), og forsterkere for dette operasjonsprinsippet kalles differensial.

Hva forsterker ikke driftsforsterkeren

Her kan vi også huske en så fantastisk egenskap ved driftsforsterkere som demping av et fellessignal-signal: hvis det samme signalet brukes på begge inngangene, vil det ikke bli forsterket. Dette brukes når du bruker et signal over lange ledninger: det nyttige signalet har en annen fase, mens interferenssignalet ved begge inngangene er det samme.

Hva kan man få ved utgangen fra driftsforsterkeren

Utgangsimpedansen til en ideell driftsforsterker har en tendens til null, noe som teoretisk sett lar deg få et vilkårlig stort, bare uendelig signal ved utgangen. Faktisk er utgangsspenningen til en ekte driftsforsterker begrenset av spenningen til kraftkildene: hvis en bipolar forsyningsspenning, for eksempel ± 15V, er det rett og slett umulig å oppnå +20 eller -25 ved utgangen.

Dette med hensyn til forsterkning av konstante spenninger. Når det gjelder forsterkning, for eksempel en sinusoid ved utgangen, bør det også oppnås en sinusoid, hvis amplitude ikke overskrider forsyningsspenningen.

Inngangs- og utgangsspenninger kan ikke være høyere enn spenningen til strømkilder. For eksempel, når den drives av ± 15V, er utgangsspenningen lavere med 0,5 ... 1,5V. Men noen moderne mikrokretser tillater å bli lik forsyningsspenningen ved utgangen og inngangen. Denne egenskapen i databladene er referert til som Rail-to-Rail, bokstavelig talt som "dekk til dekk". Når du velger en driftsforsterker, bør du ta hensyn til denne egenskapen.

Inngangsimpedans

Inngangsimpedansen til begge inngangene til driftsforsterkeren er veldig stor og er innenfor hundrevis av MegaOhm, og i noen tilfeller til og med GigaOhm. Til sammenligning: ovennevnte K1UT401 hadde en inngangsimpedans på bare noen titalls kOhm.

Inngangsimpedansen når selvfølgelig ikke uendelig, som en ideell driftsforsterker, men den er fortsatt så stor at den ikke påvirker inngangssignalnivåene. Fra dette kan vi konkludere med at det ikke strømmer strøm i inngangene. Dette er et av hovedprinsippene som brukes i beregning og analyse av kretsløp på driftsforsterkere. Foreløpig trenger du bare å huske det.

Den siste uttalelsen gjelder direkte operasjonsforsterkere. En så høy inngangsimpedans ligger i selve operasjonsforsterkerne, men inngangsimpedansen til forskjellige kretsløp basert på den kan være mye lavere. Denne omstendigheten bør alltid huskes. Og nå, vær forsiktig, historien begynner om det viktigste.

Negativ tilbakemelding (OOS)

OOS er ikke annet enn en forbindelse mellom utgangen og inngangen, der en del av utgangen trekkes fra inngangssignalet. En slik forbindelse fører til en nedgang i gevinst. I motsetning til OOS er det positiv tilbakemelding (POS), som omvendt summerer inngangssignalet med en del av utgangen. Slike tilkoblinger brukes ikke bare i elektronisk teknologi, men i mange andre tilfeller, for eksempel i mekanikk. Effekten av disse tilbakemeldingene kan karakteriseres som følger: OOS fører til systemets stabilitet, positive fører til dets ustabilitet.

I forhold til de aktuelle driftsforsterkerne, lar OOS deg angi forsterkningen med tilstrekkelig nøyaktighet, og fører også til mange flere kvalitative og til og med hyggelige forbedringer av kretsen. Men først må du finne ut hvordan OOS fungerer.Ta for eksempel en krets som kan finnes i hvilken som helst lærebok om automatisering.

Figur 1

Ignal U.output signal output. fra utgangen passerer den til summeringsapparatet (en sirkel med et plustegn inne) gjennom OOS-kretsen med overføringskoeffisienten β, i dette tilfellet mindre enn en. Hvis denne koeffisienten blir gjort større enn enhet, noe som er teknisk mulig, så i stedet for å forsterke signalet, oppnår vi dempningen. Men foreløpig vil vi anta at vi trenger nettopp styrking.

OOS klippe er bare en ulykke

Hvis du bryter tilbakekoblingssløyfen, vil spenningen ved utgangen til driftsforsterkeren være U.out. = K * U.in. Teoretisk stor verdi. Faktisk vil det være begrenset av størrelsen på forsyningsspenningen. Dette har allerede blitt sagt tidligere. Et lignende eksempel: hvis det er en elektrisk motor med stabilisering av omdreininger (også tilbakemelding), vil den ganske enkelt akselerere så langt som mulig. I dette tilfellet sier de at systemet gikk på "pedling".

Ved å passere gjennom kretsen til OOS-kretsen, blir utgangssignalet dempet av β * U.utgang. Derfor kommer bare (U.in.-β * U.out.) Til forsterkerinngangen gjennom adderen. Minustegnet indikerer at tilbakemeldingene er negative. Etter å ha gått gjennom enheten med en forsterkning K, vil utgangen være U.output = K * (U.in.-ß * U.out.). I sin tur gevinsten for hele systemet K.us. = U.out./U.in. og det viser seg at U.out. = K *

Etter noen transformasjoner kan man oppnå følgende resultat: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Alle disse transformasjonene førte til den enkle formelen K.us. = K / (1+ K * β). Hvis vi antar at K in er stor nok (og i tilfelle av å bruke en driftsforsterker er dette virkelig slik), så vil enheten i parentes ikke gjøre noe spesielt vær, det kan kastes, som et resultat av at formelen vil ha følgende form:

K.us = 1 / β

Den resulterende formelen (som faktisk var grunnen til at hele gjerdet av formlene ble samlet) tillater oss å oppgi at overføringskoeffisienten til driftsforsterkeren i tilbakemeldingskretsen ikke på noen måte avhenger av gevinsten til selve driftsforsterkeren, men bare bestemmes av tilbakemeldingskretsens parametere , dens overføringskoeffisient ß. Men ikke desto mindre, jo høyere gevinsten for selve operasjonsforsterkeren er, jo mer nøyaktig den angitte formelen gir, desto mer stabil fungerer kretsen.

Derfor krever ikke forsterkningskaskadene på driftsforsterkere innstilling, som vanlige transistorkaskader: bare kalkulerte tilbakemeldingsmotstander, loddet, fikk den nødvendige kaskadevinsten. Hvordan dette gjøres vil bli beskrevet i neste artikkel.