Tilbakemelding Operasjonsforsterkerkretser

Repeater og inverterende forsterker

På slutten av artikkelen “Den ideelle driftsforsterkeren” Det ble vist at når man bruker en operasjonsforsterker i forskjellige svitsjekretser, avhenger forsterkningen av kaskaden på en enkelt operasjonsforsterker (OA) bare på tilbakemeldingsdybden. Derfor, i formlene for å bestemme gevinsten til en spesiell krets, brukes forsterkningen av den "bare" op-amp, så å si, ikke. Det er akkurat den enorme koeffisienten som er spesifisert i kataloger.

Da er det ganske passende å stille spørsmålet: "Hvis det endelige resultatet (gevinsten) ikke er avhengig av denne enorme" referanse "-koeffisienten, hva er forskjellen mellom opamp med forsterkning flere tusen ganger, og med samme opamp, men med forsterkning flere hundre tusen og til og med millioner? ”

Svaret er ganske enkelt. I begge tilfeller vil resultatet være det samme, kaskadevinsten blir bestemt av OOS-elementene, men i det andre tilfellet (opamp med høy forsterkning) fungerer kretsløpet mer stabilt, mer presist, hastigheten til slike kretsløp er mye høyere. Med god grunn er op forsterkere delt inn i op forsterkere til generell bruk og høy presisjon, presisjon.

Som allerede nevnt, ble de aktuelle "operasjonelle" forsterkerne mottatt på det langt tidspunktet, da de hovedsakelig ble brukt til å utføre matematiske operasjoner i analoge datamaskiner (AVM). Dette var operasjoner med addisjon, subtraksjon, multiplikasjon, divisjon, kvadrering og mange andre funksjoner.

Disse antediluvianske op-ampere ble utført på elektronrør, senere på diskrete transistorer og andre radiokomponenter. Naturligvis var dimensjonene til og med transistor op ampere store nok til å brukes i amatørkonstruksjoner.

Og først etter at op-ampere, takket være prestasjonene med integrert elektronikk, ble størrelsen på en vanlig laveffekttransistor, ble bruken av disse delene i husholdningsutstyr og amatørkretser berettiget.

Forresten, moderne op-ampere, til og med av ganske høy kvalitet, til en pris som er litt høyere enn to eller tre transistorer. Denne uttalelsen gjelder for generelle formål amps. Presisjonsforsterkere kan koste litt mer.

Når det gjelder kretsene på op-amp, er det verdt å komme med en kommentar om at de alle er drevet av en bipolar strømkilde. En slik modus er den mest "vanlige" for en op-forsterker, som gjør det mulig å forsterke ikke bare AC spenningssignaler, for eksempel en sinus, men også DC signaler eller bare spenning.

Og likevel, ganske ofte, er strømforsyningen til kretsene på op-amp fra en unipolar kilde. Det er sant at i dette tilfellet er det ikke mulig å øke konstant spenning. Men det hender ofte at dette rett og slett ikke er nødvendig. Kretsene med unipolar strømforsyning vil bli beskrevet senere, men for nå fortsetter vi med ordningene for å slå på op-forsterkeren med bipolar strømforsyning.

Forsyningsspenningen til de fleste op-ampere er oftest innenfor ± 15V. Men dette betyr overhode ikke at denne spenningen ikke kan gjøres noe lavere (høyere anbefales ikke). Mange op-ampere fungerer veldig stabilt fra ± 3V, og noen modeller til og med ± 1,5V. En slik mulighet er indikert i teknisk dokumentasjon (DataSheet).

Spenningsfølger

Det er den enkleste anordningen når det gjelder kretsløp på en op-forsterker; kretsen er vist på figur 1.

Figur 1. Spenningssvingerkrets på en driftsforsterker

Det er lett å se at for å lage et slikt skjema var det ikke nødvendig med en eneste detalj, bortsett fra selve operativsystemet. Riktignok viser figuren ikke strømforbindelsen, men en slik omriss av ordningene finnes veldig ofte. Det eneste jeg vil merke seg er at mellom terminalene på op-amp-strømforsyningen (for eksempel for KR140UD708 op-amp, dette er konklusjoner 7 og 4) og fellestråden bør kobles til blokkering av kondensatorer med en kapasitet på 0,01 ... 0,5 μF.

Deres formål er å gjøre driften av op-forsterkeren mer stabil, for å kvitte seg med selveksitasjonen av kretsen langs strømkretsene. Kondensatorer skal være koblet så nær strømpolene på brikken som mulig. Noen ganger er en kondensator koblet basert på en gruppe på flere mikrokretser. De samme kondensatorene kan sees på brett med digitale mikrokretser, deres formål er det samme.

Gevinsten til repeateren er lik enhet, eller for å si det på en annen måte, det er heller ingen gevinst. Så hvorfor et slikt opplegg? Her er det ganske passende å huske at det er en transistorkrets - en emitterfølger, hvis hovedformål er samsvar av kaskader med forskjellige inngangsmotstander. Lignende kaskader (repeatere) kalles også buffer.

Innmatingsmotstanden til repeateren på op-forsterkeren beregnes som produktet av inngangsimpedansen til op-amperen med dens forsterkning. For den nevnte UD708 er for eksempel inngangsimpedansen omtrent 0,5 MΩ, gevinsten er minst 30 000 og kanskje mer. Hvis du multipliserer disse tallene, er inngangsimpedansen 15 GΩ, noe som kan sammenlignes med motstanden til ikke særlig høy kvalitet isolasjon, for eksempel papir. Et så høyt resultat blir neppe oppnådd med en konvensjonell emitterfølger.

Slik at beskrivelsene ikke er i tvil, viser figurene nedenfor driften av alle kretsløpene beskrevet i programsimulatoren Multisim. Selvfølgelig kan alle disse ordningene settes sammen på brødbrett, men ikke de verste resultatene kan du oppnå på skjermen.

Egentlig er det enda litt bedre her: du trenger ikke å dra et sted på hyllen for å skifte motstand eller mikrokrets. Her er alt, til og med måleinstrumenter, i programmet, og "får" bruk musen eller tastaturet.

Figur 2 viser repeaterkretsene laget i Multisim-programmet.

Figur 2

Studie av kretsen er ganske enkel. Et sinusformet signal med en frekvens på 1 KHz og en amplitude på 2 V påføres inngangen til repeateren fra funksjonsgeneratoren, som vist i figur 3.

Figur 3

Signalet ved inngangen og utgangen til repeateren blir observert av oscilloskopet: inngangssignalet vises av en blå stråle, utgangsstrålen er rød.

Figur 4

Og hvorfor, vil den imøtekommende leseren spørre, er utgangssignalet (rødt) dobbelt så stort som innspillet blått? Alt er veldig enkelt: med samme følsomhet som oscilloskopkanalene, gjemmer begge sinusoider med samme amplitude og fase seg sammen, gjemmer seg bak hverandre.

For å lage ut begge deler samtidig, måtte vi redusere følsomheten til en av kanalene, i dette tilfellet innspillet. Som et resultat ble den blå sinusbølgen nøyaktig halvparten av størrelsen på skjermen, og sluttet å gjemme seg bak den røde. Selv om du kan oppnå et slikt resultat, kan du ganske enkelt flytte strålene med oscilloskopkontrollene, slik at følsomheten til kanalene blir de samme.

Begge sinusoidene er lokalisert symmetrisk i forhold til tidsaksen, noe som indikerer at den konstante komponenten av signalet er lik null. Og hva vil skje hvis en liten DC-komponent legges til inngangssignalet? Den virtuelle generatoren lar deg skifte sinusbølgen langs Y-aksen. La oss prøve å forskyve den oppover med 500 mV.

Figur 5

Hva som kom ut av dette er vist i figur 6.

Figur 6

Det merkes at inngangs- og utgangs-sinusoidene gikk opp med en halv volt, mens de ikke endret i det hele tatt. Dette antyder at repeateren nøyaktig overførte den konstante komponenten i signalet. Men som oftest prøver de å kvitte seg med denne konstante komponenten, gjøre den lik null, noe som unngår bruk av slike kretselementer som mellomliggende isolasjonskondensatorer.

Repeateren er selvfølgelig god og til og med vakker: ingen ekstra detaljer var nødvendig (selv om det er repeaterkretser med mindre "tillegg"), men de fikk ingen gevinst.Hva slags forsterker er dette? For å få en forsterker, bare legg til noen få detaljer, hvordan du gjør dette vil bli beskrevet senere.

Inverterende forsterker

For å lage en inverterende forsterker fra op-forsterkeren, er det nok å bare legge til to motstander. Hva som kom av dette er vist i figur 7.

Figur 7. Omformerforsterkerkrets

Gevinsten til en slik forsterker beregnes med formelen K = - (R2 / R1). Minustegnet betyr ikke at forsterkeren ble dårlig, men bare at utgangssignalet vil være motsatt i fase fra inngangen. Ikke rart at forsterkeren kalles invertering. Her vil det være aktuelt å minne om transistoren som er inkludert i ordningen med OE. Også der er utsignalet på samleren til transistoren i motfase med inngangssignalet tilført basen.

Det er her det er verdt å huske hvor mye du må legge ned for å få en ren, forvridd sinusoid på transistorens samler. Det er påkrevd å velge skjevhet på grunnlag av transistoren tilsvarende. Dette er som regel ganske komplisert, avhengig av mange parametere.

Når du bruker en op-forsterker, er det nok å bare beregne motstandenes motstand i henhold til formelen og oppnå en gitt forsterkning. Det viser seg at å sette opp en krets på en op-forsterker er mye enklere enn å sette opp flere transistorkaskader. Derfor skal man ikke være redd for at ordningen ikke vil fungere, den vil ikke fungere.

Figur 8

Her er alt det samme som i de foregående figurene: inngangssignalet vises i blått, det er rødt etter forsterkeren. Alt tilsvarer formelen K = - (R2 / R1). Utgangssignalet er i motfase med inngangen (som tilsvarer minustegnet i formelen), og amplituden til utgangssignalet er nøyaktig to ganger inngangen. Noe som også stemmer med forholdet (R2 / R1) = (20/10) = 2. For å oppnå forsterkningen, for eksempel 10, er det nok å øke motstanden til motstanden R2 til 100KΩ.

Faktisk kan kretsen til en inverterende forsterker være noe mer komplisert, et slikt alternativ er vist i figur 9.

Figur 9Inverterende forsterkerkrets

En ny del dukket opp her - motstanden R3 (snarere forsvant den bare fra forrige krets). Hensikten er å kompensere inngangsstrømmene til en reell opamp for å redusere temperaturinstabiliteten til DC-komponenten ved utgangen. Verdien av denne motstanden velges med formelen R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Moderne meget stabile opamps gjør at den ikke-inverterende inngangen kan kobles til en felles ledning direkte uten motstand R3. Selv om tilstedeværelsen av dette elementet ikke vil gjøre noe dårlig, men i den nåværende produksjonsskalaen, når de sparer på alt, foretrekker de å ikke installere denne motstanden.

Formlene for beregning av inverteringsforsterkeren er vist i figur 10. Hvorfor i figuren? Ja, bare for klarhet, i en tekstlinje ville de ikke se så kjent og forståelig ut, og ville ikke være så merkbar.

Figur 10

Om gevinsten ble nevnt tidligere. Her er inngangs- og utgangsmotstandene til en ikke-inverterende forsterker bemerkelsesverdig. Alt ser ut til å være klart med inngangsmotstanden: det viser seg å være lik motstanden til motstanden R1, men utgangsmotstanden må beregnes i henhold til formelen vist i figur 11.

Bokstaven K ”angir referansekoeffisienten til op-amp. Beregn her hva utgangsimpedansen vil være lik. Dette vil vise seg å være en ganske liten figur, selv for en gjennomsnittlig op-forsterker som UD7 med sin K ”som tilsvarer ikke mer enn 30 000. I dette tilfellet er dette bra: jo lavere, desto lavere blir impedansen til kaskaden (dette gjelder ikke bare kaskadene på op-amp), jo kraftigere er belastningen, i rimelig grad , selvfølgelig, innenfor grenser, kan denne kaskaden kobles til.

Det bør gjøres en egen merknad om enheten i nevneren av formelen for beregning av utgangsmotstanden. Anta at forholdet R2 / R1 er for eksempel 100. Dette er forholdet oppnådd i tilfelle gevinsten til inverteringsforsterkeren 100.Det viser seg at hvis denne enheten kastes, så vil ingenting endre seg mye. Dette er faktisk ikke helt sant.

Anta at motstanden til motstand R2 er null, som for en repeater. Så uten enhet blir hele nevneren null, og utgangsmotstanden er også null. Og hvis da denne null vises et sted i nevneren til formelen, hvordan bestiller du å dele den? Derfor er det rett og slett umulig å kvitte seg med denne tilsynelatende ubetydelige enheten.

I en artikkel, til og med stor nok, er det bare å ikke skrive. Derfor vil du ha alt som ikke passet å fortelle i neste artikkel. Det vil være en beskrivelse av en ikke-inverterende forsterker, en differensialforsterker, en unipolar effektforsterker. Det vil også bli gitt en beskrivelse av enkle ordninger for å sjekke opampen.

Boris Aladyshkin