Operationsverstärker. Teil 2. Der perfekte Operationsverstärker

Um die Prinzipien des Aufbaus von Schaltungen unter Verwendung von Operationsverstärkern besser zu verstehen, verwenden sie häufig das Konzept eines idealen Operationsverstärkers. Was ist seine Idealität, seine wunderbaren Eigenschaften? Es gibt nicht so viele von ihnen, aber alle tendieren entweder zu Null oder sogar zur Unendlichkeit. Aber verhält sich so Operationsverstärker nicht durch Feedback (OS) abgedeckt und im Allgemeinen keine externen Verbindungen.

In diesem Artikel werden wir versuchen, über Feedback und einige Schemata zum Einbeziehen von Operationsverstärkern zu sprechen, ohne umständliche mathematische Formeln mit Integralen zu erwähnen. Aber einige, sehr einfache und verständliche, in der achten Klasse der Schule, die helfen, die allgemeine Bedeutung zu verstehen, können immer noch nicht vermieden werden.

Gewinn

Bei einer solchen "grassierenden" Verstärkung reicht es aus, nur wenige Mikrovolt an die Eingänge anzulegen (z. B. Netzstörungen), um eine Ausgangsspannung nahe 15 V zu erhalten. Dieser Zustand zeigt die Sättigung des Ausgangs an.

Es ist angebracht, den gleichen Zustand in Transistoren abzurufen. Natürlich wird in dieser Form überhaupt kein Gewinn erzielt. Daher werden echte Operationsverstärker immer durch negative Rückkopplungen abgedeckt, auf die weiter unten eingegangen wird.

Es ist jedoch zu beachten, dass Operationsverstärker häufig ohne Rückkopplung und in einigen Fällen mit positiver Rückkopplung verwendet werden. Diese Anwendung befindet sich in Komparatoren - Geräte zum genauen Vergleich von analogen Signalen. Komparatoren sind in Form von speziellen Mikroschaltungen erhältlich und sind auch Teil anderer Mikroschaltungen. Denken Sie nur an die Legende integrierter Timer NE555, die in sich zwei Komparatoren enthält.

Fast neuere Geschichte

Zu einer Zeit beherrschte die heimische Elektronikindustrie auch die Herstellung von Operationsverstärkern. Der erste Operationsverstärker war K1UT401A (B), der anschließend mit den gleichen Buchstaben am Ende in K140UD1 umbenannt wurde. Als nahezu exakte Kopie des amerikanischen Bruders UA702 hatte das Analogon mit dem Buchstaben A bei einer Versorgungsspannung von ± 6 V eine Verstärkung im Bereich von 500 ... 4500 und mit dem Buchstaben B (± 12 V) 1500 ... 13000.

Nach modernen Maßstäben ist dies einfach lächerlich, aber dennoch können diese archaischen Verstärker gefunden werden. Aber selbst mit solch einem "kleinen" Gewinn war es unmöglich, auf negatives Feedback zu verzichten.

Allein das Erscheinen von Operationsverstärkern im integrierten Design führte diese universelle Komponente in Industrie-, Haushalts- und Amateurschaltungen ein. Schließlich müssen Sie zugeben, dass ein Operationsverstärker mit elektronischen Röhren oder sogar eine Transistoroption, außer in Verteidigungs-AVMs, nicht verwendet werden konnte.

Ein- und Ausgänge von Operationsverstärkern

Der Operationsverstärker hat zwei Eingänge und einen Ausgang und natürlich zwei Ausgänge zur Spannungsversorgung. Dies ist die Mindestanzahl von Schlussfolgerungen, die von entscheidender Bedeutung sind. Genau so ist es bei den meisten modernen Operationsverstärkern. Es gab einmal Schlussfolgerungen für die Verbindung von Elementen der Frequenzkorrektur und des Frequenzausgleichs.

Lebensmittel sind meistens bipolar mit einem Mittelpunkt, der es ermöglicht, eine Verstärkung durch konstante Spannung durchzuführen. In diesem Fall wird allgemein angenommen, dass der Frequenzbereich von Operationsverstärkern bei 0 Hz beginnt und die obere Frequenz sowohl durch den Typ des Operationsverstärkers selbst, seine interne Schaltung und die Art der Transistoren als auch durch seine Schaltschaltung begrenzt ist.

Die Bandbreite eines idealen Operationsverstärkers reicht von Gleichstrom bis unendlich.Auch die Geschwindigkeit oder Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangssignals tendiert gegen unendlich. Wir werden dieses Problem jedoch vorerst nicht berücksichtigen.

Was verbessert den Operationsverstärker

Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers ist proportional zur Spannungsdifferenz an seinen Eingängen. In diesem Fall spielen der absolute Pegel der Signale sowie deren Polarität keine besondere Rolle. Nur der Unterschied ist wichtig. Und da alle Begriffe in der Elektronik aus der englischen Sprache stammen, ist es an der Zeit, sich an das Wort "anders" zu erinnern, was heterogen bedeutet, Differenz (das Wörterbuch "Multitran"), und die Verstärker dieses Funktionsprinzips werden als Differential bezeichnet.

Was verstärkt den Operationsverstärker nicht

Hier können wir uns auch an eine so wunderbare Eigenschaft von Operationsverstärkern wie die Dämpfung eines Gleichtaktsignals erinnern: Wenn an beide Eingänge das gleiche Signal angelegt wird, wird es nicht verstärkt. Dies wird verwendet, wenn ein Signal über lange Drähte angelegt wird: Das Nutzsignal hat eine andere Phase, während das Interferenzsignal an beiden Eingängen gleich ist.

Was kann am Ausgang des Operationsverstärkers erhalten werden

Die Ausgangsimpedanz eines idealen Operationsverstärkers tendiert gegen Null, wodurch Sie theoretisch ein beliebig großes, nur unendliches Signal am Ausgang erhalten können. Tatsächlich ist die Ausgangsspannung eines realen Operationsverstärkers durch die Spannung der Stromquellen begrenzt: Wenn eine bipolare Versorgungsspannung beispielsweise ± 15 V beträgt, ist es einfach unmöglich, am Ausgang +20 oder -25 zu erhalten.

Dies betrifft die Verstärkung konstanter Spannungen. Im Falle einer Verstärkung, beispielsweise einer Sinuskurve am Ausgang, sollte auch eine Sinuskurve erhalten werden, deren Amplitude die Versorgungsspannung nicht überschreitet.

Die Eingangs- und Ausgangsspannungen dürfen nicht höher sein als die Spannung der Stromquellen. Wenn die Stromversorgung beispielsweise mit ± 15 V betrieben wird, ist die Ausgangsspannung um 0,5 ... 1,5 V niedriger. Einige moderne Mikroschaltungen ermöglichen es jedoch, die Versorgungsspannung am Ausgang und am Eingang zu erreichen. Diese Eigenschaft in Datenblättern wird als Rail-to-Rail bezeichnet, wörtlich als "Reifen zu Reifen". Bei der Auswahl eines Operationsverstärkers sollten Sie diese Eigenschaft berücksichtigen.

Eingangsimpedanz

Die Eingangsimpedanz beider Eingänge des Operationsverstärkers ist sehr groß und liegt innerhalb von Hunderten von MegaOhm und in einigen Fällen sogar von GigaOhm. Zum Vergleich: Der oben erwähnte K1UT401 hatte eine Eingangsimpedanz von nur einigen zehn kOhm.

Die Eingangsimpedanz erreicht natürlich nicht unendlich wie ein idealer Operationsverstärker, ist aber immer noch so groß, dass sie die Eingangssignalpegel nicht beeinflusst. Daraus können wir schließen, dass in den Eingängen kein Strom fließt. Dies ist eines der Hauptprinzipien bei der Berechnung und Analyse von Schaltkreisen an Operationsverstärkern. Im Moment müssen Sie sich nur daran erinnern.

Die letzte Aussage bezieht sich direkt auf Operationsverstärker. Eine derart hohe Eingangsimpedanz ist den Operationsverstärkern selbst inhärent, aber die Eingangsimpedanz verschiedener darauf basierender Schaltungen kann viel niedriger sein. Dieser Umstand sollte immer in Erinnerung bleiben. Und jetzt, sei vorsichtig, beginnt die Geschichte mit dem Wichtigsten.

Negatives Feedback (OOS)

OOS ist nichts anderes als eine Verbindung zwischen dem Ausgang und dem Eingang, bei der ein Teil des Ausgangs vom Eingangssignal subtrahiert wird. Eine solche Verbindung führt zu einer Verringerung der Verstärkung. Im Gegensatz zu OOS gibt es eine positive Rückkopplung (POS), die umgekehrt das Eingangssignal mit einem Teil des Ausgangs summiert. Solche Verbindungen werden nicht nur in der Elektronik eingesetzt, sondern in vielen anderen Fällen beispielsweise in der Mechanik. Der Effekt dieser Rückkopplungen kann wie folgt charakterisiert werden: OOS führt zur Stabilität des Systems, positiv führt zu seiner Instabilität.

In Bezug auf die fraglichen Operationsverstärker können Sie mit dem OOS die Verstärkung mit ausreichender Genauigkeit einstellen und führen zu viel mehr qualitativen und sogar angenehmen Verbesserungen der Schaltung. Aber zuerst müssen Sie herausfinden, wie das OOS funktioniert.Betrachten Sie als Beispiel eine Schaltung, die in jedem Lehrbuch zur Automatisierung zu finden ist.

Abbildung 1

Ignal U.output Signalausgang. Vom Ausgang gelangt es über die OOS-Schaltung mit einem Übertragungskoeffizienten β, in diesem Fall kleiner als eins, zur Summiervorrichtung (ein Kreis mit einem Pluszeichen im Inneren). Wenn dieser Koeffizient größer als Eins gemacht wird, was technisch möglich ist, erhalten wir anstelle der Verstärkung des Signals dessen Dämpfung. Wir gehen aber vorerst davon aus, dass wir genau Verstärkung brauchen.

OOS Klippe ist nur ein Unfall

Wenn Sie die Rückkopplungsschleife unterbrechen, beträgt die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers U.out. = K * U.in. Theoretisch großer Wert. Tatsächlich wird es durch die Größe der Versorgungsspannung begrenzt. Dies wurde bereits früher gesagt. Ein ähnliches Beispiel: Wenn es sich um einen Elektromotor mit Stabilisierung der Umdrehungen (auch Rückkopplung) handelt, beschleunigt er einfach so weit wie möglich. In diesem Fall sagen sie, dass das System "hausiert" wurde.

Beim Durchlaufen der Schaltung der OOS-Schaltung wird das Ausgangssignal durch β * U.-Ausgang gedämpft. Daher kommt nur (U.in.-β * U.out.) Über den Addierer zum Verstärkereingang. Das Minuszeichen zeigt an, dass die Rückkopplung negativ ist. Nach dem Durchlaufen des Geräts mit einer Verstärkung K ist der Ausgang U.output = K * (U.in.-β * U.out.). Die Verstärkung des gesamten Systems K.us. = U.out./U.in. und es stellt sich heraus, dass U.out. = K *

Nach einigen Transformationen kann man das folgende Ergebnis erhalten: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Alle diese Transformationen führten zu der einfachen Formel K.us. = K / (1+ K * β). Wenn wir annehmen, dass K in groß genug ist (und im Fall der Verwendung eines Operationsverstärkers ist dies wirklich so), dann macht das Gerät in Klammern kein spezielles Wetter, es kann verworfen werden, wodurch die Formel die folgende Form annimmt:

K.us. = 1 / β

Die resultierende Formel (die tatsächlich der Grund war, warum der gesamte Zaun der Formeln zusammengefasst wurde) erlaubt es uns festzustellen, dass der Übertragungskoeffizient des Operationsverstärkers in der Rückkopplungsschaltung in keiner Weise von der Verstärkung des Operationsverstärkers selbst abhängt, sondern nur durch die Parameter der Rückkopplungsschaltung bestimmt wird sein Transmissionskoeffizient β. Je höher jedoch die Verstärkung des Operationsverstärkers selbst ist, desto stabiler arbeitet die Schaltung, je genauer die angegebene Formel ist.

Daher müssen die Verstärkungskaskaden von Operationsverstärkern nicht wie üblich durch Transistorkaskaden abgestimmt werden: Nur berechnete, gelötete Rückkopplungswiderstände haben die erforderliche Kaskadenverstärkung. Wie dies gemacht wird, wird im nächsten Artikel beschrieben.