Rückkopplungs-Operationsverstärkerschaltungen

Repeater und invertierender Verstärker

Am Ende des Artikels "Der ideale Operationsverstärker" Es wurde gezeigt, dass bei Verwendung eines Operationsverstärkers in verschiedenen Schaltkreisen die Verstärkung der Kaskade an einem einzelnen Operationsverstärker (OA) nur von der Tiefe der Rückkopplung abhängt. Daher wird in den Formeln zur Bestimmung der Verstärkung einer bestimmten Schaltung die Verstärkung des "bloßen" Operationsverstärkers sozusagen nicht verwendet. Das ist genau der riesige Koeffizient, der in Verzeichnissen angegeben ist.

Dann ist es durchaus angebracht, die Frage zu stellen: "Wenn das Endergebnis (Verstärkung) nicht von diesem riesigen" Referenz "-Koeffizienten abhängt, was ist dann der Unterschied zwischen dem Opamp mit mehrtausendfacher Verstärkung und mit demselben Opamp, aber mit einer Verstärkung von mehreren hunderttausend und sogar Millionen? "

Die Antwort ist ganz einfach. In beiden Fällen ist das Ergebnis das gleiche, die Kaskadenverstärkung wird durch die OOS-Elemente bestimmt, aber im zweiten Fall (Opamp mit hoher Verstärkung) arbeitet die Schaltung stabiler, genauer, die Geschwindigkeit solcher Schaltungen ist viel höher. Aus gutem Grund werden Operationsverstärker in Operationsverstärker mit allgemeiner Anwendung und hoher Präzision und Präzision unterteilt.

Wie bereits erwähnt, wurden die fraglichen "Operations" -Verstärker zu diesem Zeitpunkt empfangen, als sie hauptsächlich zur Durchführung mathematischer Operationen in analogen Computern (AVMs) verwendet wurden. Dies waren Operationen der Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, Quadrierung und vieler anderer Funktionen.

Diese antidiluvianischen Operationsverstärker wurden an Elektronenröhren, später an diskreten Transistoren und anderen Funkkomponenten durchgeführt. Natürlich waren die Abmessungen selbst von Transistor-Operationsverstärkern groß genug, um in Amateurkonstruktionen verwendet zu werden.

Und erst nachdem die Operationsverstärker dank der Errungenschaften der integrierten Elektronik die Größe eines gewöhnlichen Transistors mit geringer Leistung hatten, wurde die Verwendung dieser Teile in Haushaltsgeräten und Amateurschaltungen gerechtfertigt.

Übrigens, moderne Operationsverstärker, auch von ziemlich hoher Qualität, zu einem Preis, der etwas höher ist als zwei oder drei Transistoren. Diese Erklärung gilt für Allzweck-Operationsverstärker. Präzisionsverstärker können etwas mehr kosten.

In Bezug auf die Schaltkreise des Operationsverstärkers ist sofort zu beachten, dass sie alle von einer bipolaren Stromquelle gespeist werden. Ein solcher Modus ist der "üblichste" für einen Operationsverstärker, der es ermöglicht, nicht nur Wechselspannungssignale, beispielsweise eine Sinuskurve, sondern auch Gleichstromsignale oder einfach Spannung zu verstärken.

Und doch erfolgt die Stromversorgung der Schaltkreise des Operationsverstärkers häufig aus einer unipolaren Quelle. In diesem Fall ist es zwar nicht möglich, die konstante Spannung zu erhöhen. Aber es kommt oft vor, dass dies einfach nicht notwendig ist. Die Schaltungen mit unipolarer Stromversorgung werden später beschrieben, aber wir werden vorerst mit den Schemata zum Einschalten des Operationsverstärkers mit bipolarer Stromversorgung fortfahren.

Die Versorgungsspannung der meisten Operationsverstärker liegt meist innerhalb von ± 15V. Dies bedeutet jedoch keineswegs, dass diese Spannung nicht etwas niedriger gemacht werden kann (höher wird nicht empfohlen). Viele Operationsverstärker arbeiten sehr stabil ab ± 3 V und einige Modelle sogar ± 1,5 V. Diese Möglichkeit ist in der technischen Dokumentation (DataSheet) angegeben.

Spannungsfolger

Es ist das einfachste Schaltungsgerät eines Operationsverstärkers, seine Schaltung ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Spannungsfolgerschaltung an einem Operationsverstärker

Es ist leicht zu erkennen, dass für die Erstellung eines solchen Schemas außer dem Operationsverstärker selbst kein einziges Detail erforderlich war. Zwar ist der Stromanschluss in der Abbildung nicht dargestellt, aber ein solcher Umriss der Schemata wird sehr häufig gefunden. Das einzige, was ich beachten möchte, ist, dass zwischen den Anschlüssen des Operationsverstärker-Netzteils (zum Beispiel für den Operationsverstärker KR140UD708 sind dies die Schlussfolgerungen 7 und 4) und dem gemeinsamen Kabel angeschlossen werden sollte Sperrkondensatoren mit einer Kapazität von 0,01 ... 0,5 μF.

Ihr Zweck ist es, den Betrieb des Operationsverstärkers stabiler zu machen, um die Selbsterregung des Stromkreises entlang der Stromkreise zu beseitigen. Kondensatoren sollten so nah wie möglich an den Stromanschlüssen des Chips angeschlossen werden. Manchmal wird ein Kondensator basierend auf einer Gruppe von mehreren Mikroschaltungen angeschlossen. Die gleichen Kondensatoren sind auf Platinen mit digitalen Mikroschaltungen zu sehen, ihr Zweck ist der gleiche.

Die Verstärkung des Repeaters ist gleich Eins, oder anders ausgedrückt, es gibt auch keine Verstärkung. Warum dann so ein Schema? An dieser Stelle sei daran erinnert, dass es eine Transistorschaltung gibt - einen Emitterfolger, dessen Hauptzweck die Anpassung von Kaskaden mit unterschiedlichen Eingangswiderständen ist. Ähnliche Kaskaden (Repeater) werden auch als Puffer bezeichnet.

Der Eingangswiderstand des Repeaters am Operationsverstärker wird als Produkt der Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers durch seine Verstärkung berechnet. Beispielsweise beträgt für den erwähnten UD708 die Eingangsimpedanz ungefähr 0,5 MΩ, die Verstärkung beträgt mindestens 30.000 und möglicherweise mehr. Wenn Sie diese Zahlen multiplizieren, beträgt die Eingangsimpedanz 15 GΩ, was mit dem Widerstand einer nicht sehr hochwertigen Isolierung wie Papier vergleichbar ist. Es ist unwahrscheinlich, dass mit einem herkömmlichen Emitterfolger ein derart hohes Ergebnis erzielt wird.

Damit die Beschreibungen nicht zweifelhaft sind, sind nachfolgend die Abbildungen aufgeführt, die den Betrieb aller im Programmsimulator Multisim beschriebenen Schaltungen zeigen. Natürlich können alle diese Schemata auf einem Steckbrett zusammengestellt werden, aber auf dem Bildschirm können nicht die schlechtesten Ergebnisse erzielt werden.

Hier ist es sogar noch ein bisschen besser: Sie müssen nicht irgendwo im Regal hingehen, um den Widerstand oder die Mikroschaltung zu wechseln. Hier ist alles, auch Messinstrumente, im Programm und wird mit der Maus oder der Tastatur „abgerufen“.

Abbildung 2 zeigt die im Multisim-Programm hergestellte Repeater-Schaltung.

Abbildung 2

Das Studium der Schaltung ist recht einfach. Ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz von 1 kHz und einer Amplitude von 2 V wird vom Funktionsgenerator an den Eingang des Repeaters angelegt, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3

Das Signal am Ein- und Ausgang des Repeaters wird vom Oszilloskop beobachtet: Das Eingangssignal wird durch einen blauen Strahl angezeigt, der Ausgangsstrahl ist rot.

Abbildung 4

Und warum, wird der aufmerksame Leser fragen, ist das Ausgangssignal (rot) doppelt so groß wie das Eingangssignal blau? Alles ist sehr einfach: Bei gleicher Empfindlichkeit der Oszilloskopkanäle verschmelzen beide Sinuskurven mit gleicher Amplitude und Phase miteinander und verstecken sich hintereinander.

Um beide gleichzeitig zu erkennen, mussten wir die Empfindlichkeit eines der Kanäle, in diesem Fall des Eingangs, reduzieren. Infolgedessen wurde die blaue Sinuswelle auf dem Bildschirm genau halb so groß und versteckte sich nicht mehr hinter der roten. Um ein solches Ergebnis zu erzielen, können Sie die Strahlen einfach mit den Oszilloskop-Steuerelementen verschieben, wobei die Empfindlichkeit der Kanäle gleich bleibt.

Beide Sinuskurven sind symmetrisch zur Zeitachse angeordnet, was darauf hinweist, dass die konstante Komponente des Signals gleich Null ist. Und was passiert, wenn dem Eingangssignal eine kleine Gleichstromkomponente hinzugefügt wird? Mit dem virtuellen Generator können Sie die Sinuswelle entlang der Y-Achse verschieben. Versuchen wir, sie um 500 mV nach oben zu verschieben.

Abbildung 5

Was dabei herauskam, ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6

Es fällt auf, dass die Eingangs- und Ausgangssinuskurven um ein halbes Volt anstiegen, ohne sich zu ändern. Dies legt nahe, dass der Repeater die konstante Komponente des Signals genau übertragen hat. Meistens versuchen sie jedoch, diese konstante Komponente loszuwerden und sie gleich Null zu machen, wodurch die Verwendung von Schaltungselementen wie Zwischenstufen-Isolationskondensatoren vermieden wird.

Der Repeater ist natürlich gut und sogar schön: Es wurden keine zusätzlichen Details benötigt (obwohl es Repeater-Schaltungen mit geringfügigen „Ergänzungen“ gibt), aber sie haben keinen Gewinn erhalten.Was für ein Verstärker ist das? Um einen Verstärker zu erhalten, fügen Sie einfach einige Details hinzu. Wie dies zu tun ist, wird später beschrieben.

Invertierender Verstärker

Um einen invertierenden Verstärker aus dem Operationsverstärker herzustellen, müssen nur zwei Widerstände hinzugefügt werden. Was dabei herauskam, ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7. Wechselrichterverstärkerschaltung

Die Verstärkung eines solchen Verstärkers wird nach der Formel K = - (R2 / R1) berechnet. Das Minuszeichen bedeutet nicht, dass der Verstärker schlecht geworden ist, sondern nur, dass das Ausgangssignal in der Phase dem Eingang entgegengesetzt ist. Kein Wunder, dass der Verstärker als invertierend bezeichnet wird. Hier wäre es angebracht, den in dem Schema mit OE enthaltenen Transistor abzurufen. Auch dort ist das Ausgangssignal am Kollektor des Transistors gegenphasig mit dem der Basis zugeführten Eingangssignal.

Hier sollten Sie bedenken, wie viel Aufwand Sie betreiben müssen, um eine saubere, unverzerrte Sinuskurve am Kollektor des Transistors zu erhalten. Es ist erforderlich, die Vorspannung auf der Basis des Transistors entsprechend auszuwählen. Dies ist in der Regel in Abhängigkeit von vielen Parametern recht kompliziert.

Bei Verwendung eines Operationsverstärkers reicht es aus, einfach den Widerstand der Widerstände gemäß der Formel zu berechnen und eine bestimmte Verstärkung zu erhalten. Es stellt sich heraus, dass das Einrichten einer Schaltung an einem Operationsverstärker viel einfacher ist als das Einrichten mehrerer Transistorkaskaden. Daher sollte man keine Angst haben, dass das Schema nicht funktioniert, es wird nicht funktionieren.

Abbildung 8

Hier ist alles wie in den vorherigen Abbildungen: Das Eingangssignal wird blau angezeigt, es ist nach dem Verstärker rot. Alles entspricht der Formel K = - (R2 / R1). Das Ausgangssignal ist gegenphasig zum Eingang (was dem Minuszeichen in der Formel entspricht), und die Amplitude des Ausgangssignals beträgt genau das Zweifache des Eingangs. Dies gilt auch für das Verhältnis (R2 / R1) = (20/10) = 2. Um die Verstärkung beispielsweise auf 10 zu bringen, reicht es aus, den Widerstand des Widerstands R2 auf 100 kΩ zu erhöhen.

Tatsächlich kann die Schaltung eines invertierenden Verstärkers etwas komplizierter sein, eine solche Option ist in 9 gezeigt.

Abbildung 9Invertierende Verstärkerschaltung

Hier erschien ein neuer Teil - der Widerstand R3 (vielmehr verschwand er einfach aus der vorherigen Schaltung). Ihr Zweck ist es, die Eingangsströme eines realen Operationsverstärkers zu kompensieren, um die Temperaturinstabilität der Gleichstromkomponente am Ausgang zu verringern. Der Wert dieses Widerstands wird durch die Formel R3 = R1 * R2 / (R1 + R2) ausgewählt.

Moderne hochstabile Operationsverstärker ermöglichen den direkten Anschluss des nicht invertierenden Eingangs an einen gemeinsamen Draht ohne Widerstand R3. Das Vorhandensein dieses Elements wird zwar nichts Schlechtes bewirken, aber im gegenwärtigen Produktionsmaßstab ziehen sie es vor, diesen Widerstand nicht zu installieren, wenn sie alles sparen.

Die Formeln zur Berechnung des invertierenden Verstärkers sind in Abbildung 10 dargestellt. Warum in der Abbildung? Ja, nur aus Gründen der Klarheit würden sie in einer Textzeile nicht so vertraut und verständlich aussehen, wären nicht so auffällig.

Abbildung 10

Über den Gewinn wurde bereits erwähnt. Hierbei sind die Eingangs- und Ausgangswiderstände eines nichtinvertierenden Verstärkers bemerkenswert. Mit dem Eingangswiderstand scheint alles klar zu sein: Es stellt sich heraus, dass er dem Widerstand des Widerstands R1 entspricht, aber der Ausgangswiderstand muss gemäß der in Abbildung 11 gezeigten Formel berechnet werden.

Der Buchstabe K ”bezeichnet den Referenzkoeffizienten des Operationsverstärkers. Berechnen Sie hier bitte, wie hoch die Ausgangsimpedanz sein wird. Es wird sich als ziemlich kleine Zahl herausstellen, selbst für einen durchschnittlichen Operationsverstärker vom Typ UD7 mit einem K ”von nicht mehr als 30.000. In diesem Fall ist dies gut: Denn je niedriger der Ausgangswiderstand der Kaskade ist (dies gilt nicht nur für Kaskaden am Operationsverstärker), desto stärker ist die Last vernünftigerweise Natürlich kann diese Kaskade in Grenzen verbunden werden.

Über die Einheit im Nenner der Formel zur Berechnung des Ausgangswiderstands sollte eine gesonderte Bemerkung gemacht werden. Angenommen, das Verhältnis R2 / R1 beträgt beispielsweise 100. Dies ist das Verhältnis, das im Fall der Verstärkung des invertierenden Verstärkers 100 erhalten wird.Es stellt sich heraus, dass sich nichts ändert, wenn dieses Gerät weggeworfen wird. In der Tat ist dies nicht ganz richtig.

Angenommen, der Widerstand des Widerstands R2 ist Null, wie dies beim Repeater der Fall ist. Dann wird ohne Einheit der gesamte Nenner Null, und der Ausgangswiderstand ist ebenfalls Null. Und wenn diese Null dann irgendwo im Nenner der Formel liegt, wie ordnen Sie sie an? Daher ist es einfach unmöglich, diese scheinbar unbedeutende Einheit loszuwerden.

In einem Artikel, auch groß genug, schreibe einfach nicht. Daher haben Sie im nächsten Artikel alles, was nicht zu erzählen passte. Es wird eine Beschreibung eines nichtinvertierenden Verstärkers, eines Differenzverstärkers, eines unipolaren Leistungsverstärkers geben. Es wird auch eine Beschreibung einfacher Schaltungen zur Überprüfung des Operationsverstärkers gegeben.

Boris Aladyshkin