Penguat operasi. Bahagian 2. Penguat operasi yang sempurna

Untuk lebih memahami prinsip-prinsip membina litar menggunakan penguat operasi, mereka sering menggunakan konsep penguat operasi yang ideal. Apakah keistimewaannya, sifat-sifatnya yang indah? Tidak banyak daripada mereka, tetapi mereka semua cenderung kepada sifar, atau bahkan tanpa batas. Tetapi berkelakuan seperti itu penguat operasi tidak diliputi oleh maklum balas (OS) dan biasanya tidak mempunyai sebarang sambungan luaran.

Dalam artikel ini kita akan cuba untuk bercakap tentang maklum balas dan beberapa skim untuk memasukkan penguat operasi tanpa menyebut formula matematik yang rumit dengan integral. Tetapi beberapa, agak mudah dan mudah difahami, di peringkat gred gred sekolah, yang akan membantu memahami makna umum, masih tidak dapat dielakkan.

Keuntungan

Dengan keuntungan "berleluasa" sedemikian, ia cukup untuk memohon hanya beberapa mikrofol pada inputnya (contohnya, gangguan utama) untuk mendapatkan voltan keluaran hampir 15V. Negeri ini menunjukkan ketepuan keluaran.

Adalah sesuai untuk mengingati keadaan yang sama di transistor. Sememangnya, dalam bentuk ini, tiada keuntungan diperolehi sama sekali. Oleh itu, penguat operasi sebenar sentiasa dilindungi oleh maklum balas negatif, yang akan dibincangkan di bawah.

Walaupun perlu diperhatikan bahawa penguat operasi yang agak kerap digunakan tanpa maklum balas, dan dalam beberapa kes dengan maklum balas positif. Permohonan ini terdapat di dalam pembanding - peranti untuk perbandingan tepat isyarat analog. Pembanding boleh didapati dalam bentuk mikrosirkuit khusus, dan juga sebahagian daripada mikrosirkuit lain. Hanya ingat lagenda pemasa bersepadu NE555, yang mengandungi sendiri dua komparator.

Sejarah hampir baru-baru ini

Pada satu masa, industri elektronik domestik juga menguasai pengeluaran penguat operasi. Penguat operasi pertama ialah K1UT401A (B), kemudiannya dinamakan K140UD1 dengan huruf yang sama pada akhir. Oleh itu, sebagai salinan yang hampir tepat dari saudara Amerika UA702, analog dengan huruf A pada voltan bekalan ± 6V mempunyai keuntungan dalam julat 500 ... 4500, dan dengan huruf B (± 12V) 1500 ... 13000.

Dengan piawaian moden, ini hanya tidak masuk akal, namun, penguat kuno ini masih boleh dijumpai. Tetapi, walaupun dengan keuntungan "kecil" itu, adalah mustahil untuk dilakukan tanpa maklum balas negatif.

Dan hanya kemunculan penguat operasi dalam reka bentuk bersepadu memperkenalkan komponen sejagat ini ke dalam litar perindustrian, domestik dan amatur. Lagipun, anda mesti mengakui bahawa penguat operasi dengan tiub elektronik atau pilihan transistor, kecuali dalam AVM pertahanan, tidak boleh digunakan.

Input dan output penguat operasi

Penguat operasi mempunyai dua input dan satu output, dan, tentu saja, dua output untuk membekalkan voltan. Ini adalah set kesimpulan minimum yang penting. Inilah yang sebenarnya dengan penguat operasi yang paling moden. Sebaik sahaja terdapat kesimpulan untuk menyambungkan elemen pembetulan frekuensi dan keseimbangan.

Makanan yang paling sering bipolar dengan titik tengah, yang memungkinkan untuk menjalankan amplifikasi oleh voltan malar. Dalam kes ini, umumnya diterima bahawa frekuensi penguat operasi bermula dari 0 Hz, dan frekuensi atas adalah terhad oleh jenis penguat operasi itu sendiri, litar dalamannya dan jenis transistor, dan litar pensuisannya.

Jalur lebar penguat operasi yang ideal meluas dari DC ke tak terhingga.Juga, kadar kelajuan atau membunuh isyarat keluaran cenderung tidak terbatas. Tetapi kami tidak akan mempertimbangkan isu ini buat masa sekarang.

Apa yang meningkatkan penguat operasi

Voltan keluaran penguat operasi adalah berkadar dengan perbezaan voltan pada inputnya. Dalam kes ini, tahap mutlak isyarat, serta polaritasnya, tidak memainkan peranan khas. Hanya perkara yang berbeza. Dan kerana semua istilah dalam elektronik berasal dari bahasa Inggeris, sudah tiba masanya untuk mengingat perkataan "berbeza", yang bermaksud heterogen, perbezaan (kamus "Multitran"), dan penguat prinsip operasi ini disebut perbezaan.

Apa yang tidak menguatkan penguat operasi

Di sini, kita juga boleh mengingati sifat penguat operasi yang indah seperti pengurangan isyarat mod biasa: jika isyarat yang sama digunakan untuk kedua-dua input, ia tidak akan dikuatkan. Ini digunakan apabila memohon isyarat ke atas wayar panjang: isyarat berguna mempunyai fasa yang berbeza, manakala isyarat gangguan pada kedua-dua input adalah sama.

Apa yang boleh didapati pada output penguat operasi

Impedans keluaran penguat operasi yang sesuai cenderung kepada sifar, yang secara teorinya membolehkan anda mendapatkan isyarat yang sangat besar, hanya tak terhingga pada output. Malah, voltan keluaran penguat operasi sebenar adalah terhad oleh voltan sumber kuasa: jika voltan bekalan bipolar, misalnya, ± 15V, maka ia adalah mustahil untuk memperoleh +20 atau -25 pada output.

Ini adalah mengenai penguatan voltan malar. Dalam hal penguatan, sebagai contoh, sinusoid pada output, sinusoid juga perlu diperoleh, amplitudinya tidak melebihi voltan bekalan.

Tegangan input dan output tidak boleh lebih tinggi daripada voltan sumber kuasa. Contohnya, apabila dikuasakan ± 15V, voltan keluaran lebih rendah sebanyak 0.5 ... 1.5V. Tetapi sesetengah mikrosirkuit moden membenarkan sama dengan voltan bekalan pada output dan input. Harta ini dalam lembaran data dirujuk sebagai Rail-to-Rail, secara literal sebagai "tayar untuk tayar". Apabila memilih penguat operasi, anda perlu memberi perhatian kepada harta ini.

Impedans input

Galangan input kedua-dua input penguat operasi adalah sangat besar dan berada dalam ratusan MegaOhm, dan dalam beberapa kes bahkan GigaOhm. Sebagai perbandingan: K1UT401 yang disebutkan di atas mempunyai impedans input hanya beberapa puluh kOhm.

Galangan masukan, tentu saja, tidak mencapai infiniti, seperti penguat operasi yang ideal, tetapi ia masih begitu besar sehingga ia tidak menjejaskan tahap isyarat masukan. Daripada ini, kita dapat menyimpulkan bahawa tiada aliran semasa dalam input. Ini adalah salah satu prinsip utama yang digunakan dalam pengiraan dan analisis litar pada penguat operasi. Buat masa ini, anda hanya perlu mengingatnya.

Kenyataan terakhir berkaitan terus kepada penguat operasi. Impedans input yang tinggi itu wujud dalam penguat operasi itu sendiri, tetapi impedans input pelbagai litar berdasarkannya boleh lebih rendah. Keadaan ini harus selalu diingati. Dan sekarang, berhati-hati, cerita bermula tentang perkara yang paling penting.

Maklumbalas Negatif (OOS)

OOS adalah tidak lebih daripada sambungan antara output dan input, di mana bahagian output dikurangkan dari isyarat masukan. Sambungan sedemikian membawa kepada penurunan keuntungan. Tidak seperti OOS, ada maklum balas positif (POS), yang sebaliknya mengira isyarat input dengan sebahagian daripada output. Sambungan sedemikian digunakan bukan sahaja dalam teknologi elektronik, tetapi dalam banyak hal lain, sebagai contoh, dalam mekanik. Kesan maklum balas ini boleh dicirikan seperti berikut: OOS membawa kepada kestabilan sistem, membawa positif kepada ketidakstabilannya.

Berhubungan dengan penguat operasi yang berkenaan, OOS membolehkan anda untuk menetapkan keuntungan dengan ketepatan yang mencukupi, dan juga membawa kepada peningkatan yang lebih kualitatif dan juga menyenangkan kepada litar. Tetapi pertama-tama anda perlu memikirkan bagaimana OOS berfungsi.Sebagai contoh, pertimbangkan litar yang boleh didapati di mana-mana buku teks mengenai automasi.

Rajah 1

Output isyarat Ignal U.output. dari output ia lulus ke peranti penjumlahan (bulatan dengan tanda tambah di dalam) melalui litar OOS dengan pekali pemindahan β, dalam kes ini, kurang daripada satu. Sekiranya pekali ini dibuat lebih besar daripada perpaduan, yang secara teknikalnya mungkin, maka bukannya menguatkan isyarat, kita memperoleh pengecilannya. Tetapi pada masa sekarang, kita akan mengandaikan bahawa kita memerlukan pengukuhan yang tepat.

Tebing OOS hanya kemalangan

Jika anda memecahkan gelung maklum balas, maka voltan pada output penguat operasi akan menjadi U.out. = K * U.in. Nilai teori secara besar-besaran. Malah, ia akan dihadkan oleh magnitud voltan bekalan. Ini telah dikatakan lebih awal. Contoh yang sama: jika ia adalah motor elektrik dengan penstabilan revolusi (juga maklum balas), maka ia akan mempercepatkan sejauh mungkin. Dalam kes ini, mereka mengatakan bahawa sistem itu "menjajarkan".

Melalui litar litar OOS, isyarat keluaran dilemahkan oleh β * U.output. Oleh itu, hanya (U.in.-β * U.out.) Datang ke input penguat melalui penambah. Tanda minus menunjukkan bahawa maklum balas adalah negatif. Selepas melalui peranti dengan keuntungan K, output akan menjadi U.out. = K * (U.in.-β * U.out.). Sebaliknya, keuntungan keseluruhan sistem K.us. = U.out./U.in. dan ternyata bahawa U.out. = K *

Selepas beberapa transformasi, kami dapat memperoleh hasil berikut: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Semua transformasi ini membawa kepada formula mudah K.us. = K / (1+ K * β). Jika kita mengandaikan bahawa K dalam cukup besar (dan dalam hal menggunakan penguat operasi ini benar-benar begitu), maka unit dalam kurungan tidak akan melakukan banyak cuaca, ia boleh dibuang, oleh itu formula akan mengambil bentuk berikut:

K.us. = 1 / β

Rumusan yang dihasilkan (yang, sebenarnya, adalah sebab mengapa keseluruhan pagar dari formula dikumpulkan) membolehkan kita menyatakan bahawa pekali pemindahan penguat operasi dalam litar umpan balik tidak bergantung pada keuntungan dari penguat operasi itu sendiri, tetapi hanya ditentukan oleh parameter litar umpan balik , pekali penghantaran β. Tetapi, bagaimanapun, semakin tinggi keuntungan dari penguat operasi itu sendiri, lebih tepat formula yang ditentukan memberikan, semakin stabil litar berfungsi.

Oleh itu, cascades amplifikasi pada penguat operasi tidak memerlukan penalaan, seperti cascode transistor biasa: hanya mengira maklum balas maklum balas, dipateri, mendapat keuntungan cascade yang diperlukan. Bagaimana ini dilakukan akan diterangkan dalam artikel seterusnya.