Оперативни појачивачи. Део 2. Савршено оперативно појачало

Да би боље разумели принципе конструкције склопова користећи оперативна појачала, они често користе концепт идеалног оперативног појачала. Шта је његова идеалност, која су његова чудесна својства? Нема их толико, али сви имају тенденцију или ка нули, или чак до бесконачности. Али понаша се тако оперативно појачало није покривено повратним информацијама (ОС) и углавном нема спољних веза.

У овом ћемо чланку покушати говорити о повратним информацијама и неким схемама за укључивање оперативних појачала, а да не спомињемо гломазне математичке формуле са интегралама. Али неки, врло једноставни и разумљиви, у нивоу осмог разреда школе, који ће помоћи разумевању општег значења, још увек се не могу избећи.

Добитак

Са таквим "бешумним" појачањем, довољно је да на његове улазе примените само неколико микронапона (на пример, мрежне сметње) да бисте добили излазни напон близу 15 В. Ово стање указује на засићеност излаза.

Прикладно је подсјетити се на исто стање у транзисторима. Наравно, у овом облику се уопште не добија добитак. Стога су стварна оперативна појачала увек покривена негативним повратним информацијама, о којима ће бити речи у даљем тексту.

Иако треба напоменути да се врло често оперативни појачивачи користе без повратних информација, а у неким случајевима и са позитивним повратним информацијама. Ова апликација је пронађена у компаратори - уређаји за тачно упоређивање аналогних сигнала. Компаратори су доступни у облику специјализованих микрострујних склопова, а такође су део осталих микрострујних кола. Сјетите се само легендарног интегрисани тајмер НЕ555, који у себи садржи два компаратора.

Скоро недавна историја

Својевремено је домаћа електронска индустрија савладала и производњу оперативних појачала. Прво оперативно појачало је К1УТ401А (Б), које је касније преименовано у К140УД1 са истим словима на крају. Дакле, као готово тачна копија америчког брата УА702, аналог са словом А на напону од ± 6В имао је добитак у распону од 500 ... 4500, а са словом Б (± 12В) 1500 ... 13000.

По савременим стандардима, то је просто смешно, али без обзира на то, ова архаична појачала још увек се могу наћи. Али чак и са таквим „малим“ добицима, није било могуће без негативних повратних информација.

И управо појава оперативних појачала у интегрисаном дизајну је ову универзалну компоненту увела у индустријска, кућна и аматерска кола. Уосталом, морате признати да се оперативно појачало са електронским цевима или чак транзисторским опцијама, осим у одбрамбеним АВМ-овима, не може користити.

Улази и излази оперативних појачала

Оперативно појачало има два улаза и један излаз, и наравно, два излаза за напајање напоном. Ово је минимални скуп закључака који је од виталног значаја. Управо тако је и код најсавременијих оперативних појачала. Једном је дошло до закључака за повезивање елемената корекције фреквенције и балансирања.

Храна је најчешће биполарна са средњом тачком, што омогућава спровођење појачања сталним напоном. У овом случају је општеприхваћено да фреквенцијски опсег оперативних појачала почиње од 0 Хз, а горња фреквенција је ограничена и типом самог оперативног појачала, унутрашњим кругом и врстом транзистора, као и његовим комутацијским кругом.

Ширина опсега идеалног оперативног појачала се протеже од једносмерне струје до бесконачности.Такође, брзина или брзина успоравања излазног сигнала тежи ка бесконачности. Али то питање за сада нећемо разматрати.

Шта побољшава радно појачало

Излазни напон оперативног појачала пропорционалан је разлици напона на његовим улазима. У овом случају, апсолутни ниво сигнала, као и њихов поларитет, не играју посебну улогу. Само је разлика битна. А пошто су сви појмови у електроници дошли из енглеског језика, време је да се сетимо речи „другачије“, што значи хетерогена, разлика (речник „Мултитран“), а појачала овог принципа рада називају се диференцијалним.

Што не појачава оперативни појачало

Овде се такође можемо сетити тако дивног својства оперативних појачала као пригушивање сигнала у уобичајеном режиму: ако се исти сигнал примени на оба улаза, он се неће појачати. Користи се када се сигнал користи преко дугих жица: корисни сигнал има различиту фазу, док је сигнал интерференције на оба улаза исти.

Шта се може добити на излазу оперативног појачала

Излазна импеданција идеалног оперативног појачала тежи нули, што теоретски омогућава да добијете произвољно велики, само бесконачни сигнал на излазу. У ствари, излазни напон стварног оперативног појачала је ограничен напоном извора напајања: ако је на пример напон биполарног напона, ± 15В, тада је на излазу немогуће добити +20 или -25.

То се односи на појачавање сталних напона. У случају појачања, на пример, синусоид на излазу, требало би добити и синусоид, чија амплитуда не прелази напон напајања.

Улазни и излазни напони не могу бити већи од напона извора напајања. На пример, када се напаја ± 15 В, излазни напон је нижи за 0,5 ... 1,5 В. Али неке савремене микро-склопе омогућавају изједначавање са напајањем на излазу и улазу. Ово својство у таблицама података назива се Раил-то-Раил, буквално као "гума за гуму". Приликом одабира оперативног појачала, обратите пажњу на ово својство.

Улазна импеданција

Улазна импеданција оба улаза оперативног појачала је веома велика и износи стотине МегаОхм, а у неким случајевима чак и ГигаОхм. За поређење: горе поменути К1УТ401 имао је улазну импедансу од само неколико десетина кОхм.

Улазна импеданција, наравно, не достиже бесконачност, као идеално оперативно појачало, али је и даље толико велика да не утиче на нивое улазног сигнала. Из овога можемо закључити да у улазима не тече струја. Ово је један од главних принципа који се користи за прорачун и анализу кола на оперативним појачалима. За сада га само треба запамтити.

Последња изјава односи се директно на оперативна појачала. Овако велика улазна импеданција својствена је самим оперативним појачавачима, али улазна импеданција различитих кола на њој може бити много мања. Ову околност увек треба имати на уму. А сада, будите опрезни, прича почиње о најважнијој ствари.

Негативне повратне информације (ООС)

ООС није ништа друго до веза између излаза и улаза, у којој се део излаза одузима од улазног сигнала. Таква веза доводи до смањења добитака. За разлику од ООС-а, постоји позитивна повратна спрега (ПОС), која супротно збраја улазни сигнал са делом излаза. Такве везе се користе не само у електронској технологији, већ иу многим другим случајевима, на пример, у механици. Ефекат ових повратних информација може се окарактерисати на следећи начин: ООС доводи до стабилности система, позитивне до његове нестабилности.

У односу на оперативна појачала, ООС вам омогућава да подесите појачање с довољно тачности, а такође доводи до много квалитетнијих, па чак и пријатнијих побољшања у кругу. Али прво морате да схватите како функционише ООС.Као пример, размотрите склоп који се може наћи у било којем уџбенику о аутоматизацији.

Слика 1

Излаз сигнала У. излазног сигнала. од излаза прелази у уређај за сабирање (круг са знаком плус унутра) кроз ООС круг са коефицијентом преноса β, у овом случају мањим од један. Ако је овај коефицијент направљен већи од јединства, што је технички могуће, онда уместо појачања сигнала, добијамо његово пригушење. Али за сада ћемо претпоставити да нам треба управо јачање.

ООС литица је само несрећа

Ако прекинете повратну петљу, напон на излазу оперативног појачала ће бити У.оут. = К * У.ин. Теоретски огромна вредност. У ствари, она ће бити ограничена величином напона напајања. То је већ речено раније. Сличан пример: ако се ради о електромотору са стабилизацијом броја обртаја (такође повратне информације), једноставно ће убрзати колико је то могуће. У овом случају, кажу да је систем отишао "у кварту".

Пролазећи кроз круг ООС круга, излазни сигнал је пригушен β * У. излазом. Због тога само (У.ин.-β * У.оут.) Долази до улаза појачала кроз додавач. Знак минус означава да је повратна информација негативна. Након проласка кроз уређај с добитком К, излаз ће бити У.оутпут = К * (У.ин.-β * У.оут.). Заузврат, добитак целог система К.ус. = У.оут./У.ин. а испада да је У.оут. = К *

Након неких трансформација може се добити следећи резултат: К.ус. = У.оут./У.ин. = К * У.ин./У.ин. * * (1+ К * β) = К / (1+ К * β)

Све ове трансформације довеле су до једноставне формуле К.ус. = К / (1+ К * β). Ако претпоставимо да је К ин довољно велик (а у случају употребе оперативног појачала то је стварно тако), тада јединица у заградама неће правити посебно време, може се одбацити, због чега ће формула добити сљедећи облик:

К.ус = 1 / β

Резултирајућа формула (која је у ствари и била разлог због које је цела ограда формула била сакупљена) омогућава нам да констатујемо да коефицијент преноса оперативног појачала у повратном кругу ни на који начин не зависи од појачања самог оперативног појачала, већ је одређен само параметрима повратног круга. , његов коефицијент преноса β. Али, ипак, што је већи добитак самог оперативног појачала, тачније даје наведена формула, стабилнији је круг.

Стога каскаде за појачавање на оперативним појачалима не захтевају подешавање, као што су уобичајене транзисторске каскаде: управо израчунати повратни отпори, лемљени, добили су потребан каскадни добитак. Како се то ради описат ћемо у сљедећем чланку.