Feedback Operativa förstärkarkretsar

Repeater och inverterande förstärkare

I slutet av artikeln “Den perfekta driftsförstärkaren” Det visades att när man använder en operationsförstärkare i olika omkopplingskretsar beror förstärkningen av kaskaden på en enda operativ förstärkare (OA) endast på feedbackdjupet. Därför används i formlerna för att bestämma förstärkningen av en viss krets inte vinsten för den "nakna" op-amp: Det är just den enorma koefficienten som anges i kataloger.

Då är det helt lämpligt att ställa frågan: "Om slutresultatet (vinst) inte beror på denna enorma" referens "-koefficient, vad är skillnaden mellan opamp med förstärkning flera tusen gånger, och med samma opamp, men med förstärkning flera hundra tusen och till och med miljoner? ”

Svaret är ganska enkelt. I båda fallen kommer resultatet att vara detsamma, kaskadförstärkningen bestäms av OOS-elementen, men i det andra fallet (opamp med hög förstärkning) arbetar kretsen mer stabilt, mer exakt är hastigheten för sådana kretsar mycket högre. Av goda skäl är op ampere uppdelade i op ampere för allmän användning och hög precision och precision.

Som redan nämnts mottogs de "operativa" förstärkarna i fråga vid den tidpunkten då de huvudsakligen användes för att utföra matematiska operationer i analoga datorer (AVM). Dessa var operationer av tillägg, subtraktion, multiplikation, delning, kvadrering och många andra funktioner.

Dessa antediluvianska op-ampere utfördes på elektronrör, senare på diskreta transistorer och andra radiokomponenter. Naturligtvis var dimensionerna av även transistor op ampere tillräckligt stora för att användas i amatörkonstruktioner.

Och först efter att förstärkarna med integrerad elektronik uppnådde storleken på en vanlig lågeffekttransistor, användningen av dessa delar i hushållsutrustning och amatörkretsar berättigade.

Förresten, moderna op-ampere, även av ganska hög kvalitet, till ett pris som är något högre än två eller tre transistorer. Detta uttalande gäller för allmänna amp-ampere. Precisionsförstärkare kan kosta lite mer.

När det gäller kretsarna på op-amp, är det värt att omedelbart göra en anmärkning om att de alla drivs av en bipolär strömkälla. Ett sådant läge är det mest "vanliga" för en op-förstärkare, som tillåter förstärkning inte bara växelspänningssignaler, till exempel en sinus, utan också likströmsignaler eller helt enkelt spänning.

Och ändå, ganska ofta, är strömförsörjningen till kretsarna på op-förstärkaren tillverkad från en unipolär källa. Det är sant att i det här fallet är det inte möjligt att öka konstantspänningen. Men det händer ofta att detta helt enkelt inte är nödvändigt. Kretsarna med unipolär strömförsörjning kommer att beskrivas senare, men för tillfället fortsätter vi med scheman för att slå på op-förstärkaren med bipolär strömförsörjning.

Matningsspänningen för de flesta op-ampere är oftast inom ± 15V. Men detta betyder inte alls att denna spänning inte kan sänkas något (högre rekommenderas inte). Många op-ampare fungerar mycket stabilt med början från ± 3V, och vissa modeller till och med ± 1,5V. En sådan möjlighet anges i den tekniska dokumentationen (DataSheet).

Spänningsföljare

Det är den enklaste anordningen vad gäller kretsar på en op-amp; dess krets visas i figur 1.

Bild 1. Spänningsföljarkrets på en operationsförstärkare

Det är lätt att se att för att skapa ett sådant schema behövdes inte en enda detalj, med undantag för själva op-förstärkaren. Det är riktigt, figuren visar inte strömförbindelsen, men en sådan kontur av schemanna finns mycket ofta. Det enda jag vill notera är att mellan terminalerna på op-amp-strömförsörjningen (till exempel för KR140UD708 op-amp, dessa är slutsatser 7 och 4) och den gemensamma kabeln bör anslutas blockerande kondensatorer med en kapacitet på 0,01 ... 0,5 μF.

Deras syfte är att göra driften av OP-förstärkaren mer stabil, att bli av med självexcitering av kretsen längs kraftkretsarna. Kondensatorer bör anslutas så nära chippens kraftuttag som möjligt. Ibland är en kondensator ansluten baserad på en grupp av flera mikrokretsar. Samma kondensatorer kan ses på kort med digitala mikrokretsar, deras syfte är detsamma.

Förstärkarens vinst är lika med enhet, eller för att uttrycka det på ett annat sätt finns det heller ingen vinst. Varför ett sådant system? Här är det ganska lämpligt att erinra om att det finns en transistorkrets - en emitterföljare vars huvudsakliga syfte är matchning av kaskader med olika ingångsmotstånd. Liknande kaskader (repeatrar) kallas också buffert.

Repeaterens ingångsresistens på op-amp beräknas som produkten från ing-impedansen för op-amp med dess förstärkning. Till exempel för den nämnda UD708 är ingångsimpedansen cirka 0,5 MΩ, förstärkningen är minst 30 000 och kanske mer. Om du multiplicerar dessa siffror är ingångsimpedansen 15 GΩ, vilket är jämförbart med motståndet för inte särskilt högkvalitativ isolering, t.ex. papper. Ett sådant högt resultat kommer troligen inte att uppnås med en konventionell emitterföljare.

Så att beskrivningarna inte är i tvivel, nedan är figurerna som visar driften av alla kretsar som beskrivs i programsimulatorn Multisim. Naturligtvis kan alla dessa scheman monteras på brödskiva, men inte de sämsta resultaten kan uppnås på skärmen.

Egentligen är det till och med lite bättre här: du behöver inte gå någonstans på hyllan för att byta motstånd eller mikrokrets. Här finns allt, även mätinstrument, i programmet och "får" med musen eller tangentbordet.

Figur 2 visar repeaterkretsarna som gjorts i Multisim-programmet.

Figur 2

Studie av kretsen är ganska enkel. En sinusformad signal med en frekvens av 1 KHz och en amplitud på 2 V appliceras på ingången till repeatern från funktionsgeneratorn, såsom visas i figur 3.

Figur 3

Signalen vid ingången och utgången från repeatern observeras av oscilloskopet: insignalen visas av en blå stråle, utgångsstrålen är röd.

Figur 4

Och varför, den uppmärksamma läsaren kommer att fråga, är utgångssignalen (röd) dubbelt så stor som ingången blå? Allt är väldigt enkelt: med samma känslighet som oscilloskopkanalerna döljer sig båda sinusoider med samma amplitud och fas till en, gömmer sig bakom varandra.

För att ta fram båda båda på en gång var vi tvungna att minska känsligheten för en av kanalerna, i detta fall ingången. Som ett resultat blev den blå sinusvågen exakt halva storleken på skärmen och slutade gömma sig bakom den röda. Även om du kan uppnå ett sådant resultat kan du helt enkelt flytta strålarna med oscilloskopkontrollerna och lämna kanalernas känslighet densamma.

Båda sinusoiderna är belägna symmetriskt relativt tidsaxeln, vilket indikerar att den konstanta komponenten i signalen är lika med noll. Och vad händer om en liten DC-komponent läggs till insignalen? Den virtuella generatorn låter dig flytta sinusvågen längs Y-axeln. Låt oss försöka flytta den uppåt med 500 mV.

Figur 5

Vad som kom ut av detta visas i figur 6.

Figur 6

Det märks att ingången och utgången sinusoider ökade med en halv volt medan de inte ändrade alls. Detta antyder att repeatern exakt överförde den konstanta komponenten i signalen. Men oftast försöker de bli av med denna konstanta komponent, gör den lika med noll, vilket undviker användning av sådana kretselement som mellanstatliga isoleringskondensatorer.

Repeateren är naturligtvis bra och till och med vacker: inga ytterligare detaljer behövdes (även om det finns repeaterkretsar med mindre "tillägg"), men de fick ingen vinst.Vilken typ av förstärkare är det här? För att få en förstärkare, lägg bara till några detaljer, hur du gör detta kommer att beskrivas senare.

Inverterande förstärkare

För att skapa en inverterande förstärkare från op-förstärkaren räcker det att bara lägga till två motstånd. Vad som kom av detta visas i figur 7.

Bild 7. Inverterförstärkarkrets

Förstärkningen för en sådan förstärkare beräknas med formeln K = - (R2 / R1). Minustecknet betyder inte att förstärkaren blev dålig utan bara att utsignalen kommer att vara motsatt i fas till ingången. Inte konstigt att förstärkaren kallas invertering. Här skulle det vara lämpligt att återkalla transistorn som ingår i schemat med OE. Även där är utsignalen på transistorns kollektor antifas med insignalen som tillförs basen.

Det är här det är värt att komma ihåg hur mycket ansträngning du måste göra för att få en ren oskadad sinusoid på transistorns samlare. Det krävs att välja förspänningen på basis av transistorn i enlighet därmed. Detta är som regel ganska komplicerat, beroende på många parametrar.

När du använder en op-förstärkare räcker det att bara beräkna motståndet för resistorerna enligt formeln och få en viss förstärkning. Det visar sig att installationen av en krets på en op-amp är mycket enklare än att installera flera transistorkaskader. Därför bör man inte vara rädd för att systemet inte fungerar, det kommer inte att fungera.

Figur 8

Här är allt detsamma som i tidigare figurer: insignalen visas i blått, den är röd efter förstärkaren. Allt motsvarar formeln K = - (R2 / R1). Utgångssignalen är i motfas med ingången (som motsvarar minustecknet i formeln), och utsignalens amplitud är exakt två gånger ingången. Vilket är också sant med förhållandet (R2 / R1) = (20/10) = 2. För att göra förstärkningen, till exempel 10, räcker det att öka motståndet hos motståndet R2 till 100KΩ.

I själva verket kan kretsen för en inverterande förstärkare vara något mer komplicerad, ett sådant alternativ visas i figur 9.

Figur 9Inverterande förstärkarkrets

En ny del dök upp här - motståndet R3 (snarare försvann det just från den tidigare kretsen). Dess syfte är att kompensera ingångsströmmarna för en verklig opamp för att minska temperaturinstabiliteten hos DC-komponenten vid utgången. Värdet på detta motstånd väljs med formeln R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Moderna högstabila opampar gör att den icke-inverterande ingången kan anslutas till en gemensam tråd direkt utan motstånd R3. Även om förekomsten av detta element inte kommer att göra något dåligt, men i den nuvarande produktionsskalan, när de sparar på allt, föredrar de att inte installera detta motstånd.

Formlerna för att beräkna inverteringsförstärkaren visas i figur 10. Varför i figuren? Ja, för tydlighetens skull skulle de i en textrad inte se så bekanta och förståliga ut, inte så märkbara.

Figur 10

Om vinsten nämndes tidigare. Här är ingångs- och utgångsmotståndet för en icke-inverterande förstärkare anmärkningsvärda. Allt verkar vara klart med ingångsmotståndet: det visar sig vara lika med motståndet för motståndet R1, men utgångsmotståndet måste beräknas enligt formeln som visas i figur 11.

Bokstaven K ”indikerar referensskoefficienten för op-förstärkaren. Beräkna här, vilken impedans som kommer att vara lika med. Det kommer att visa sig vara en ganska liten siffra, även för en genomsnittlig op-amp av typ UD7 med sin K ”lika med högst 30 000. I det här fallet är det bra: ju desto lägre utgångsmotstånd för kaskaden (detta gäller inte bara kaskader på op-amp), desto kraftigare belastning, i rimlig naturligtvis inom gränser kan denna kaskad anslutas.

En separat kommentar bör göras om enheten i nämnaren för formeln för beräkning av utgångsmotståndet. Anta att förhållandet R2 / R1 till exempel är 100. Detta är det förhållande som erhålls för förstärkningen av inverteringsförstärkaren 100.Det visar sig att om denna enhet kasseras kommer ingenting att förändras mycket. I själva verket är detta inte helt sant.

Antag att motståndet i motståndet R2 är noll, som är fallet med repeatern. Då, utan enhet, blir hela nämnaren noll och utgångsmotståndet är också noll. Och om denna noll är någonstans i nämnaren i formeln, hur beställer du att dela den? Därför är det helt enkelt omöjligt att bli av med denna till synes obetydliga enhet.

I en artikel, till och med stor nog, skriver du bara inte. Därför kommer du att ha allt som inte passade att berätta i nästa artikel. Det kommer att finnas en beskrivning av en icke-inverterande förstärkare, en differentiell förstärkare, en unipolär effektförstärkare. En beskrivning kommer också att ges av enkla kretsar för att kontrollera opampen.

Boris Aladyshkin