Una strada di diecimila li inizia con il primo passo.
  (Proverbio cinese)

Era sera, non c'era niente da fare ... E così all'improvviso volevo saldare qualcosa. Sorta di ... Elettronica! .. Saldatura - quindi saldatura. C'è un computer, Internet è connesso. Selezioniamo lo schema. E improvvisamente si scopre che gli schemi per il soggetto pianificato sono un carro e un piccolo carrello. E tutti sono diversi. Nessuna esperienza, non abbastanza conoscenza. Quale scegliere? Alcuni contengono alcuni rettangoli, triangoli. Amplificatori, e persino quelli operativi ... Come funzionano non è chiaro. Stra-a-ashno! .. E se si esaurisse? Scegliamo quello più semplice, su transistor familiari! Scegli, saldatura, accendi ... AIUTO !!! Non funziona !!! Perché?

Sì, perché "La semplicità è peggio del furto"! È come un computer: il più veloce e sofisticato: il gioco! E per il lavoro d'ufficio, il più semplice è abbastanza. Lo stesso vale per i transistor. Non è sufficiente saldare un circuito su di essi. Dobbiamo anche essere in grado di configurarlo. Troppe insidie \u200b\u200be rastrelli. E questo spesso richiede esperienza a livello iniziale. Quindi, abbandonare un'attività eccitante? Niente affatto! Non aver paura di questi "triangoli, rettangoli". Si scopre che in molti casi è molto più facile lavorare con loro che con i singoli transistor. SE SAPERE - COME!

Ecco questo: capendo ora come funziona l'amplificatore operazionale (op-amp, o in inglese OpAmp), ora lo faremo. Allo stesso tempo, considereremo il suo lavoro letteralmente "sulle dita", praticamente senza usare alcuna formula, tranne forse tranne per la legge del nonno di Ohm: "La corrente attraverso il circuito io) è direttamente proporzionale alla tensione su di esso ( U) ed è inversamente proporzionale alla sua resistenza ( R)»:
I \u003d U / R. (1)

Per i principianti, in linea di principio, non è così importante come sia organizzato esattamente l'amplificatore operazionale all'interno. Basti pensare che si tratta di una "scatola nera" con qualche ripieno lì. In questa fase, non prenderemo in considerazione parametri op-amp come "tensione di polarizzazione", "stress di taglio", "deriva della temperatura", "caratteristiche del rumore", "coefficiente di reiezione dei componenti di modo comune", "coefficiente di soppressione dell'ondulazione della tensione di alimentazione", "banda passante "etc. Tutti questi parametri saranno importanti nella fase successiva del suo studio, quando i principi di base del suo lavoro "si sistemeranno" nella sua testa per "era liscio sulla carta, ma si dimenticò dei burroni" ...

Per ora, supponiamo semplicemente che i parametri dell'amplificatore operazionale siano vicini all'ideale e consideriamo solo quale segnale sarà alla sua uscita se alcuni segnali vengono inviati ai suoi ingressi.

Quindi, l'amplificatore operazionale (OA) è un amplificatore CC differenziale con due ingressi (invertente e non invertente) e un'uscita. Oltre a loro, l'amplificatore operazionale ha uscite di potenza: positive e negative. Questi cinque risultati sono disponibili in quasi  qualsiasi amplificatore operazionale e fondamentalmente necessario per il suo lavoro.

Il rifugio ha un enorme guadagno di almeno 50.000 ... 100.000, ma in realtà - molto di più. Pertanto, in una prima approssimazione, possiamo persino supporre che sia uguale all'infinito.

Il termine "differenziale" ("diverso" è tradotto dall'inglese come "differenza", "differenza", "differenza") significa che il potenziale di uscita dell'op-amp è influenzato unicamente dalla differenza di potenziale tra i suoi ingressi, indipendentemente  dai loro assolutovalori e polarità.

Il termine "corrente continua" significa che amplifica i segnali di ingresso dell'amplificatore operazionale da 0 Hz. L'intervallo di frequenza superiore (intervallo di frequenza) dei segnali amplificati operazionali dipende da molte ragioni, come le caratteristiche di frequenza dei transistor di cui è costituito, il guadagno di un circuito costruito utilizzando amplificatori operazionali, ecc. Ma questo problema è già oltre lo scopo della conoscenza iniziale del suo lavoro e non verrà preso in considerazione qui.

Gli ingressi dell'amplificatore operazionale hanno una resistenza di ingresso molto grande pari a decine / centinaia di MegaOhm, o anche GigaOhm (e solo nel memorabile K140UD1, e anche nel K140UD5 erano solo 30 ... 50 kOhm). Una resistenza di ingresso così grande significa che praticamente non influenzano il segnale di ingresso.

Pertanto, con un grande grado di approssimazione all'ideale teorico, possiamo supporre che corrente l'amplificatore operazionale non scorre negli ingressi . Questo è il primo  una regola importante che viene applicata durante l'analisi del funzionamento di un amplificatore operazionale. Vi chiedo di ricordare bene che riguarda solo l'opamp stessoma no schemi   con la sua applicazione!

Cosa significano i termini invertendo e non invertendo? In relazione a cosa viene determinata l'inversione e, in generale, che tipo di "animale" è questo: inversione del segnale?

Tradotto dal latino, uno dei significati della parola "inversio" è "avvolgimento", "colpo di stato". In altre parole inversione è un'immagine speculare ( mirroring) segnale relativo all'asse orizzontale X(asse del tempo). In fig. La Figura 1 mostra alcune delle molte opzioni possibili per l'inversione del segnale, dove rosso indica un segnale diretto (input) e blu indica un segnale invertito (output).

Fig. 1 Il concetto di inversione del segnale

Va notato in particolare che alla linea zero (come in Fig. 1, A, B) l'inversione del segnale non allegato! I segnali possono essere inversi e asimmetrici. Ad esempio, entrambi si trovano solo nella regione dei valori positivi (Fig. 1, B), tipica dei segnali digitali o con potenza unipolare (ne discuteremo più avanti), oppure entrambi parzialmente nelle regioni positive e in parte negative (Fig. 1, B, D). Altre opzioni sono possibili. La condizione principale è la reciproca speculare  rispetto a un livello scelto arbitrariamente (ad esempio un punto medio artificiale, che verrà discusso anche in seguito). In altre parole polarità  anche il segnale non è un fattore determinante.

Descrivi opamps su concetti in diversi modi. All'estero, i sistemi operativi erano precedentemente rappresentati e anche ora sono spesso rappresentati come un triangolo isoscele (Fig. 2, A). L'ingresso invertito è indicato dal simbolo meno, mentre l'ingresso non invertito è indicato dal simbolo più all'interno del triangolo. Questi simboli non significano affatto che il potenziale deve essere più positivo o più negativo sugli input corrispondenti che sull'altro. Indicano semplicemente come il potenziale di uscita reagisce ai potenziali forniti agli ingressi. Di conseguenza, sono facilmente confusi con i cavi di alimentazione, che possono rivelarsi "rastrelli" inaspettati, specialmente per i principianti.

   Fig. 2 Varianti di immagini grafiche condizionali (UGO)
   amplificatori operazionali

Prima dell'entrata in vigore di GOST 2.759-82 (ST SEV 3336-81), nel sistema di immagini grafiche condizionali domestiche (UGO), anche le unità organizzative erano rappresentate sotto forma di un triangolo, solo l'ingresso invertito - dal simbolo di inversione - da un cerchio all'intersezione dell'uscita con il triangolo (Fig. 2, B), e ora - sotto forma di un rettangolo (Fig. 2, C).

Quando si designa l'amplificatore operazionale nei diagrammi, gli ingressi invertenti e non invertiti possono essere scambiati, se è più conveniente, tuttavia, l'ingresso tradizionalmente invertito è mostrato in alto e non invertente - in basso. I cavi di potenza, di regola, hanno sempre l'unico modo (positivo in alto, negativo in basso).

Gli amplificatori operazionali vengono quasi sempre utilizzati nei circuiti di feedback negativo (OOS).

Il feedback è l'effetto di fornire una parte della tensione di uscita di un amplificatore al suo ingresso, dove viene algebricamente (tenendo conto del segno) sommato alla tensione di ingresso. Di seguito verrà discusso il principio della somma dei segnali. A seconda dell'ingresso dell'amplificatore operazionale, invertente o non invertente, viene fornito il sistema operativo, il feedback negativo (OOS) si distingue quando parte del segnale di uscita viene inviata all'ingresso invertente (Fig. 3, A) o feedback positivo (PIC) quando il segnale di uscita viene fornito, rispettivamente, a un ingresso non invertente (Fig. 3, B).

Fig. 3 Il principio di formazione del feedback (OS)

Nel primo caso, poiché il segnale di uscita è inverso rispetto all'ingresso, viene sottratto dall'ingresso. Di conseguenza, il guadagno complessivo in cascata è ridotto. Nel secondo caso, viene sommato con l'input, aumenta il guadagno complessivo della cascata.

A prima vista, può sembrare che PIC abbia un effetto positivo e OOS è un'impresa completamente inutile: perché ridurre il guadagno? Questo è esattamente ciò che pensavano gli esaminatori di brevetti statunitensi quando Harold S. Black ci ho provato  brevetto OOS. Tuttavia, sacrificando il guadagno, miglioriamo in modo significativo altri parametri importanti del circuito, come la sua linearità, gamma di frequenza, ecc. Più profondo è l'OOS, meno le caratteristiche dell'intero circuito dipendono dalle caratteristiche dell'opamp.

Ma il PIC (dato il suo enorme guadagno nell'amplificatore operazionale) ha un effetto inverso sulle caratteristiche del circuito e la cosa più spiacevole è la sua autoeccitazione. Naturalmente, è anche usato consapevolmente, ad esempio, in generatori, comparatori con isteresi (più avanti su questo più avanti), ecc., Ma in generale il suo effetto sul funzionamento dei circuiti amplificatori con amplificatori operazionali è piuttosto negativo e richiede un'analisi molto attenta e ragionevole la sua applicazione.

Poiché il sistema operativo ha due ingressi, sono possibili i seguenti tipi principali di inclusione mediante OOS (Fig. 4):

   Fig. 4 Schemi di base dell'inclusione del sistema operativo

a) invertente   (Fig. 4, A) - il segnale viene inviato all'ingresso invertente e quello non invertente è collegato direttamente al potenziale di riferimento (non utilizzato);

b) non invertente   (Fig. 4, B) - il segnale viene inviato a un ingresso non invertente e quello invertente è collegato direttamente al potenziale di riferimento (non utilizzato);

c)   differenziale   (Fig. 4, B) - i segnali vengono applicati a entrambi gli ingressi, invertendo e non invertendo.

Per analizzare il funzionamento di questi schemi, si dovrebbe tener conto secondo  il più importante la regola, che obbedisce al lavoro del sistema operativo: L'uscita dell'amplificatore operazionale tende a garantire che la differenza di tensione tra i suoi ingressi sia zero.

Tuttavia, qualsiasi formulazione dovrebbe essere necessario e sufficientelimitare l'intero sottoinsieme di casi ad esso subordinati. La formulazione di cui sopra, con tutta la sua "classicità", non fornisce alcuna informazione su quale degli input "l'output" cerca di influenzare ". Procedendo da esso, si scopre che l'amplificatore operazionale sembra equalizzare la tensione ai suoi ingressi, fornendo loro tensione da qualche parte "dentro".

Se si considerano attentamente gli schemi di Fig. 4, si può notare che l'OOS (tramite Roos) in tutti i casi viene avviato dall'uscita solo  a un input invertente, che ci dà motivo di riformulare questa regola come segue: Voltaggio acceso l'output del sistema operativo, coperto da OOS, cerca di garantire che il potenziale all'ingresso invertente sia uguale al potenziale all'ingresso non invertente.

Sulla base di questa definizione, il "comando" ad ogni accensione dell'op-amp con OOS è l'ingresso non invertente e lo "slave" è l'ingresso invertente.

Nel descrivere il funzionamento di un amplificatore operazionale, il potenziale al suo ingresso di inversione viene spesso chiamato "zero virtuale" o "punto medio virtuale". La traduzione della parola latina "virtus" significa "immaginario", "immaginario". Un oggetto virtuale si comporta vicino al comportamento di oggetti simili della realtà materiale, vale a dire, per i segnali di ingresso (a causa dell'azione di OOS), l'ingresso invertente può essere considerato collegato direttamente allo stesso potenziale a cui è collegato l'ingresso non invertente. Tuttavia, lo "zero virtuale" è solo un caso speciale, che si verifica solo con l'alimentazione bipolare dell'amplificatore operazionale. Quando si utilizza l'alimentatore unipolare (che verrà discusso di seguito) e in molti altri circuiti di commutazione, non vi sarà alcun zero sugli ingressi non invertenti o invertenti. Pertanto, concordiamo sul fatto che non useremo questo termine, poiché interferisce con la comprensione iniziale dei principi del sistema operativo.

Da questo punto di vista, analizzeremo gli schemi mostrati in Fig. 4. Allo stesso tempo, per semplificare l'analisi, assumiamo che le tensioni di alimentazione siano ancora bipolari, uguali in grandezza (diciamo ± 15 V), con un punto medio (bus comune o terra), rispetto al quale conteremo l'ingresso e tensioni di uscita. Inoltre, l'analisi verrà effettuata a corrente continua, come un segnale alternato variabile in ogni momento può anche essere rappresentato come un campione di valori di corrente continua. In tutti i casi, il feedback tramite Rooc viene stabilito dall'uscita dell'op-amp al suo ingresso di inversione. La differenza è solo in quale degli ingressi viene applicata la tensione di ingresso.

A) invertito  inclusione (Fig. 5).

   Fig. 5 Il principio di funzionamento dell'amplificatore operazionale nell'inversione dell'inclusione

Il potenziale all'ingresso non invertente è zero, perché è collegato a un punto medio ("terra"). Un segnale di ingresso pari a +1 V rispetto al punto medio (da GB) viene applicato al terminale sinistro del resistore di ingresso Rin. Supponiamo che la resistenza Rooos e Rin siano uguali tra loro e ammontino a 1 kOhm (in totale, la loro resistenza è di 2 kOhm).

Secondo la Regola 2, l'ingresso invertente deve avere lo stesso potenziale di quello invertito azzerato, cioè 0 V. Pertanto, una tensione di +1 V viene applicata a Rin. Secondo la legge di Ohm, una corrente scorrerà attraverso di essa iorin.  \u003d 1 V / 1000 Ohm \u003d 0,001 A (1 mA). La direzione del flusso di questa corrente è indicata da una freccia.

Poiché Rooc e Rin sono attivati \u200b\u200bdal divisore e secondo la Regola 1, gli ingressi dell'amplificatore operazionale non consumano corrente, quindi la tensione nel punto medio di questo divisore è 0 V, la tensione deve essere applicata al terminale destro di Rooc meno  1 V e la corrente che scorre attraverso di essa iovespe  dovrebbe anche essere uguale a 1 mA. In altre parole, viene applicata una tensione di 2 V tra il terminale sinistro di Rin e il terminale destro di Rooc e la corrente che fluisce attraverso questo divisore è 1 mA (2 V / (1 kΩ + 1 kΩ) \u003d 1 mA), cioè io rin. = io vespe .

Se all'ingresso viene applicata una tensione di polarità negativa, l'uscita dell'op-amp avrà una tensione di polarità positiva. Tutto è uguale, solo le frecce che mostrano il flusso di corrente attraverso Roox e Rin saranno dirette nella direzione opposta.

Pertanto, con l'uguaglianza dei valori di Rooos e Rin, la tensione all'uscita dell'op-amp sarà uguale alla tensione al suo ingresso in grandezza, ma inversa in polarità. E abbiamo ottenuto invertente ripetitore . Questo circuito viene spesso utilizzato se è necessario invertire il segnale ottenuto utilizzando circuiti fondamentalmente inverter. Ad esempio, amplificatori logaritmici.

Ora, mantenendo il valore nominale di Rin uguale a 1 kOhm, aumentiamo la resistenza Roohs a 2 kOhm con lo stesso segnale di ingresso +1 V. La resistenza totale del divisore Roohs + \u200b\u200bRinuh è aumentata a 3 kOhm. Affinché il potenziale 0 V (uguale al potenziale dell'ingresso non invertente) rimanga nel suo punto medio, la stessa corrente (1 mA) deve fluire attraverso RooC come attraverso Rin. Di conseguenza, la caduta di tensione su Roos (tensione all'uscita dell'op-amp) dovrebbe già essere 2 V. All'uscita dell'op-amp, la tensione è meno 2 V.

Aumenta il valore nominale di Rooc a 10 kOhm. Ora la tensione all'uscita dell'op-amp nelle stesse condizioni rimanenti è già di 10 V. Caspita! Finalmente abbiamo ottenuto invertente amplificatore ! La sua tensione di uscita è maggiore della tensione di ingresso (in altre parole, guadagna Ku) molte volte quante volte la resistenza Roox è maggiore della resistenza Rin. Indipendentemente da come prometto di non applicare le formule, mostriamo comunque questo come un'equazione:
   Ku \u003d - Uout / Uin \u003d - Rooos / Rin. (2)

Il segno meno davanti alla frazione del lato destro dell'equazione significa solo che il segnale di uscita è inverso all'ingresso. E niente di più!

Ora aumentiamo la resistenza di Rooos a 20 kOhm e analizziamo cosa succede. Secondo la formula (2), con Ku \u003d 20 e un segnale di ingresso di 1 V, l'uscita avrebbe dovuto avere una tensione di 20 V. Ma eccolo! In precedenza avevamo ipotizzato che la tensione di alimentazione del nostro amplificatore operazionale fosse solo di ± 15 V. Ma non è possibile ottenere anche 15 V (perché - un po 'più basso). "Non puoi saltare sopra la testa (alimentazione di tensione)!" Come risultato di tale abuso sulle potenze del circuito, la tensione di uscita dell'amplificatore operazionale “poggia” sulla tensione di alimentazione (l'uscita dell'amplificatore operazionale entra in saturazione). L'equilibrio dell'uguaglianza delle correnti attraverso il divisore RoocRvh ( iorin. = iovespe) viene violato, appare un potenziale all'ingresso invertito, diverso dal potenziale all'ingresso non invertente. La regola 2 cessa di essere applicata.

input resistenza   invertire l'amplificatore  uguale alla resistenza Rin, perché tutta la corrente dalla sorgente del segnale di ingresso (GB) scorre attraverso di essa.

Ora sostituiamo la costante Rooc con una variabile, con un valore nominale, diciamo 10 kOhm (Fig. 6).

   Fig. 6 Guadagno variabile invertendo il circuito dell'amplificatore

Con la posizione destra (secondo lo schema) del suo motore, il guadagno sarà Rоос / Rin \u003d 10 kОм / 1 кОм \u003d 10. Spostando il motore Роос a sinistra (diminuendo la sua resistenza), il guadagno del circuito diminuirà e, infine, alla sua posizione più a sinistra diventerà zero, poiché il numeratore nella formula precedente diventa zero in qualsiasi   valore del denominatore. L'uscita sarà zero anche per qualsiasi valore e polarità del segnale di ingresso. Tale schema viene spesso utilizzato negli schemi di amplificazione dei segnali audio, ad esempio nei mixer, dove è necessario regolare il guadagno da zero.

B) Non invertendo  inclusione (Fig. 7).

   Fig. 7 Il principio di funzionamento dell'amplificatore operazionale nell'inclusione non invertente

Il terminale sinistro Rin è collegato al punto medio (massa) e un segnale di ingresso di +1 V viene applicato direttamente all'ingresso non invertente. Poiché le sfumature dell'analisi sono "masticate" sopra, qui presteremo attenzione solo a differenze significative.

Nella prima fase dell'analisi, assumiamo anche che la resistenza Rooos e Rin siano uguali tra loro e ammontino a 1 kOhm. perché ad un ingresso non invertente, il potenziale è +1 V, quindi secondo la Regola 2, lo stesso potenziale (+1 V) dovrebbe essere all'ingresso invertito (mostrato in figura). Per fare ciò, il terminale destro della resistenza Rooc (uscita OU) deve avere una tensione di +2 V. Correnti iorin.e iovespepari a 1 mA, ora fluisce attraverso i resistori Rooc e Rin nella direzione opposta (indicato dalle frecce). Ci siamo riusciti non invertendo amplificatore con un guadagno di 2, poiché un segnale di ingresso di +1 V genera un segnale di uscita di +2 V.

Strano, vero? Le classificazioni sono le stesse dell'inclusione invertente (l'unica differenza è che il segnale viene applicato a un altro input) e il guadagno è evidente. Lo scopriremo un po 'più tardi.

Ora aumentiamo il Rooc nominale a 2 kOhm. Per mantenere l'equilibrio attuale iorin. = iovespe  e il potenziale dell'ingresso invertito è +1 V, l'uscita dell'op-amp dovrebbe essere già +3 V. Ku \u003d 3 V / 1 V \u003d 3!

Se confrontiamo i valori di Ku in un'accensione non invertente con uno invertente, con gli stessi valori di Rooc e Rin, allora si scopre che il guadagno in tutti i casi è maggiore di uno. Deriviamo la formula:
   Ku \u003d Uout / Uin + 1 \u003d (Rooos / Rin) + 1 (3)

Perché sta succedendo questo? Sì, molto facile! OOS agisce esattamente allo stesso modo di un interruttore di inversione, ma secondo la Regola 2, il potenziale di un ingresso non invertente viene sempre aggiunto al potenziale di un ingresso invertito in un interruttore non invertente.

Quindi, con un'attivazione non invertita, non puoi ottenere un guadagno pari a 1? Perché no - puoi. Riduciamo il valore nominale di Rooc, nello stesso modo in cui abbiamo analizzato la Fig. 6. Al suo valore zero - cortocircuito dell'uscita con l'ingresso di inversione a breve (Fig. 8, A), secondo la Regola 2, l'uscita avrà una tensione tale che il potenziale dell'ingresso di inversione è uguale al potenziale dell'ingresso non invertente, ovvero +1 V. Otteniamo: Ku \u003d 1 V / 1 V \u003d 1   (!) Bene, poiché l'ingresso di corrente invertita non consuma e non vi è alcuna differenza di potenziale tra esso e l'uscita, quindi non scorre corrente in questo circuito.

   Fig. 8 Schema di accensione dell'amplificatore operazionale come follower di tensione

Rin diventa generalmente superfluo, perché è collegato in parallelo al carico su cui deve funzionare l'uscita dell'amplificatore operazionale e attraverso di essa la sua corrente di uscita scorrerà invano. E cosa accadrà se lasciamo Rooc ma rimuoviamo Rin (Fig. 8, B)? Quindi, nella formula di amplificazione Ku \u003d Rooos / Rin + 1, la resistenza Rin teoricamente si avvicina all'infinito (in realtà, ovviamente, no, perché ci sono perdite sulla scheda e anche la corrente dell'op-amp in ingresso è trascurabile, ma tutto è zero non è uguale), in cui il rapporto Rooos / Rin è uguale a zero. Nella formula rimane solo un'unità: Ku \u003d + 1. E il guadagno può essere inferiore all'unità per questo circuito? No, meno non funzionerà in nessun caso. L'unità "extra" nella formula del guadagno sulla curva di una capra non può andare in giro ...

Dopo aver rimosso tutti i resistori "extra", otteniamo un circuito non inversione ripetitore mostrato in Fig. 8, B.

A prima vista, un tale schema non ha un significato pratico: perché abbiamo bisogno di un "guadagno" singolo e anche non inverso - cosa, non puoi semplicemente dare un ulteriore segnale ??? Tuttavia, tali schemi sono usati abbastanza spesso ed è per questo che. Secondo la Regola 1, la corrente non fluisce negli ingressi opamp, cioè impedenza di ingresso   il ripetitore non invertente è molto grande - le stesse decine, centinaia e persino migliaia di megaohm (lo stesso vale per il circuito di Fig. 7)! Ma l'impedenza di uscita è molto piccola (frazione di Ohm!). L'uscita dell'amplificatore operazionale "soffia con tutte le sue forze", cercando, secondo la Regola 2, di mantenere lo stesso potenziale sull'ingresso invertito come su quello non invertente. La limitazione è solo la corrente di uscita consentita dell'amplificatore operazionale.

E qui da questo posto siamo un po 'vili al lato e considereremo il problema delle correnti di uscita op-amp in un po' più di dettaglio.

Per la maggior parte degli opamp di uso diffuso, i parametri tecnici indicano che la resistenza di carico collegata alla loro uscita non dovrebbe essere meno  2 kOhm. Altro - quanto vuoi. Per un numero molto più piccolo, è 1 kOhm (K140UD ...). Ciò significa che nelle peggiori condizioni: la massima tensione di alimentazione (ad esempio, ± 16 V o un totale di 32 V), il carico collegato tra l'uscita e uno dei bus di alimentazione e la massima tensione di uscita della polarità opposta, al carico verrà applicata una tensione di circa 30 V. In questo caso, la corrente attraverso di essa sarà: 30 V / 2000 Ohm \u003d 0,015 A (15 mA). Non così tanto, ma non troppo. Fortunatamente, la maggior parte degli opamp per uso generico ha una protezione integrata contro le sovracorrenti: la corrente di uscita massima tipica è 25 mA. La protezione impedisce il surriscaldamento e il guasto dell'amplificatore operazionale.

Se la tensione di alimentazione non è il massimo consentito, la resistenza minima di carico può essere ridotta proporzionalmente. Ad esempio, con un alimentatore da 7,5 ... 8 V (per un totale di 15 ... 16 V), può essere 1 kOhm.

in) differenziale  inclusione (Fig. 9).

   Fig. 9 Il principio di funzionamento dell'amplificatore operazionale nella commutazione differenziale

Supponiamo quindi che con gli stessi valori di Rin e Rooos pari a 1 kOhm, la stessa tensione pari a +1 V sia applicata a entrambi gli ingressi del circuito (Fig. 9, A). Poiché i potenziali su entrambi i lati del resistore Rin sono uguali tra loro (la tensione sul resistore è 0), non vi scorre corrente. Quindi, è uguale a zero e la corrente attraverso il resistore Rooc. Cioè, questi due resistori non svolgono alcuna funzione. In effetti, in realtà abbiamo un ripetitore non invertente (confronta con la Figura 8). Di conseguenza, all'uscita otteniamo la stessa tensione dell'ingresso non invertente, ovvero +1 V. Cambia la polarità del segnale di ingresso all'ingresso invertente del circuito (capovolgi GB1) e applica meno 1 V (Fig. 9, B). Ora una tensione di 2 V viene applicata tra i terminali di Rin e una corrente scorre attraverso di essa iorin  \u003d 2 mA (spero che non sia più necessario dipingere in dettaglio perché è così?). Per compensare questa corrente, anche una corrente di 2 mA deve fluire attraverso Rooos. E per questo, l'uscita dell'op-amp dovrebbe essere una tensione di +3 V.

Qui è dove il "ghigno" malizioso di un'unità aggiuntiva è apparso nella formula del guadagno di un amplificatore non invertente. Si scopre che con questo semplificato  inclusione differenziale, la differenza nel guadagno sposta costantemente il segnale di uscita del valore del potenziale all'ingresso non invertente. Problema, signore! Tuttavia, "Anche se sei stato mangiato, hai ancora almeno due uscite". Quindi, in qualche modo dobbiamo equalizzare il guadagno delle inclusioni invertenti e non invertenti al fine di "neutralizzare" questa unità aggiuntiva.

Per fare ciò, applichiamo il segnale di ingresso all'ingresso non invertente non direttamente, ma attraverso il divisore Rin2, R1 (Fig. 9, B). Accettiamo anche i loro valori nominali di 1 kOhm. Ora all'ingresso non invertente (e quindi anche invertente) dell'amplificatore operazionale ci sarà un potenziale di +0,5 V, la corrente scorrerà attraverso di esso (e Rooc) iorin = iovespe  \u003d 0,5 mA, per garantire che l'uscita dell'op-amp deve avere una tensione pari a 0 V. Fu-uh! Abbiamo raggiunto quello che volevamo! Se i segnali su entrambi gli ingressi del circuito sono uguali in magnitudine e polarità (in questo caso +1 V, ma lo stesso vale per meno 1 V e per qualsiasi altro valore digitale), una tensione zero pari alla differenza nei segnali di ingresso verrà memorizzata all'uscita dell'amplificatore operazionale .

Verifichiamo questo ragionamento applicando un segnale di polarità negativo meno 1 V all'ingresso invertente (Fig. 9, D). Allo stesso tempo iorin = iovespe  \u003d 2 mA, per cui l'uscita dovrebbe essere +2 V. Tutto è stato confermato! Il livello di uscita corrisponde alla differenza tra l'ingresso.

Naturalmente, con l'uguaglianza di Rin1 e Rooc (rispettivamente, Rin2 e R1) non riceveremo l'amplificazione. Per fare questo, è necessario aumentare i valori di Rooos e R1, come è stato fatto nell'analisi delle inclusioni precedenti del sistema operativo (non ripeterò), e rigorosamente   si osserva il rapporto:

Roox / Rin1 \u003d R1 / Rin2. (4)

Quale utilità otteniamo da questa inclusione nella pratica? E otteniamo una proprietà meravigliosa: la tensione di uscita non dipende dai valori assoluti dei segnali di ingresso, se sono uguali tra loro in grandezza e polarità. Viene emesso solo il segnale di differenza (differenziale). Ciò consente l'amplificazione di segnali molto piccoli su uno sfondo di interferenza che agisce allo stesso modo su entrambi gli ingressi. Ad esempio, un segnale proveniente da un microfono dinamico su uno sfondo di una rete con frequenza di alimentazione di 50 Hz.

Tuttavia, in questa botte di miele, sfortunatamente, c'è una mosca nell'unguento. Innanzitutto, l'uguaglianza (4) deve essere osservata in modo molto rigoroso (fino al decimo e talvolta al centesimo! Altrimenti, ci sarà uno squilibrio delle correnti che agiscono nel circuito e quindi, oltre ai segnali di differenza ("fuori fase"), verranno amplificati anche i segnali combinati ("in fase").

Diamo un'occhiata all'essenza di questi termini (Fig. 10).

   Fig. 10 Spostamento di fase del segnale

La fase del segnale è un valore che caratterizza l'offset dell'origine del periodo del segnale rispetto all'origine del tempo. Poiché sia \u200b\u200bil riferimento temporale che il riferimento periodo sono selezionati arbitrariamente, la fase di uno periodico  il segnale non ha un significato fisico. Tuttavia, la differenza di fase dei due periodico  i segnali è una quantità che ha un significato fisico; riflette il ritardo di uno dei segnali rispetto all'altro. Ciò che è considerato l'inizio di un periodo non ha importanza. Per il punto iniziale del periodo, puoi prendere un valore zero con una pendenza positiva. Puoi - massimo. Tutto è in nostro potere.

In fig. 9, il segnale sorgente è rosso, il verde viene spostato di ¼ del periodo rispetto alla sorgente e il blu è ½ del periodo. Se confrontiamo le curve rosse e blu con le curve di Fig. 2B, si può vedere che sono reciprocamente sono inversa. Pertanto, i "segnali in fase" sono segnali che coincidono tra loro in ciascuno dei suoi punti e "segnali antifase" - rovesciato  l'uno rispetto all'altro.

Allo stesso tempo, il concetto inversione  più ampio del concetto faseperché quest'ultimo si applica solo ai segnali periodici che si ripetono periodicamente. Un concetto inversione applicabile a qualsiasi segnale, compresi quelli non periodici, come un segnale audio, una sequenza digitale o una tensione costante. che fase  era una quantità costante, il segnale dovrebbe essere periodico almeno su un certo intervallo. Altrimenti, sia la fase che il periodo si trasformano in astrazioni matematiche.

In secondo luogo, gli ingressi invertenti e non invertenti nell'inclusione differenziale con l'uguaglianza dei valori di Roo \u003d R1 e Rin1 \u003d Rin2 avranno resistenze di ingresso diverse. Se la resistenza di ingresso dell'ingresso di inversione è determinata solo dal valore di Rin1, allora non si inverte - dai valori successivamente  inclusi Rin2 e R1 (non hai dimenticato che gli ingressi dell'amplificatore operazionale non consumano corrente?). Nell'esempio sopra, saranno rispettivamente 1 e 2 kOhm. E se aumentiamo Rooc e R1 per ottenere uno stadio di amplificazione completo, allora la differenza aumenterà ancora più significativamente: a Ku \u003d 10 - fino a, rispettivamente, lo stesso 1 kOhm e fino a 11 kOhm!

Sfortunatamente, in pratica, i valori Rin1 \u003d Rin2 e Roox \u003d R1 sono generalmente impostati. Tuttavia, questo è accettabile solo se le sorgenti del segnale per entrambi gli ingressi sono molto basse. impedenza di uscita. Altrimenti, forma un divisore con la resistenza di ingresso di questo stadio dell'amplificatore e poiché il coefficiente di divisione di tali "divisori" sarà diverso, il risultato è evidente: un amplificatore differenziale con tali valori di resistenza non svolgerà la sua funzione di soppressione dei segnali di modo comune (combinato), o non svolgerà bene questa funzione .

Uno dei modi per risolvere questo problema potrebbe essere la disuguaglianza nei valori dei resistori collegati agli ingressi invertenti e non invertenti dell'op-amp. Vale a dire, che Rin2 + R1 \u003d Rin1. Un altro punto importante è il raggiungimento di una rigorosa osservanza dell'uguaglianza (4). Di norma, ciò si ottiene dividendo R1 in due resistori: una costante, generalmente il 90% del valore desiderato e una variabile (R2), la cui resistenza è il 20% del valore desiderato (Fig. 11, A).

   Fig. 11 Opzioni di bilanciamento dell'amplificatore differenziale

Il percorso è generalmente accettato, ma ancora una volta, con questo metodo di bilanciamento, anche se la resistenza di input di un input non invertente cambia leggermente, cambia. Un'opzione molto più stabile è l'inclusione di un resistore di sintonia (R5) in serie con Rooc (Fig. 11, B), poiché Rooc non partecipa alla formazione della resistenza di ingresso dell'ingresso di inversione. L'importante è mantenere il rapporto tra le loro denominazioni, analogamente all'opzione “A” (Roox / Rin1 \u003d R1 / Rin2).

Non appena abbiamo parlato di commutazione differenziale e menzionato i ripetitori, vorrei descrivere un circuito interessante (Fig. 12).

   Fig. 12 Circuito ripetitore invertibile / non invertibile commutabile

Il segnale di ingresso viene applicato contemporaneamente a entrambi gli ingressi del circuito (invertente e non invertente). I valori di tutti i resistori (Rin1, Rin2 e Rooc) sono uguali tra loro (in questo caso, prendiamo i loro valori reali: 10 ... 100 kOhm). L'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale con il tasto SA può essere abbreviato in un bus comune.

Nella posizione chiusa della chiave (Fig. 12, A), la resistenza Rin2 non partecipa al funzionamento del circuito (attraverso di essa solo la corrente è "inutile" ioin2  dalla sorgente del segnale al bus comune). Abbiamo capito ripetitore invertente  con un guadagno pari a meno 1 (vedi. Fig. 6). Ma quando la chiave SA è aperta (Fig. 12, B) otteniamo ripetitore non invertente  con un guadagno di +1.

Il principio di funzionamento di questo circuito può essere espresso in modo leggermente diverso. Quando la chiave SA è chiusa, funziona come un amplificatore invertente con un guadagno di meno 1 e, quando è aperta, allo stesso tempo  (!) E come amplificatore invertente con guadagno, meno 1, e come amplificatore non invertente con guadagno +2, da cui: Ku \u003d +2 + (–1) \u003d +1.

In questa forma, questo circuito può essere utilizzato se, ad esempio, in fase di progettazione, la polarità del segnale di ingresso non è nota (ad esempio, da un sensore a cui non è possibile accedere prima della configurazione del dispositivo). Se, tuttavia, si utilizza un transistor (ad esempio un effetto di campo) controllato dal segnale di ingresso utilizzando comparatore  (ne parleremo di seguito), otteniamo rivelatore sincrono  (raddrizzatore sincrono). L'implementazione concreta di un tale schema, ovviamente, va oltre la familiarizzazione iniziale con il lavoro del sistema operativo e non lo considereremo di nuovo in dettaglio qui.

E ora diamo un'occhiata al principio della somma dei segnali di input (Fig. 13, A), e allo stesso tempo scopriremo quali valori dei resistori Rin e Rooc dovrebbero essere nella realtà.

   Fig. 13 Il principio di funzionamento del sommatore inverso

Prendiamo come base l'amplificatore di inversione già considerato sopra (Fig. 5), colleghiamo solo uno, ma due resistori di ingresso Rin1 e Rin2 all'ingresso dell'amplificatore operazionale. Finora, per scopi "educativi", prendiamo la resistenza di tutti i resistori, incluso Rooc, pari a 1 kOhm. Ai pin sinistro Rin1 e Rin2 diamo segnali di ingresso pari a +1 V. Correnti pari a 1 mA scorrono attraverso queste resistenze (mostrate da frecce che puntano da sinistra a destra). Al fine di mantenere lo stesso potenziale all'ingresso invertente rispetto al non invertente (0 V), una corrente pari alla somma delle correnti di ingresso (1 mA + 1 mA \u003d 2 mA) deve fluire attraverso il resistore di Rooc, indicato da una freccia che punta nella direzione opposta (da destra a sinistra) ), per cui dovrebbe esserci una tensione di meno 2 V.

Lo stesso risultato (tensione di uscita meno 2 V) può essere ottenuto se si applica una tensione di +2 V all'ingresso dell'amplificatore invertente (Fig. 5) o il valore di Rin viene dimezzato, ad es. fino a 500 ohm. Aumentare la tensione applicata al resistore Rin2 a +2 V (Fig. 13, B). All'uscita, otteniamo una tensione di meno 3 V, che è uguale alla somma delle tensioni di ingresso.

Non ci possono essere due ingressi, ma quanti ne desideri. Il principio di funzionamento di questo circuito non cambierà da questo: in ogni caso, la tensione di uscita sarà direttamente proporzionale alla somma algebrica (tenendo conto del segno!) Delle correnti che passano attraverso i resistori collegati all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale (inversamente proporzionale ai loro valori nominali), indipendentemente dal loro numero.

Se, tuttavia, vengono applicati segnali pari a +1 V e meno 1 V agli ingressi del sommatore invertente (Fig. 13, B), le correnti che fluiranno attraverso di essi saranno dirette in modo opposto, si annulleranno a vicenda e l'uscita sarà 0 V. In questo caso, attraverso il resistore di Rooc nessuna corrente scorrerà. In altre parole, la corrente che scorre lungo Rooc viene sommata algebricamente input  Correnti.

Un punto importante viene anche da qui: mentre operavamo con piccole tensioni di ingresso (1 ... 3 V), l'uscita OA di ampia applicazione poteva fornire una tale corrente (1 ... 3 mA) per Rooc e qualcos'altro rimaneva per il carico collegato all'uscita OA. Ma se la tensione dei segnali di ingresso viene aumentata al massimo consentito (vicino alla tensione di alimentazione), si scopre che l'intera corrente di uscita andrà a Rooc. Non è rimasto nulla per il carico. E chi ha bisogno di una cascata di amplificazione che funzioni "da sola"? Inoltre, i valori dei resistori di ingresso, pari a solo 1 kOhm (rispettivamente, che determinano l'impedenza di ingresso dello stadio dell'amplificatore invertente), richiedono il flusso di correnti eccessivamente elevate su di essi, caricando fortemente la sorgente del segnale. Pertanto, nei circuiti reali, la resistenza Rin è selezionata non meno di 10 kOhm, ma preferibilmente non più di 100 kOhm, in modo tale che a un dato guadagno non venga assegnato a Rooo un valore nominale troppo elevato. Sebbene questi valori non siano assoluti, ma solo approssimativi, come si dice, "in prima approssimazione", tutto dipende dal particolare schema. In ogni caso, è indesiderabile che una corrente superiore al 5 ... 10% della corrente di uscita massima di questo particolare op-amp scorra attraverso Rooos.

I segnali sommati possono anche essere applicati a un ingresso non invertente. Si scopre sommatore non invertente. Fondamentalmente, un tale circuito funzionerà esattamente allo stesso modo di un sommatore invertente, la cui uscita sarà un segnale direttamente proporzionale alle tensioni di ingresso e inversamente proporzionale ai valori nominali dei resistori di ingresso. Tuttavia, in pratica viene utilizzato molto meno spesso, perché contiene un "rastrello" da considerare.

Poiché la Regola 2 è valida solo per un ingresso invertito, sul quale agisce il "potenziale virtuale di zero", ci sarà un potenziale sul non invertimento pari alla somma algebrica delle tensioni di ingresso. Pertanto, la tensione di ingresso disponibile su uno degli ingressi influirà sulla tensione fornita agli altri ingressi. Non esiste un "potenziale virtuale" nell'input non invertente! Di conseguenza, dobbiamo applicare ulteriori trucchi circuitali.

Finora abbiamo preso in considerazione schemi per sistemi operativi con protezione ambientale. E cosa accadrà se il feedback viene rimosso del tutto? In questo caso, otteniamo comparatore  (Fig. 14), cioè un dispositivo che confronta i due potenziali ai loro ingressi per valore assoluto (dalla parola inglese confrontare - confronta). Alla sua uscita ci sarà una tensione che si avvicina a una delle tensioni di alimentazione, a seconda di quale dei segnali è più grande dell'altro. Tipicamente, il segnale di ingresso viene applicato a uno degli ingressi e all'altro una tensione costante, con la quale viene confrontato (la cosiddetta "tensione di riferimento"). Può essere qualsiasi, incluso uguale a zero potenziale (Fig. 14, B).

   Fig. 14 Schema di accensione dell'amplificatore operazionale come comparatore

Tuttavia, non tutto è così buono "nel regno danese" ... E cosa succede se la tensione tra gli ingressi è zero? In teoria, anche l'output dovrebbe essere zero, ma in realtà - mai. Se il potenziale su uno degli ingressi supera almeno un po 'il potenziale dell'altro, allora questo sarà sufficiente a causare picchi di tensione caotici dovuti a disturbi casuali che puntano agli ingressi del comparatore.

In realtà, qualsiasi segnale è "rumoroso", perché l'ideale non può essere per definizione. E nella regione vicino al punto di uguali potenziali degli ingressi, un pacchetto di segnali di uscita apparirà all'uscita del comparatore invece di un interruttore chiaro. Per combattere questo fenomeno, viene spesso introdotto un circuito di confronto isteresi  creando un PIC positivo debole dall'uscita a un ingresso non invertente (Fig. 15).

   Fig. 15 Principio di isteresi nel comparatore dovuto a PIC

Analizziamo il funzionamento di questo circuito. La tensione di alimentazione è di ± 10 V (per un account pari). Resistenza Rin è 1 kOhm e Rpos è 10 kOhm. Il potenziale del punto medio viene selezionato come tensione di riferimento fornita all'ingresso invertente. La curva rossa mostra il segnale di ingresso proveniente dal pin sinistro Rin (ingresso schema  comparatore), blu - il potenziale all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale e verde - il segnale di uscita.

Finché il segnale di ingresso ha una polarità negativa, l'uscita è una tensione negativa, che, attraverso Rpos, viene sommata con la tensione di ingresso in proporzione inversa ai valori dei corrispondenti resistori. Di conseguenza, il potenziale di un ingresso non invertente nell'intero intervallo di valori negativi di 1 V (in valore assoluto) supera il livello del segnale di ingresso. Non appena il potenziale dell'ingresso non invertente è uguale al potenziale di quello invertito (per il segnale di ingresso sarà + 1 V), la tensione all'uscita dell'op-amp inizierà a passare dalla polarità negativa a positiva. Verrà avviato il potenziale totale sull'ingresso non invertente valanga diventare ancora più positivo, supportando il processo di tale passaggio. Di conseguenza, il comparatore semplicemente "non nota" fluttuazioni di rumore insignificanti dei segnali di ingresso e di riferimento, poiché saranno molti ordini di grandezza più piccoli di ampiezza rispetto al "passo" del potenziale descritto all'ingresso non invertente durante la commutazione.

Quando il segnale di ingresso diminuisce, il segnale di uscita del comparatore viene ripristinato alla tensione di ingresso meno 1 V. Questa differenza tra i livelli del segnale di ingresso che porta all'uscita del comparatore, che nel nostro caso è uguale a 2 V, viene chiamata isteresi. Maggiore è la resistenza Rpos rispetto a Rin (minore profondità POS), minore è l'isteresi di commutazione. Quindi, con Rpos \u003d 100 kOhm sarà solo 0,2 V, e con Rpos \u003d 1 MΩ sarà 0,02 V (20 mV). L'isteresi (profondità PIC) viene selezionata in base alle condizioni operative effettive del comparatore in un particolare circuito. In quale 10 mV ce ne saranno molti e in cui - 2 V saranno pochi.

Sfortunatamente, non tutti gli amplificatori operazionali, e non in tutti i casi, possono essere usati come comparatore. Sono disponibili circuiti di comparazione specializzati per la corrispondenza tra segnali analogici e digitali. Alcuni di essi sono specializzati per il collegamento a microcircuiti digitali TTL (597CA2), in parte - a microcircuiti digitali ESL (597CA1), tuttavia la maggior parte è il cosiddetto "Comparatori di ampia applicazione" (LM393 / LM339 / K554CA3 / K597CA3). La loro principale differenza rispetto all'op-amp è un dispositivo speciale dello stadio di uscita, che è realizzato su un transistor a collettore aperto (Fig. 16).

   Fig. 16 Stadio di uscita per comparatori ad ampio raggio
   e la sua connessione a una resistenza di carico

Ciò richiede l'uso di un dispositivo esterno resistenza di carico  (R1), senza il quale il segnale di uscita non è semplicemente fisicamente in grado di formare un livello di uscita alto (positivo). La tensione + U2 a cui è collegata la resistenza di carico può essere diversa dalla tensione di alimentazione + U1 del chip di confronto stesso. Ciò consente mezzi semplici per fornire il segnale di uscita del livello desiderato, sia esso TTL o CMOS.

Fino ad ora, abbiamo considerato i circuiti in cui il segnale di ingresso veniva immesso negli ingressi tramite Rin, ovvero erano tutti convertitori  input tensione in  giorno libero tensione  stesso. In questo caso, la corrente di ingresso scorreva attraverso Rin. E cosa accadrà se la sua resistenza è presa pari a zero? Il circuito funzionerà esattamente allo stesso modo dell'amplificatore di inversione considerato sopra, solo l'impedenza di uscita della sorgente del segnale (Rout) fungerà da Rin, e otterremo convertitore  input corrente   in  giorno libero tensione  (Fig. 17).

   Fig. 17 Schema del convertitore di corrente in tensione sul sistema operativo

Poiché il potenziale all'ingresso invertente è lo stesso di quello non invertente (in questo caso è "zero virtuale"), l'intera corrente di ingresso ( iorin) scorrerà attraverso Rooc tra l'uscita della sorgente del segnale (G) e l'uscita dell'op-amp. L'impedenza di ingresso di un tale circuito è vicina allo zero, il che consente di costruire micro / milliammetri basati su di esso, praticamente senza influenzare la corrente che scorre lungo il circuito misurato. Forse l'unica limitazione è la gamma di tensione di ingresso consentita dell'amplificatore operazionale, che non deve essere superata. Usandolo, puoi anche costruire, ad esempio, un convertitore lineare della corrente del fotodiodo in tensione e molti altri circuiti.

Abbiamo esaminato i principi di base dell'operazione del sistema operativo in vari schemi per la sua inclusione. Rimane una domanda importante: la loro cibo.

Come accennato in precedenza, un amplificatore operazionale in genere ha solo 5 pin: due ingressi, un'uscita e due pin di alimentazione, positivo e negativo. Nel caso generale, viene utilizzata l'alimentazione bipolare, ovvero la fonte di alimentazione ha tre uscite con potenziali: + U; 0; -U.

Ancora una volta, consideriamo attentamente tutte le figure sopra e vediamo che un output separato del punto medio nel sistema operativo NO ! Per il funzionamento del loro circuito interno, semplicemente non è necessario. Su alcuni circuiti, un ingresso non invertente era collegato al punto medio, tuttavia questa non è la regola.

di conseguenza, travolgendo la maggioranza   i moderni amplificatori operazionali sono progettati per alimentare POLAR SINGOLO tensione! Sorge una domanda logica: "Perché allora abbiamo bisogno dell'alimentazione bipolare" se l'abbiamo così persistentemente e con costanza invidiabile che l'abbiamo rappresentata nei disegni?

Si scopre che è giusto molto comodo  a fini pratici per i seguenti motivi:

A) Garantire una corrente e un'intensità sufficienti della tensione di uscita attraverso il carico (Fig. 18).

   Fig. 18 Il flusso della corrente di uscita attraverso il carico con varie opzioni per l'alimentazione dell'op-amp

Per ora, non prenderemo in considerazione i circuiti di ingresso (e OOS) dei circuiti mostrati nella figura ("scatola nera"). Diamo per scontato che un segnale sinusoidale in ingresso (sinusoide nero sui grafici) sia inviato all'ingresso e lo stesso segnale sinusoidale sia amplificato rispetto al colore sinusoidale in ingresso sui grafici).

Quando si collega il carico R tra l'uscita dell'op-amp e il punto medio della connessione degli alimentatori (GB1 e GB2) - Fig. 18A, la corrente scorre simmetricamente attraverso il carico rispetto al punto medio (rispettivamente, le semionde rosse e blu) e la sua ampiezza è massima e l'ampiezza della tensione è a Rload. anche il massimo possibile - può raggiungere quasi tensioni di alimentazione. La corrente dalla fonte di alimentazione della polarità corrispondente viene chiusa attraverso l'amplificatore operazionale, Rnag. e una fonte di alimentazione (linee rosse e blu che mostrano il flusso di corrente nella direzione corrispondente).

Poiché la resistenza interna degli alimentatori dell'amplificatore operazionale è molto piccola, la corrente che passa attraverso il carico è limitata solo dalla sua resistenza e dalla corrente di uscita massima dell'amplificatore operazionale, che in genere è 25 mA.

Quando si fornisce un amplificatore operazionale con tensione unipolare come autobus comune  di solito viene selezionato il polo negativo (meno) della fonte di alimentazione, a cui è collegato il secondo terminale di carico (Fig. 18, B). Ora la corrente che attraversa il carico può fluire solo in una direzione (indicata dalla linea rossa), la seconda direzione non ha da dove provenire. In altre parole, la corrente attraverso il carico diventa asimmetrica (pulsante).

È impossibile affermare inequivocabilmente che tale opzione è negativa. Se il carico è, diciamo, una testa dinamica, allora per lei questo è scarsamente inequivocabile. Tuttavia, ci sono molte applicazioni in cui collegare il carico tra l'uscita dell'op-amp e uno dei bus di potenza (di solito con polarità negativa) non è solo consentito, ma anche l'unico possibile.

Se, tuttavia, è necessario garantire la simmetria della corrente che fluisce attraverso il carico con un alimentatore unipolare, allora è necessario disaccoppiarlo galvanicamente dall'uscita dell'amplificatore operazionale galvanicamente dal condensatore C1 (Fig. 18, B).

B) Assicurare la corrente richiesta dell'ingresso di inversione, nonché legame  segnali di ingresso ad alcuni arbitrariamente selezionato  livello, la ricevuta  per il riferimento (zero) - impostazione della modalità operativa dell'amplificatore operazionale per corrente continua (Fig. 19).

   Fig. 19 Collegamento di una sorgente di ingresso con varie opzioni di alimentazione dell'amplificatore operazionale

Ora consideriamo le opzioni di connessione per le origini di input, escludendo la connessione del carico da considerare.

La connessione degli ingressi invertenti e non invertenti al punto medio della connessione delle fonti di energia (Fig. 19, A) è stata considerata nell'analisi degli schemi di cui sopra. Se l'ingresso di corrente non invertente non consuma e accetta semplicemente il potenziale del punto medio, quindi attraverso la sorgente del segnale (G) e Rin, collegati in serie, la corrente scorre, chiudendosi attraverso la corrispondente fonte di alimentazione! E poiché le loro resistenze interne sono trascurabili rispetto alla corrente di ingresso (molti ordini di grandezza inferiori a Rin), praticamente non influisce sulla tensione di alimentazione.

Pertanto, con l'alimentazione unipolare dell'amplificatore operazionale, è possibile formare perfettamente il potenziale fornito al suo ingresso non invertente utilizzando il divisore R1R2 (Fig. 19, B, C). I valori nominali tipici dei resistori di questo divisore sono 10 ... 100 kOhm e il più basso (collegato al bus negativo comune) è altamente desiderabile deviare il condensatore di 10 ... 22 microfarad al fine di ridurre significativamente l'effetto delle increspature dell'alimentazione sul potenziale artificiale   il punto medio.

Ma la sorgente del segnale (G) è estremamente indesiderabile per connettersi a questo punto medio artificiale a causa della stessa corrente di ingresso. Stimiamo. Anche con i valori del divisore R1R2 \u003d 10 kOhm e Rin \u003d 10 ... 100 kOhm, la corrente di ingresso iorin  nella migliore delle ipotesi sarà 1/10, e nel peggiore dei casi fino al 100% della corrente che passa attraverso il divisore. Pertanto, il potenziale dell'ingresso non invertente in combinazione (in fase) con il segnale di ingresso "fluttuerà" altrettanto.

Al fine di eliminare l'influenza degli ingressi l'uno sull'altro durante l'amplificazione dei segnali CC durante l'accensione, è necessario disporre di un potenziale del punto medio artificiale separato formato da resistori R3R4 (Fig. 19, B) per la sorgente del segnale, o se il segnale CA è amplificato, disaccoppiare galvanicamente la sorgente del segnale dall'ingresso invertente dal condensatore C2 (Fig. 19, B).

Va notato che negli schemi di cui sopra (Fig. 18, 19), abbiamo assunto per impostazione predefinita che il segnale di uscita deve essere simmetrico rispetto al punto medio delle fonti di energia o al punto medio artificiale. In realtà, questo non è sempre necessario. Abbastanza spesso, è necessario che il segnale di uscita abbia prevalentemente polarità positiva o negativa. Pertanto, non è assolutamente necessario che le polarità positive e negative della fonte di alimentazione siano uguali in valore assoluto. Uno di questi può essere molto più piccolo in valore assoluto rispetto all'altro, solo per garantire il normale funzionamento del sistema operativo.

Sorge una domanda logica: "E quale?" Per rispondere, considerare brevemente gli intervalli di tensione consentiti dei segnali di ingresso e uscita op-amp.

Per qualsiasi amplificatore operazionale, il potenziale di uscita non può essere superiore al potenziale del bus di potenza positivo e inferiore al potenziale del bus di potenza negativo. In altre parole, la tensione di uscita non può andare oltre la tensione di alimentazione. Ad esempio, per un amplificatore operazionale OPA277, la tensione di uscita con una resistenza di carico di 10 kOhm è inferiore alla tensione del bus di alimentazione positivo di 2 V e del bus di potenza negativo di 0,5 V. La larghezza di queste "zone morte" della tensione di uscita che l'uscita dell'amplificatore operazionale non può raggiungere dipende da un numero di fattori quali circuiti dello stadio di uscita, resistenza di carico, ecc.). Ci sono opamp in cui le zone morte sono minime, ad esempio 50 mV alla tensione del bus di alimentazione con un carico di 10 kOhm (per OPA340), questa caratteristica dell'opamp è chiamata rail-to-rail (R2R).

D'altra parte, per gli amplificatori operazionali di ampia applicazione, anche i segnali di ingresso non devono superare la tensione di alimentazione e, per alcuni, essere inferiori a 1,5 ... 2 V. Tuttavia, ci sono amplificatori operazionali con circuiti di stadio di ingresso specifici (ad esempio, lo stesso LM358 / LM324) , che può funzionare non solo dal livello di potenza negativa, ma anche "meno" di 0,3 V, il che facilita notevolmente il loro uso con potenza unipolare con un bus negativo comune.

Infine, diamo un'occhiata a questi "bug di ragno". Puoi persino annusare e leccare. Lo permetto. Considera le loro opzioni più comuni disponibili per i prosciutti principianti. Soprattutto se devi saldare l'amplificatore operazionale da vecchie apparecchiature.

Per gli amplificatori operazionali di vecchi progetti, che richiedono senza dubbio circuiti esterni per la correzione della frequenza al fine di prevenire l'autoeccitazione, la presenza di conclusioni aggiuntive era caratteristica. Per questo motivo, alcuni amplificatori operazionali non si sono nemmeno "adattati" alla custodia a 8 pin (Fig. 20, A) e sono stati realizzati in vetro metallico rotondo a 12 pin, ad esempio K140UD1, K140UD2, K140UD5 (Fig. 20, B) o Pacchetti DIP a 14 pin, ad esempio K140UD20, K157UD2 (Fig. 20, C). L'abbreviazione DIP è un'abbreviazione dell'espressione inglese "Dual In line Package" e si traduce come "pacchetto terminale a doppia faccia".

La cassa rotonda in metallo-vetro (Fig. 20, A, B) è stata utilizzata come principale per gli amplificatori operazionali importati fino alla metà degli anni '70 e per gli amplificatori operazionali domestici fino alla metà degli anni '80 ed è ora utilizzata per i cosiddetti. Applicazioni "militari" ("5a accettazione").

A volte gli amplificatori operazionali domestici erano alloggiati in custodie alquanto “esotiche”: un vetro metallico rettangolare a 15 pin per l'ibrido K284UD1 (Fig. 20, D), in cui la chiave è il 15 ° output aggiuntivo dal case, e altri. È vero che non ho incontrato personalmente i casi planari a 14 pin (Fig. 20, D) per posizionare il sistema operativo in essi. Sono stati usati per circuiti digitali.

   Fig. 20 Housing amplificatori operazionali domestici

Tuttavia, i moderni amplificatori operazionali contengono per lo più circuiti correttivi direttamente sul chip, il che ha permesso di rinunciare a un numero minimo di conclusioni (ad esempio, il SOT23-5 a 5 pin per un singolo amplificatore operazionale - Fig. 23). Ciò ha permesso di posizionare due o quattro amplificatori operazionali completamente indipendenti (ad eccezione dei comuni cavi di alimentazione) realizzati su un singolo chip in un alloggiamento.

   Fig. 21 custodie in plastica a doppia fila di moderni amplificatori operazionali per montaggio in uscita (DIP)

A volte è possibile trovare amplificatori operazionali situati in pacchetti a fila singola a 8 pin (Fig. 22) o 9 pin (SIP) - K1005UD1. L'abbreviazione SIP è l'abbreviazione dell'espressione inglese "Single In line Package" e si traduce come "pacchetto pin unilaterale".

   Fig. 22 Custodia in plastica a una fila di doppi amplificatori operazionali per montaggio in uscita (SIP-8)

Sono stati progettati per ridurre al minimo lo spazio occupato sulla scheda, ma, sfortunatamente, erano "in ritardo": a questo punto, il dispositivo di montaggio superficiale (SMD) era ampiamente utilizzato saldando direttamente alle piste della scheda (Fig. 23). Tuttavia, per i principianti, il loro uso presenta notevoli difficoltà.

   Fig. 23 gusci di moderni amplificatori operazionali con montaggio superficiale (SMD)

Molto spesso, lo stesso microcircuito può essere "impacchettato" dal produttore in diversi casi (Fig. 24).

   Fig. 24 Opzioni per posizionare lo stesso microchip in casi diversi

I risultati di tutti i microcircuiti hanno una numerazione sequenziale, calcolata dal cosiddetto "Tasto" che indica la posizione dell'uscita al numero 1. (Fig. 25). il qualsiasi   se inserisci le conclusioni del caso da me stesso, la loro numerazione è in aumento contro in senso orario!

   Fig. 25 Pinout di amplificatori operazionali
   in vari casi (pinout), vista dall'alto;
   la direzione della numerazione è indicata da frecce

Nelle custodie rotonde in metallo-vetro, la chiave ha la forma di una sporgenza laterale (Fig. 25, A, B). Dalla posizione di questa chiave, sono possibili enormi rastrelli! Nei casi domestici a 8 pin (302,8), la chiave si trova di fronte alla prima uscita (Fig. 25, A) e in TO-5 importato - di fronte all'ottava uscita (Fig. 25, B). In casi a 12 derivazioni, sia nazionali (302.12) che di importazione, si trova la chiave tra  prima e dodicesima conclusione.

Tipicamente, un ingresso invertente sia in contenitori tondi in metallo-vetro che DIP è collegato alla seconda uscita, ingresso non invertente al 3 °, uscita al 6 °, meno alimentazione al 4 ° e più alimentazione al 7 °. Tuttavia, ci sono eccezioni (un altro possibile "rake"!) Nel pinout dell'unità organizzativa K140UD8, K574UD1. In essi, la numerazione delle conclusioni viene spostata di una in senso antiorario rispetto a quella generalmente accettata per la maggior parte degli altri tipi, ad es. sono collegati alle conclusioni, come negli edifici di importazione (Fig. 25, B) e la numerazione corrisponde a quelle domestiche (Fig. 25, A).

Negli ultimi anni, la maggior parte delle strutture pubbliche per uso pubblico sono state collocate in custodie di plastica (Fig. 21, 25, V-D). In questi casi, la chiave è una rientranza (punto) opposta al primo terminale, oppure un ritaglio alla fine del caso tra il primo e l'ottavo (DIP-8) o il 14 ° (DIP-14) terminali, oppure uno smusso lungo la prima metà dei terminali (Fig. 21, nel mezzo). Anche la numerazione delle conclusioni in questi casi va contro in senso orario  se visto dall'alto (conclusioni da te stesso).

Come accennato in precedenza, gli opamp con correzione interna hanno solo cinque uscite, di cui solo tre (due ingressi e un'uscita) appartengono a ciascun singolo opamp. Ciò ha permesso di posizionare due amplificatori operazionali completamente indipendenti (ad eccezione dell'alimentazione più e meno, che richiedono altri due cavi) in un pacchetto da 8 pin su un singolo chip (Fig. 25, D) e persino quattro in un pacchetto da 14 pin (Fig. 25, D). Di conseguenza, al momento, la maggior parte degli opamp viene emessa almeno doppia, ad esempio TL062, TL072, TL082, LM358 economica e semplice, ecc. La stessa identica struttura interna, ma quadrupla - rispettivamente TL064, TL074, TL084 e LM324.

In relazione all'analogo domestico di LM324 (K1401UD2), c'è un altro "rastrello": se in LM324 più potenza viene emessa alla quarta uscita, e meno all'undicesima, quindi in K1401UD2 è il contrario: più potenza viene emessa all'undicesima uscita, e meno - il 4. Tuttavia, questa differenza non causa alcuna difficoltà nel cablaggio. Poiché la piedinatura dei terminali dell'amplificatore operazionale è completamente simmetrica (Fig. 25, E), è sufficiente ruotare la custodia di 180 gradi in modo che il 1 ° pin sostituisca l'ottavo. E questo è tutto.

Qualche parola sulla marcatura degli amplificatori operazionali importati (e non solo degli amplificatori operazionali). Per una serie di sviluppi delle prime 300 designazioni digitali, era consuetudine designare un gruppo di qualità come prima cifra di un codice digitale. Ad esempio, l'amplificatore operazionale LM158 / LM258 / LM358, i comparatori LM193 / LM293 / LM393, gli stabilizzatori a tre pin regolabili TL117 / TL217 / TL317, ecc. Sono completamente identici nella struttura interna, ma differiscono nel campo di funzionamento della temperatura. Per LM158 (TL117), l'intervallo di temperatura operativa va da meno 55 a + 125 ... 150 gradi Celsius (il cosiddetto "combattimento" o intervallo militare), per LM258 (TL217) - da meno 40 a +85 gradi ("industriale" intervallo) e per LM358 (TL317) - da 0 a +70 gradi (intervallo "domestico"). Allo stesso tempo, il prezzo per loro potrebbe essere del tutto incoerente con tale gradazione o differire leggermente ( percorsi dei prezzi imperscrutabili!). Quindi puoi acquistarli con qualsiasi segno disponibile "per la tasca" di un principiante, non inseguendo in particolare i primi "tre".

Dopo l'esaurimento delle prime trecento marcature digitali, i gruppi di affidabilità sono stati contrassegnati con lettere, il cui significato è decifrato in schede tecniche (la scheda tecnica si traduce letteralmente come "tabella dati") su questi componenti.

conclusione

Quindi abbiamo studiato l '"alfabeto" dell'operazione op-amp, catturando un po' i comparatori. Successivamente, devi imparare ad aggiungere parole, frasi e intere "composizioni" significative (schemi realizzabili) da queste "lettere".

Sfortunatamente, "È impossibile abbracciare l'immenso". Se il materiale presentato in questo articolo ha aiutato a capire come funzionano queste "scatole nere", approfondendo ulteriormente l'analisi del loro "riempimento", l'influenza di input, output e caratteristiche di transizione, è il compito di uno studio più avanzato. Le informazioni al riguardo sono dettagliate e riportate in dettaglio in una varietà di letteratura esistente. Come diceva il nonno William Ockham: "Non dovresti moltiplicare le entità oltre ciò che è necessario". Non è necessario ripetere il già ben descritto. Devi solo non essere pigro e leggerlo.

Quindi lasciami prendere congedo, con rispetto, ecc., Di Alexey Sokolyuk ()

Buona giornata a tutti. In un precedente articolo, ho parlato della nutrizione. In questo articolo parlerò dell'applicazione Amplificatori operazionali in circuiti lineari.

Inseguitore di tensione

Il primo circuito, di cui parlerò, è un circuito amplificatore unità (amplificatore unità) o il cosiddetto. Lo schema circuitale di questo amplificatore è mostrato di seguito.

Amplificatore di guadagno dell'unità (follower di tensione).

Questo circuito è una modifica, la differenza è che non ci sono resistori di retroazione e resistori all'ingresso di inversione. Pertanto, la tensione dall'uscita dell'amplificatore operazionale viene completamente fornita all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale e, quindi, il coefficiente di trasferimento del feedback è unità (β \u003d 1).

Come sapete, l'impedenza di ingresso di un amplificatore operazionale con feedback è determinata dalla seguente espressione

• dove R BX - impedenza di ingresso dell'op-amp senza OS,

Quindi, per il follower di tensione, la resistenza di ingresso avrà la forma

L'impedenza di uscita di un amplificatore operazionale con feedback è la seguente espressione

• dove R BYX è l'impedenza di ingresso di un amplificatore operazionale senza sistema operativo,
• β è il coefficiente di trasmissione del circuito OS,
• K è il guadagno dell'op-amp senza sistema operativo.

Poiché il follower di tensione ha un coefficiente di trasmissione in feedback dell'unità (β \u003d 1), la resistenza di uscita avrà la seguente forma

Esempio di calcolo dei parametri del follower di tensione

Ad esempio, calcoliamo il follower di tensione sull'amplificatore operazionale, che ha un guadagno di K U \u003d 80 (38 dB) alla frequenza richiesta, impedenza di ingresso R BX \u003d 500 kOhm, impedenza di uscita R BYX \u003d 300 Ohm.

La resistenza di ingresso del follower di tensione sarà

La resistenza di uscita del follower di tensione sarà

Svantaggi del circuito di inseguimento della tensione più semplice

A causa del fatto che il guadagno dell'amplificatore operazionale con un circuito aperto del sistema operativo cambia con la frequenza (il guadagno diminuisce con l'aumentare della frequenza), quindi, le resistenze di ingresso e uscita dipendono anche dalla frequenza (con l'aumentare della frequenza, l'impedenza di ingresso diminuisce e l'impedenza di uscita aumenta).

Se il segnale di ingresso ha un componente CC sufficientemente grande e un'ampiezza di ampiezza significativa, può verificarsi una situazione quando viene superato il limite di tensione di ingresso in modo comune. Per eliminare questo problema, il segnale all'ingresso non invertente deve essere fornito attraverso un condensatore di isolamento e un resistore deve essere collegato tra l'ingresso non invertente e la terra, tuttavia, questo resistore influirà sulla resistenza di ingresso del ripetitore.

Un altro modo per migliorare i parametri del follower di tensione, raccomandato dai produttori di op-amp, è quello di includere resistori con la stessa resistenza nel circuito del sistema operativo e tra l'ingresso non invertente e la terra. In questo caso, anche il guadagno dell'amplificatore operazionale sarà uguale all'unità, ma la resistenza di ingresso e uscita dipenderà dai resistori esterni e non dai parametri dell'amplificatore operazionale.

Il modo più efficace per migliorare i parametri di un singolo amplificatore è un circuito in cui, dopo un circuito follower di tensione, si accende un amplificatore di potenza che fornisce una grande corrente di uscita. In questo caso, il guadagno di tensione è approssimativamente unitario e la corrente del sistema operativo è determinata dalle caratteristiche dell'amplificatore di potenza (le impedenze di ingresso e uscita sono moltiplicate per i fattori di amplificazione di entrambi gli amplificatori).

Amplificatore senza inversione

Dopo aver analizzato il follower di tensione, che, in sostanza, è un amplificatore non invertente con un guadagno uguale all'unità, passiamo alla considerazione dello schema di un amplificatore non invertente con un guadagno arbitrario. Questo tipo di amplificatore è caratterizzato dal fatto che ha un'alta impedenza di ingresso e bassa, il circuito dell'amplificatore è mostrato di seguito

  Circuito amplificatore senza inversione.

Questo circuito è uno dei circuiti di commutazione standard per amplificatori operazionali e contiene l'amplificatore operazionale DA1, il resistore di polarizzazione R1 e il resistore di feedback R2. L'amplificatore operazionale in questo circuito è coperto da un feedback sequenziale di tensione, sarà il coefficiente di trasferimento del circuito di feedback

Quindi sarà l'impedenza di ingresso di un amplificatore non invertente

R BX.OU - impedenza di ingresso del sistema operativo con un sistema operativo a circuito aperto,

Per il sistema operativo: il guadagno del sistema operativo con un sistema operativo a circuito aperto.

L'impedenza di uscita di un amplificatore non invertente può essere calcolata dalla seguente espressione

R OUT.OA - la resistenza di uscita dell'OA con un sistema operativo a circuito aperto.

Guadagno dell'amplificatore senza inversione

In questo tipo di amplificatore, c'è un certo livello di tensione di polarizzazione UСМ sull'ingresso, quindi questo circuito può essere applicato laddove il livello di tensione di polarizzazione sull'ingresso non ha un effetto significativo. Il livello di tensione di polarizzazione in ingresso sarà

Esempio di calcolo di un amplificatore non invertente

Calcoliamo un amplificatore non invertente, che dovrebbe fornire un guadagno di K \u003d 10. Come op-amp, utilizziamo K157UD2, che ha i seguenti parametri: guadagno (a una frequenza di 1 kHz) K \u003d 1800 (65 dB), impedenza di ingresso R BX. OU \u003d 500 kOhm, uscita resistenza R BYX. ОУ \u003d 300 Ohm, tensione di polarizzazione U CM \u003d 10 mV, corrente di ingresso I ХХ ≤ 500 nA. Il segnale di ingresso ha un livello di U BX \u003d 40 mV.

Sommatore non invertente

Continuando l'argomento degli amplificatori non invertenti, parlerò di un sommatore non invertente, che svolge la funzione di aggiungere segnali di ingresso e trova la sua applicazione come mixer di segnali lineari (mixer), ad esempio, quando i segnali provenienti da più fonti devono essere combinati e inviati all'ingresso di un amplificatore di potenza. Di seguito è mostrato il circuito sommatore non invertente.

Questo circuito è un amplificatore non invertente con due ingressi ed è costituito da un amplificatore operazionale DA1, resistori di ingresso limitatori di corrente R1 e R2, resistenza di polarizzazione R3 e resistenza di retroazione R4.

Per questo circuito, le relazioni di base corrispondono al circuito di un semplice amplificatore non invertente, tenendo conto del fatto che la tensione di ingresso nel circuito corrisponde alla tensione media dei terminali di ingresso

E la resistenza dei resistori deve soddisfare le seguenti condizioni

I guadagni per canali diversi sono determinati dalla seguente espressione

R N è la resistenza del resistore di ingresso,

K N è il guadagno del canale di guadagno corrispondente.

Il principale svantaggio del circuito sommatore non invertente è la mancanza di un punto di potenziale zero, quindi il guadagno su diversi ingressi non è indipendente. Questo svantaggio si manifesta nei casi in cui la resistenza interna delle sorgenti di tensione di ingresso o solo una di esse è nota approssimativamente o cambia durante il funzionamento.

Una teoria è buona, ma una teoria senza pratica è solo un tremito dell'aria.