Dziesięć tysięcy li drogi zaczyna się od pierwszego kroku.
  (Chińskie przysłowie)

Był wieczór, nie było nic do roboty ... I tak nagle chciałem coś przylutować. Coś w rodzaju ... Electronic! .. Lut - taki lut. Jest komputer, Internet jest podłączony. Wybieramy schemat. I nagle okazuje się, że planami dla planowanego przedmiotu są wagon i mały wózek. I wszystkie są różne. Brak doświadczenia, niewystarczająca wiedza. Który wybrać? Niektóre z nich zawierają niektóre prostokąty, trójkąty. Wzmacniacze, a nawet działające ... Jak działają, nie jest jasne. Stra-a-ashno! .. Co jeśli się wypali? Wybieramy to prostsze, na znanych tranzystorach! Wybierz, lutuj, włącz ... POMOC !!! Nie działa !!! Dlaczego

Tak, ponieważ „Prostota jest gorsza niż kradzież”! To jak komputer: najszybszy i najbardziej wyrafinowany - granie! A do pracy biurowej wystarczy najprostsze. Podobnie jest z tranzystorami. Nie wystarczy wlutować na nich obwodu. Musimy także być w stanie to skonfigurować. Za dużo pułapek i grabień. A to często nie wymaga doświadczenia na poziomie początkowym. Więc rzucić ekscytującą aktywność? Wcale nie! Po prostu nie bój się tych „trójkątów, prostokątów”. Okazuje się, że w wielu przypadkach znacznie łatwiej jest z nimi pracować niż z pojedynczymi tranzystorami. JEŚLI WIEDZIEĆ - JAK!

Oto: rozumiejąc teraz, jak działa wzmacniacz operacyjny (wzmacniacz operacyjny lub angielski OpAmp), teraz to zrobimy. Jednocześnie rozważymy jego pracę dosłownie „na palcach”, praktycznie bez użycia jakichkolwiek formuł, z wyjątkiem być może wyjątku od prawa dziadka Ohma: „Prąd przez odcinek obwodu ( Ja) jest wprost proporcjonalna do napięcia na nim ( U) i jest odwrotnie proporcjonalny do jego odporności ( R)»:
I \u003d U / R. (1)

Po pierwsze, w zasadzie nie jest tak ważne, jak dokładnie umieszczony jest wzmacniacz operacyjny. Przyjmij to jako założenie, że jest to „czarna skrzynka” z pewnym nadzieniem. Na tym etapie nie będziemy brać pod uwagę takich parametrów wzmacniacza operacyjnego, jak „napięcie polaryzacji”, „naprężenie ścinające”, „dryft temperaturowy”, „charakterystyka szumów”, „współczynnik odrzucenia komponentu trybu wspólnego”, „współczynnik tłumienia tętnienia napięcia zasilania”, „pasmo przepustowe” „Itd. Wszystkie te parametry będą ważne na następnym etapie jego badań, kiedy podstawowe zasady jego pracy „osiądą” w jego głowie, ponieważ „było gładkie na papierze, ale zapomniałem o wąwozach” ...

Na razie zakładamy po prostu, że parametry wzmacniacza operacyjnego są bliskie ideału i rozważamy tylko, jaki sygnał będzie na jego wyjściu, jeśli niektóre sygnały zostaną doprowadzone do jego wejść.

Tak więc wzmacniacz operacyjny (OA) jest różnicowym wzmacniaczem prądu stałego z dwoma wejściami (odwracającym i nieodwracającym) i jednym wyjściem. Oprócz nich wzmacniacz operacyjny ma moc wyjściową: dodatnią i ujemną. Te pięć wyników jest dostępnych w prawie   każdy wzmacniacz operacyjny i niezbędny do jego działania.

Shelter ma ogromny zysk co najmniej 50 000 ... 100 000, ale w rzeczywistości - znacznie więcej. Dlatego w pierwszym przybliżeniu możemy nawet założyć, że jest ona równa nieskończoności.

Termin „różnicowy” („inny” jest tłumaczony z angielskiego jako „różnica”, „różnica”, „różnica”) oznacza, że \u200b\u200bna potencjał wyjściowy wzmacniacza operacyjnego wpływa wyłącznie różnica potencjałów między jego wejściami, cokolwiek   z ich absolutnewartości i polaryzacja.

Termin „prąd stały” oznacza, że \u200b\u200bwzmacnia sygnały wejściowe wzmacniacza operacyjnego od 0 Hz. Górny zakres częstotliwości (zakres częstotliwości) wzmacnianych sygnałów wzmacniacza operacyjnego zależy od wielu powodów, takich jak charakterystyka częstotliwości tranzystorów, z których się składa, wzmocnienie obwodu zbudowanego z wykorzystaniem wzmacniaczy operacyjnych itp. Ale kwestia ta jest już poza zakresem wstępnej znajomości jego pracy i nie będzie tutaj rozważana.

Wejścia wzmacniacza operacyjnego mają bardzo duży opór wejściowy równy dziesiątkom / setkom MegaOhm, a nawet GigaOhm (i tylko w zapadającym w pamięć K140UD1, a nawet w K140UD5 było to tylko 30 ... 50 kOhm). Tak duży opór wejściowy oznacza, że \u200b\u200bpraktycznie nie wpływają one na sygnał wejściowy.

Dlatego przy dużym stopniu zbliżenia do ideału teoretycznego możemy to założyć obecny wzmacniacz operacyjny nie wpływa do wejść . To jest pierwszy   ważna zasada stosowana przy analizie działania wzmacniacza operacyjnego. Proszę dobrze pamiętać, że to dotyczy tylko sam opampale nie schematy   z jego zastosowaniem!

Co oznaczają pojęcia odwracanie i nieodwracanie? W odniesieniu do tego, co określa inwersja i ogólnie, jakie to „zwierzę” to - inwersja sygnału?

Przetłumaczone z łaciny jednym ze znaczeń słowa „inversio” jest „zawijanie”, „zamach stanu”. Innymi słowy inwersja to odbicie lustrzane ( dublowanie) sygnał w stosunku do osi poziomej X(oś czasu). Na ryc. Rycina 1 pokazuje kilka z wielu możliwych opcji odwrócenia sygnału, gdzie czerwony oznacza sygnał bezpośredni (wejściowy), a niebieski oznacza sygnał odwrócony (wyjściowy).

Ryc. 1 Pojęcie inwersji sygnału

Należy szczególnie zauważyć, że do linii zerowej (jak na ryc. 1, A, B) odwrócenie sygnału nie dołączony! Sygnały mogą być odwrotne i asymetryczne. Na przykład oba znajdują się tylko w obszarze wartości dodatnich (ryc. 1, B), co jest typowe dla sygnałów cyfrowych lub z jednobiegunowym zasilaczem (omówimy to później), lub oba częściowo w obszarach dodatnich i częściowo w obszarach ujemnych (ryc. 1, B, D). Możliwe są inne opcje. Głównym warunkiem jest ich wzajemność specularity   w stosunku do dowolnego arbitralnie wybranego poziomu (na przykład sztucznego punktu środkowego, który zostanie również omówiony później). Innymi słowy polaryzacja   sygnał również nie jest czynnikiem decydującym.

Przedstaw opamps na temat koncepcji na różne sposoby. Za granicą systemy operacyjne były wcześniej przedstawiane i nawet teraz są często przedstawiane jako trójkąt równoramienny (ryc. 2, A). Wejście odwracające jest oznaczone symbolem minus, natomiast wejście nieodwracające jest oznaczone symbolem plus wewnątrz trójkąta. Te symbole wcale nie oznaczają, że potencjał musi być bardziej dodatni lub bardziej ujemny na odpowiednich wejściach niż na innych. Wskazują po prostu, jak potencjał wyjściowy reaguje na potencjały dostarczane do wejść. W rezultacie łatwo je pomylić z przewodami zasilającymi, które mogą okazać się nieoczekiwanymi „grabiami”, szczególnie dla początkujących.

   Ryc. 2 warianty warunkowych obrazów graficznych (UGO)
   wzmacniacze operacyjne

Przed wejściem w życie GOST 2.759-82 (ST SEV 3336-81), w systemie krajowych warunkowych obrazów graficznych (UGO), jednostki organizacyjne były również przedstawiane w formie trójkąta, tylko wejście odwracające - przez symbol inwersji - przez koło na przecięciu wyjścia z trójkątem (ryc. 2, B), a teraz - w kształcie prostokąta (ryc. 2, C).

Podczas oznaczania wzmacniacza operacyjnego na schematach wejścia odwracające i nieodwracające można zamieniać, jeśli jest to wygodniejsze, jednak wejście tradycyjnie odwracające jest pokazane u góry, a nieodwracające - u dołu. Przewody mocy z reguły zawsze mają jedyny sposób (dodatni u góry, ujemny u dołu).

Wzmacniacze operacyjne są prawie zawsze stosowane w obwodach ujemnego sprzężenia zwrotnego (OOS).

Sprzężenie zwrotne jest efektem dostarczenia części napięcia wyjściowego wzmacniacza na jego wejście, gdzie jest ono algebraicznie (z uwzględnieniem znaku) sumowane z napięciem wejściowym. Zasada sumowania sygnałów zostanie omówiona poniżej. W zależności od tego, które wejście wzmacniacza operacyjnego, odwracającego lub nieodwracającego, dostarczany jest system operacyjny, ujemne sprzężenie zwrotne (OOS) jest rozróżniane, gdy część sygnału wyjściowego jest podawana na wejście odwracające (ryc. 3, A) lub dodatnie sprzężenie zwrotne (PIC), gdy sygnał wyjściowy jest doprowadzany odpowiednio do nieodwracającego wejścia (ryc. 3, B).

Ryc. 3 Zasada formowania informacji zwrotnej (OS)

W pierwszym przypadku, ponieważ sygnał wyjściowy jest odwrotny w stosunku do wejścia, jest on odejmowany od wejścia. W rezultacie ogólne wzmocnienie kaskady jest zmniejszone. W drugim przypadku jest sumowany z wejściem, ogólne wzmocnienie kaskady wzrasta.

Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że PIC ma pozytywny wpływ, a OOS jest całkowicie bezużytecznym przedsięwzięciem: po co zmniejszać zysk? Dokładnie tak myśleli amerykańscy rzecznicy patentowi, gdy Harold S. Black próbowałem   patent OOS. Jednak poświęcając zysk, znacznie poprawiamy inne ważne parametry obwodu, takie jak jego liniowość, zakres częstotliwości itp. Im głębsze OOS, tym mniejsza charakterystyka całego obwodu zależy od charakterystyki opampa.

Ale PIC (biorąc pod uwagę swój ogromny zysk w wzmacniaczu operacyjnym) ma odwrotny wpływ na charakterystykę obwodu, a najbardziej nieprzyjemną rzeczą jest jego wzbudzanie. Oczywiście jest on również świadomie stosowany, na przykład w generatorach, komparatorach z histerezą (więcej na ten temat później) itp., Ale ogólnie jego wpływ na działanie obwodów wzmacniających z wzmacniaczami operacyjnymi jest raczej negatywny i wymaga bardzo starannej i rozsądnej analizy jego zastosowanie.

Ponieważ system operacyjny ma dwa wejścia, możliwe są następujące główne typy jego włączenia przy użyciu OOS (ryc. 4):

   Ryc. 4 Podstawowe schematy włączenia systemu operacyjnego

a) odwracanie   (Ryc. 4, A) - sygnał jest doprowadzany do wejścia odwracającego, a nieodwracający jest podłączony bezpośrednio do potencjału odniesienia (nieużywany);

b) nieodwracający   (Ryc. 4, B) - sygnał jest doprowadzany do wejścia nieodwracającego, a sygnał odwracający jest podłączony bezpośrednio do potencjału odniesienia (nieużywany);

c)   różnicowy   (Rys. 4, B) - sygnały są podawane na oba wejścia, odwracające i nieodwracające.

Aby przeanalizować działanie tych schematów, należy wziąć pod uwagę drugi   najważniejsze reguła, który jest zgodny z działaniem systemu operacyjnego: Moc wyjściowa wzmacniacza operacyjnego zapewnia, że \u200b\u200bróżnica napięć między jego wejściami wynosi zero.

Jednak każde sformułowanie powinno być konieczne i wystarczająceaby ograniczyć cały podzbiór spraw do niego podporządkowanych. Powyższe sformułowanie, z całą swoją „klasycznością”, nie dostarcza żadnych informacji na temat tego, na które dane wejściowe „chce wpłynąć”. Wychodząc z niego, okazuje się, że wzmacniacz operacyjny wydaje się wyrównywać napięcie na jego wejściach, dostarczając im napięcie gdzieś „wewnątrz”.

Jeśli dokładnie rozważysz schematy na ryc. 4, można zauważyć, że OOS (przez Roos) we wszystkich przypadkach jest uruchamiany od wyjścia tylko   na odwrócenie danych wejściowych, co daje nam powód do przeformułowania tej reguły w następujący sposób: Napięcie włączone wyjście systemu operacyjnego objętego OOS ma na celu zapewnienie, że potencjał na wejściu odwracającym jest równy potencjałowi na wejściu nieodwracającym.

Zgodnie z tą definicją „przewodzenie” przy każdym włączeniu wzmacniacza operacyjnego z OOS jest wejściem nieodwracającym, a „slave” jest wejściem odwracającym.

Opisując działanie wzmacniacza operacyjnego potencjał na wejściu odwracającym jest często nazywany „wirtualnym zero” lub „wirtualnym punktem środkowym”. Tłumaczenie łacińskiego słowa „virtus” oznacza „imaginacyjny”, „imaginacyjny”. Obiekt wirtualny zachowuje się podobnie do zachowania podobnych obiektów rzeczywistości materialnej, tj. W przypadku sygnałów wejściowych (z powodu działania OOS) wejście odwracające można uznać za podłączone bezpośrednio do tego samego potencjału, do którego podłączone jest wejście nieodwracające. Jednak „wirtualne zero” jest tylko specjalnym przypadkiem, który ma miejsce tylko przy bipolarnym zasilaniu wzmacniacza operacyjnego. Podczas korzystania z jednobiegunowego zasilacza (co zostanie omówione poniżej) oraz w wielu innych obwodach przełączających nie będzie zera ani na wejściach nieodwracających, ani odwracających. Dlatego zgódźmy się, że nie użyjemy tego terminu, ponieważ koliduje on z początkowym zrozumieniem zasad systemu operacyjnego.

Z tego punktu widzenia przeanalizujemy schematy pokazane na ryc. 4. Jednocześnie, aby uprościć analizę, zakładamy, że napięcia zasilania są nadal dwubiegunowe, równe pod względem wielkości (powiedzmy ± 15 V), z punktem środkowym (wspólna magistrala lub „masa”), względem którego policzymy dane wejściowe i napięcia wyjściowe. Ponadto analiza zostanie przeprowadzona przy użyciu prądu stałego, as zmienny sygnał przemienny w każdym momencie może być również reprezentowany jako próbka wartości prądu stałego. We wszystkich przypadkach sprzężenie zwrotne za pośrednictwem Rooc jest ustalane od wyjścia wzmacniacza operacyjnego do jego wejścia odwracającego. Różnica polega tylko na tym, do którego z wejść doprowadzane jest napięcie wejściowe.

A) Odwracanie   włączenie (ryc. 5).

   Ryc. 5 Zasada działania wzmacniacza operacyjnego w odwracaniu włączenia

Potencjał na nieodwracającym wejściu wynosi zero, ponieważ jest podłączony do punktu środkowego („ziemi”). Sygnał wejściowy równy +1 V w stosunku do punktu środkowego (z GB) jest przykładany do lewego zacisku rezystora wejściowego Rin. Załóżmy, że rezystancja Rooos i Rin są sobie równe i wynoszą 1 kOhm (w sumie ich rezystancja wynosi 2 kOhm).

Zgodnie z regułą 2 wejście odwracające musi mieć taki sam potencjał jak neutralny nieodwracający, tj. 0 V. Dlatego do Rin przykładane jest napięcie +1 V. Zgodnie z prawem Ohma przepływa przez niego prąd Jaw.   \u003d 1 V / 1000 omów \u003d 0,001 A (1 mA). Kierunek przepływu tego prądu jest pokazany strzałką.

Ponieważ Rooc i Rin są włączone przez dzielnik i zgodnie z regułą 1 wejścia wzmacniacza operacyjnego nie pobierają prądu, więc napięcie w punkcie środkowym tego dzielnika wynosi 0 V, napięcie należy przyłożyć do prawego zacisku Rooc minus   1 V i przepływający przez niego prąd Jaoos   powinien również wynosić 1 mA. Innymi słowy, napięcie 2 V jest przykładane między lewą końcówkę Rin a prawą końcówkę Rooc, a prąd przepływający przez ten dzielnik wynosi 1 mA (2 V / (1 kΩ + 1 kΩ) \u003d 1 mA), tj. Ja w. = Ja oos .

Jeżeli na wejście zostanie przyłożone napięcie o ujemnej polaryzacji, na wyjściu wzmacniacza operacyjnego pojawi się napięcie o dodatniej polaryzacji. Wszystko jest takie samo, tylko strzałki wskazujące przepływ prądu przez Rooxa i Rin będą skierowane w przeciwnym kierunku.

Zatem przy równych wartościach Rooos i Rin napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego będzie równe napięciu na jego wejściu pod względem wielkości, ale odwrotnej pod względem biegunowości. I mamy odwracanie repeater . Ten obwód jest często używany, jeśli trzeba odwrócić sygnał uzyskany za pomocą obwodów, które są zasadniczo falownikami. Na przykład wzmacniacze logarytmiczne.

Teraz, utrzymując wartość nominalną Rin równą 1 kOhm, zwiększmy rezystancję Roohs do 2 kOhm przy tym samym sygnale wejściowym +1 V. Całkowita rezystancja dzielnika Roohs + \u200b\u200bRinuh wzrosła do 3 kOhm. Aby potencjał 0 V (równy potencjałowi nieodwracającego wejścia) pozostał w punkcie środkowym, ten sam prąd (1 mA) musi przepływać przez RooC jak przez Rin. W konsekwencji spadek napięcia w Roos (napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego) powinien już wynosić 2 V. Na wyjściu wzmacniacza operacyjnego napięcie wynosi minus 2 V.

Zwiększ wartość nominalną Rooc do 10 kOhm. Teraz napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego w tych samych pozostałych warunkach wynosi już 10 V. Wow! Wreszcie mamy odwracanie wzmacniacz ! Jego napięcie wyjściowe jest większe niż wejście (innymi słowy, zysk Ku) o wiele razy, ile razy rezystancja Rooos jest większa niż rezystancja Rin. Bez względu na to, jak obiecuję nie stosować formuł, nadal wyświetlajmy to jako równanie:
   Ku \u003d - Uout / Uin \u003d - Rooos / Rin. (2)

Znak minus przed ułamkiem prawej strony równania oznacza tylko, że sygnał wyjściowy jest odwrotny do wejścia. I nic więcej!

Teraz zwiększmy opór Rooos do 20 kOhm i przeanalizujmy, co się stanie. Zgodnie ze wzorem (2), przy Ku \u003d 20 i sygnale wejściowym 1 V, napięcie wyjściowe powinno wynosić 20 V. Ale tak było! Wcześniej zakładaliśmy, że napięcie zasilania naszego wzmacniacza operacyjnego wynosi tylko ± 15 V. Ale nie można uzyskać nawet 15 V (dlaczego tak - nieco niżej). „Nie możesz skakać nad głową (zasilanie)!” W wyniku takiego nadużycia w stosunku do wartości znamionowych obwodu napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego „spoczywa” na napięciu zasilania (wyjście wzmacniacza operacyjnego zostaje nasycone). Bilans równości prądów przez dzielnik RoocRvh ( Jaw. = Jaoos) zostaje naruszony, potencjał pojawia się na wejściu odwracającym, inny niż potencjał na wejściu nieodwracającym. Zasada 2 przestaje obowiązywać.

Wejście odporność   wzmacniacz odwracający   równa rezystancji Rin, ponieważ przepływa przez nią cały prąd ze źródła sygnału wejściowego (GB).

Teraz zastąpmy stałą Rooc zmienną o wartości nominalnej, powiedzmy 10 kOhm (ryc. 6).

   Ryc. 6 Obwód wzmacniacza o odwracalnym wzmocnieniu

Przy prawej (zgodnie ze schematem) pozycji silnika, wzmocnienie będzie wynosić Rоос / Rin \u003d 10 kОм / 1 кОм \u003d 10. Przesunięcie silnika Роос w lewo (zmniejszenie jego rezystancji), wzmocnienie obwodu zmniejszy się, a na końcu, w skrajnym lewym położeniu, osiągnie zero, ponieważ licznik w powyższym wzorze staje się zerowy przy jakikolwiek   wartość mianownika. Wyjście będzie równe zero dla dowolnej wartości i polaryzacji sygnału wejściowego. Taki schemat jest często stosowany w schematach wzmocnienia sygnałów audio, na przykład w mikserach, w których konieczne jest dostosowanie wzmocnienia od zera.

B) Nieodwracający   włączenie (ryc. 7).

   Ryc. 7 Zasada działania wzmacniacza operacyjnego przy włączeniu nieodwracającym

Lewy zacisk Rin jest podłączony do punktu środkowego (masy), a sygnał wejściowy +1 V jest przykładany bezpośrednio do wejścia nieodwracającego. Ponieważ niuanse analizy są „przeżuwane” powyżej, tutaj zwrócimy uwagę tylko na znaczące różnice.

W pierwszym etapie analizy zakładamy również, że rezystancja Rooos i Rin są sobie równe i wynoszą 1 kOhm. Ponieważ przy wejściu nieodwracającym potencjał wynosi +1 V, następnie zgodnie z regułą 2 ten sam potencjał (+1 V) powinien znajdować się na wejściu odwracającym (pokazanym na rysunku). Aby to zrobić, prawy zacisk rezystora Rooc (wyjście OU) musi mieć napięcie +2 V. Prądy Jaw.i Jaoosrówna 1 mA, teraz przepływa przez rezystory Rooc i Rin w przeciwnym kierunku (pokazanym strzałkami). Nam się udało nieodwracający wzmacniacz ze wzmocnieniem 2, ponieważ sygnał wejściowy +1 V generuje sygnał wyjściowy +2 V.

Dziwne, prawda? Oceny są takie same jak w inwersji inwersyjnej (jedyną różnicą jest to, że sygnał jest podawany na inne wejście), a wzmocnienie jest oczywiste. Dowiemy się to później.

Teraz zwiększamy nominalny Rooc do 2 kOhm. Aby utrzymać bieżącą równowagę Jaw. = Jaoos   a potencjał wejścia odwracającego wynosi +1 V, moc wyjściowa wzmacniacza operacyjnego powinna już wynosić +3 V. Ku \u003d 3 V / 1 V \u003d 3!

Jeśli porównamy wartości Ku przy włączeniu nieodwracającym z włączeniem odwracającym, przy tych samych wartościach Rooc i Rin, okaże się, że wzmocnienie we wszystkich przypadkach jest większe o jeden. Wywodzimy wzór:
   Ku \u003d Uout / Uin + 1 \u003d (Rooos / Rin) + 1 (3)

Dlaczego tak się dzieje? Tak, bardzo łatwe! OOS działa dokładnie tak samo, jak w przypadku przełącznika odwracającego, ale zgodnie z zasadą 2 potencjał nieodwracającego wejścia jest zawsze dodawany do potencjału wejścia odwracającego w przełączniku nieodwracającym.

Więc przy włączonym nieodwracaniu nie można uzyskać wzmocnienia równego 1? Dlaczego nie - możesz. Zmniejszmy wartość nominalną Rooc w taki sam sposób, jak analizowaliśmy ryc. 6. Przy wartości zerowej - zwarcie na wyjściu z wejściem odwracającym krótko (ryc. 8, A), zgodnie z regułą 2, wyjście będzie miało takie napięcie, że potencjał wejścia odwracającego jest równy potencjałowi wejścia nieodwracającego, to jest +1 V. Otrzymujemy: Ku \u003d 1 V / 1 V \u003d 1   (!) Cóż, ponieważ prąd wejściowy odwracający nie zużywa się i nie ma różnicy potencjałów między nim a wyjściem, to w tym obwodzie nie płynie prąd.

   Ryc. 8 Schemat włączania wzmacniacza operacyjnego jako popychacza napięcia

Rin staje się na ogół zbędny, ponieważ jest połączony równolegle z obciążeniem, na którym musi pracować wyjście wzmacniacza operacyjnego, a przez to jego prąd wyjściowy będzie przepływał na próżno. A co się stanie, jeśli opuścimy Rooka, ale usuniemy Rin (ryc. 8, B)? Następnie, we wzorze wzmocnienia Ku \u003d Rooos / Rin + 1, rezystancja Rin teoretycznie zbliża się do nieskończoności (w rzeczywistości oczywiście nie, ponieważ są przecieki na płytce, a nawet wejściowy prąd wzmacniacza operacyjnego jest pomijalnie mały, ale wszystko nie jest równy), przy czym stosunek Rooos / Rin wynosi zero. We wzorze pozostaje tylko jedna jednostka: Ku \u003d + 1. A czy zysk może być mniejszy niż jedność dla tego obwodu? Nie, mniej nie będzie działać w żadnych okolicznościach. „Dodatkowa” jednostka we wzorze wzmocnienia na krzywej kozy nie może się obejść ...

Po usunięciu wszystkich „dodatkowych” rezystorów otrzymujemy obwód nieodwracający repeater pokazane na ryc. 8, B.

Na pierwszy rzut oka taki schemat nie ma praktycznego sensu: dlaczego potrzebujemy pojedynczego, a nawet nieodwrotnego „wzmocnienia” - czego nie możesz po prostu podać dalej? Jednak takie schematy są używane dość często i dlatego. Zgodnie z regułą 1 prąd nie wpływa do wejść opamp, tj. impedancja wejściowa   nieodwracający repeater jest bardzo duży - te same dziesiątki, setki, a nawet tysiące megaomów (to samo dotyczy obwodu na ryc. 7)! Ale impedancja wyjściowa jest bardzo mała (ułamek Ohma!). Wyjście wzmacniacza operacyjnego „zaciąga się z całej siły”, próbując, zgodnie z regułą 2, utrzymać ten sam potencjał na wejściu odwracającym, jak na wejściu nieodwracającym. Ograniczeniem jest tylko dopuszczalny prąd wyjściowy wzmacniacza operacyjnego.

I tutaj z tego miejsca jesteśmy trochę z boku i rozważymy kwestię prądów wyjściowych wzmacniacza operacyjnego bardziej szczegółowo.

Dla większości powszechnie stosowanych wzmacniaczy parametry techniczne wskazują, że rezystancja obciążenia związana z ich mocą wyjściową nie powinna być mniej   2 kOhm. Więcej - ile chcesz. W przypadku znacznie mniejszej liczby jest to 1 kiloom (K140UD ...). Oznacza to, że w najgorszych warunkach: maksymalne napięcie zasilania (na przykład ± 16 V lub łącznie 32 V), obciążenie podłączone między wyjściem a jedną z szyn zasilających oraz maksymalne napięcie wyjściowe o przeciwnej biegunowości, do obciążenia zostanie przyłożone napięcie około 30 V. W takim przypadku prąd przez niego wyniesie: 30 V / 2000 Ohm \u003d 0,015 A (15 mA). Nie tak bardzo, ale nie za dużo. Na szczęście większość wzmacniaczy ogólnego zastosowania ma wbudowane zabezpieczenie przed przetężeniem - typowy maksymalny prąd wyjściowy wynosi 25 mA. Zabezpieczenie zapobiega przegrzaniu i awarii wzmacniacza operacyjnego.

Jeśli napięcie zasilania nie jest maksymalnym dopuszczalnym, to minimalną rezystancję obciążenia można proporcjonalnie zmniejszyć. Na przykład przy zasilaniu 7,5 ... 8 V (łącznie 15 ... 16 V) może wynosić 1 kOhm.

C) Różnicowy   włączenie (ryc. 9).

   Ryc. 9 Zasada działania wzmacniacza operacyjnego w przełączaniu różnicowym

Załóżmy zatem, że przy tych samych wartościach Rin i Rooos równych 1 kOhm do obu wejść obwodu przyłożone jest to samo napięcie równe +1 V (ryc. 9, A). Ponieważ potencjały po obu stronach rezystora Rin są sobie równe (napięcie na rezystorze wynosi 0), nie przepływa przez nie prąd. Jest więc równy zeru i prądowi przez rezystor Rooc. Oznacza to, że te dwa rezystory nie wykonują żadnej funkcji. W rzeczywistości mamy nieodwracający repeater (porównaj z ryc. 8). Odpowiednio, na wyjściu otrzymujemy takie samo napięcie jak na wejściu nieodwracającym, to jest +1 V. Zmień polaryzację sygnału wejściowego na wejściu odwracającym obwodu (obróć GB1 do góry nogami) i przyłóż minus 1 V (ryc. 9, B). Teraz napięcie 2 V jest przykładane między zaciskami Rin i przepływa przez nie prąd Jaw   \u003d 2 mA (mam nadzieję, że nie trzeba już szczegółowo malować, dlaczego tak jest?). Aby skompensować ten prąd, prąd 2 mA musi również przepłynąć przez Rooos. W tym celu moc wyjściowa wzmacniacza operacyjnego powinna wynosić +3 V.

To tutaj pojawił się złośliwy „uśmiech” dodatkowej jedności we wzorze wzmocnienia nieodwracającego wzmacniacza. Okazuje się, że dzięki temu uproszczone   włączenie różnicowe, różnica w wzmocnieniu stale przesuwa sygnał wyjściowy o wartość potencjału na wejściu nieodwracającym. Problem, proszę pana! Jednak „Nawet jeśli zostałeś zjedzony, nadal masz co najmniej dwa wyjścia”. Musimy więc w jakiś sposób wyrównać wzmocnienie inwersji i nieodwracających wtrąceń, aby „zneutralizować” tę dodatkową jednostkę.

Aby to zrobić, przykładamy sygnał wejściowy do wejścia nieodwracającego nie bezpośrednio, ale poprzez dzielnik Rin2, R1 (ryc. 9, B). Akceptujemy również ich wartości nominalne 1 kOhm. Teraz na wejściu nieodwracającym (a więc także odwracającym) wzmacniacza operacyjnego będzie potencjał +0,5 V, przepłynie przez niego prąd (i Rooc) Jaw = Jaoos   \u003d 0,5 mA, aby upewnić się, że wyjście wzmacniacza operacyjnego musi mieć napięcie równe 0 V. Fu-uh! Osiągnęliśmy to, co chcieliśmy! Jeśli sygnały na obu wejściach obwodu są równe pod względem wielkości i polaryzacji (w tym przypadku +1 V, ale to samo będzie dotyczyć minus 1 V i innych wartości cyfrowych), napięcie zerowe równe różnicy sygnałów wejściowych zostanie zapisane na wyjściu wzmacniacza operacyjnego .

Sprawdźmy to rozumowanie, stosując sygnał ujemnej polaryzacji minus 1 V na wejściu odwracającym (ryc. 9, D). W tym samym czasie Jaw = Jaoos   \u003d 2 mA, dla którego wyjście powinno wynosić +2 V. Wszystko zostało potwierdzone! Poziom wyjściowy odpowiada różnicy między danymi wejściowymi.

Oczywiście przy równości Rin1 i Rooc (odpowiednio Rin2 i R1) nie otrzymamy wzmocnienia. Aby to zrobić, konieczne jest zwiększenie wartości Rooos i R1, tak jak zrobiono to w analizie poprzednich wtrąceń systemu operacyjnego (nie powtórzę), i ściśle   stosunek jest obserwowany:

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

Jaką użyteczność uzyskujemy z tego włączenia w praktyce? I otrzymujemy cudowną właściwość: napięcie wyjściowe nie zależy od wartości bezwzględnych sygnałów wejściowych, jeśli są one równe pod względem wielkości i polaryzacji. Wyprowadzany jest tylko sygnał różnicowy (różnicowy). Pozwala to na wzmocnienie bardzo małych sygnałów na tle zakłóceń działających jednakowo na oba wejścia. Na przykład sygnał z mikrofonu dynamicznego na tle sieci częstotliwości częstotliwości 50 Hz.

Jednak w tej beczce miodu jest niestety mucha w maści. Po pierwsze, równość (4) musi być przestrzegana bardzo ściśle (do dziesiątych, a czasem setnych procenta!). W przeciwnym razie wystąpi nierównowaga prądów działających w obwodzie, a zatem oprócz sygnałów różnicowych („poza fazą”), wzmocnione zostaną również sygnały kombinowane („w fazie”).

Spójrzmy na istotę tych terminów (ryc. 10).

   Ryc. 10 Przesunięcie fazy sygnału

Faza sygnału jest wartością, która charakteryzuje przesunięcie początku okresu sygnału w stosunku do początku czasu. Ponieważ zarówno odniesienie do czasu, jak i odniesienie do okresu są wybierane arbitralnie, faza pierwszego okresowe   sygnał nie ma znaczenia fizycznego. Jednak różnica faz tych dwóch okresowe   sygnały to wielkość, która ma znaczenie fizyczne; odzwierciedla opóźnienie jednego z sygnałów w stosunku do drugiego. To, co uważa się za początek okresu, nie ma znaczenia. Dla punktu początkowego okresu możesz przyjąć wartość zerową o dodatnim nachyleniu. Możesz - maksymalnie. Wszystko jest w naszej mocy.

Na ryc. 9, sygnał źródłowy jest czerwony, zielony jest przesunięty o ¼ okresu względem źródła, a niebieski to ½ okresu. Jeśli porównamy krzywe czerwoną i niebieską z krzywymi na ryc. 2B, widać, że są one wzajemnie odwrotnie. Zatem „sygnały w fazie” to sygnały, które pokrywają się w każdym z jego punktów, a „sygnały przeciwfazowe” - odwrotnie   względem siebie.

Jednocześnie koncepcja inwersje   szerszy niż koncepcja fazaponieważ to ostatnie dotyczy tylko regularnie powtarzających się, okresowych sygnałów. Koncepcja inwersje zastosowanie do wszelkich sygnałów, w tym sygnałów nieokresowych, takich jak sygnał audio, sekwencja cyfrowa lub stałe napięcie. To faza   była stała, sygnał powinien być okresowy przynajmniej co jakiś czas. W przeciwnym razie zarówno faza, jak i kropka zamieniają się w abstrakcje matematyczne.

Po drugie, wejścia odwracające i nieodwracające w inkluzji różnicowej z równością wartości Roo \u003d R1 i Rin1 \u003d Rin2 będą miały różne rezystancje wejściowe. Jeśli rezystancja wejściowa wejścia odwracającego jest określona tylko przez wartość Rin1, wówczas nieodwrócenie - przez wartości konsekwentnie   zawiera Rin2 i R1 (nie zapomniałeś, że wejścia wzmacniacza operacyjnego nie pobierają prądu?). W powyższym przykładzie będą to odpowiednio 1 i 2 kOhm. A jeśli zwiększymy Rooc i R1, aby uzyskać pełnoprawny stopień wzmocnienia, różnica wzrośnie jeszcze bardziej: przy Ku \u003d 10 - odpowiednio do tego samego 1 kOhm i aż do 11 kOhm!

Niestety w praktyce zwykle ustawia się wartości Rin1 \u003d Rin2 i Roox \u003d R1. Jest to jednak dopuszczalne tylko wtedy, gdy źródła sygnałów dla obu wejść są bardzo niskie. impedancja wyjściowa. W przeciwnym razie tworzy dzielnik z opornością wejściową tego stopnia wzmacniacza, a ponieważ współczynnik podziału takich „dzielników” będzie inny, wynik jest oczywisty: wzmacniacz różnicowy z takimi rezystorami znamionowymi nie spełni swojej funkcji tłumienia sygnałów w trybie wspólnym (połączonym) lub nie będzie dobrze wykonywać tej funkcji .

Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu może być nierówność wartości rezystorów podłączonych do odwracających i nieodwracających wejść wzmacniacza operacyjnego. Mianowicie, że Rin2 + R1 \u003d Rin1. Kolejnym ważnym punktem jest osiągnięcie ścisłego przestrzegania równości (4). Z reguły osiąga się to przez podzielenie R1 na dwa oporniki - stałą, zwykle 90% pożądanej wartości i zmienną (R2), której rezystancja wynosi 20% pożądanej wartości (ryc. 11, A).

   Ryc. 11 opcji równoważenia wzmacniacza różnicowego

Ścieżka jest ogólnie akceptowana, ale ponownie, przy tej metodzie równoważenia, nawet jeśli rezystancja wejściowa nieodwracającego wejścia nieznacznie się zmienia, zmienia się. Znacznie bardziej stabilną opcją jest włączenie rezystora dostrajającego (R5) szeregowo z Rooc (ryc. 11, B), ponieważ Rooc nie uczestniczy w tworzeniu rezystancji wejściowej na wejściu odwracającym. Najważniejsze jest utrzymanie stosunku ich nominałów, podobnie jak opcja „A” (Roox / Rin1 \u003d R1 / Rin2).

Gdy tylko mówimy o przełączaniu różnicowym i wspomnianych repeaterach, chciałbym opisać jeden interesujący obwód (ryc. 12).

   Ryc. 12 Przełączany obwód wzmacniacza odwracającego / nieodwracającego

Sygnał wejściowy jest podawany jednocześnie do obu wejść obwodu (odwracającego i nieodwracającego). Wartości wszystkich rezystorów (Rin1, Rin2 i Rooc) są sobie równe (w tym przypadku bierzemy ich rzeczywiste wartości: 10 ... 100 kOhm). Nieodwracające wejście wzmacniacza operacyjnego z klawiszem SA może być zwarte do wspólnej szyny.

W pozycji zamkniętej klucza (ryc. 12, A) rezystor Rin2 nie uczestniczy w działaniu obwodu (przez niego tylko prąd jest „bezużyteczny” Javkh2   od źródła sygnału do wspólnej szyny). Dostajemy odwracający repeater   ze wzmocnieniem równym minus 1 (patrz rys. 6). Ale kiedy klucz SA jest otwarty (ryc. 12, B), otrzymujemy nieodwracający repeater   z zyskiem +1.

Zasada działania tego obwodu można wyrazić w nieco inny sposób. Kiedy klucz SA jest zamknięty, działa jak wzmacniacz odwracający ze wzmocnieniem minus 1, a gdy jest otwarty, w tym samym czasie   (!) I jako wzmacniacz odwracający ze wzmocnieniem minus 1 oraz jako wzmacniacz nieodwracający ze wzmocnieniem +2, skąd: Ku \u003d +2 + (–1) \u003d +1.

W tej formie obwód ten można wykorzystać, jeśli na przykład na etapie projektowania polaryzacja sygnału wejściowego jest nieznana (powiedzmy z czujnika, do którego nie można uzyskać dostępu przed skonfigurowaniem urządzenia). Jeśli jednak używasz tranzystora (na przykład efekt pola) kontrolowanego przez sygnał wejściowy za pomocą komparator   (porozmawiamy o tym poniżej), rozumiemy detektor synchroniczny   (prostownik synchroniczny). Konkretne wdrożenie takiego schematu wykracza poza początkowe zapoznanie się z działaniem systemu operacyjnego i ponownie nie będziemy go tutaj szczegółowo omawiać.

A teraz spójrzmy na zasadę sumowania sygnałów wejściowych (ryc. 13, A), a jednocześnie ustalimy, jakie wartości rezystorów Rin i Rooc powinny być w rzeczywistości.

   Ryc. 13 Zasada działania sumatora odwracającego

Opieramy się na wzmacniaczu odwracającym rozważanym powyżej (ryc. 5), łączymy tylko jeden, ale dwa rezystory wejściowe Rin1 i Rin2 z wejściem wzmacniacza operacyjnego. Do tej pory do celów „edukacyjnych” przyjmujemy opór wszystkich rezystorów, w tym Rooc, równy 1 kOhm. Do lewych pinów Rin1 i Rin2 podajemy sygnały wejściowe równe +1 V. Prąd równy 1 mA przepływa przez te rezystory (pokazane strzałkami wskazującymi od lewej do prawej). Aby utrzymać ten sam potencjał na wejściu odwracającym jak na nieodwracającym (0 V), prąd równy sumie prądów wejściowych (1 mA + 1 mA \u003d 2 mA) musi przepłynąć przez rezystor Rooc, wskazany strzałką skierowaną w przeciwnym kierunku (od prawej do lewej) ), dla którego powinno być napięcie minus 2 V.

Ten sam wynik (napięcie wyjściowe minus 2 V) można uzyskać, jeśli napięcie wejściowe +2 V zostanie przyłożone do wejścia wzmacniacza odwracającego (ryc. 5) lub wartość Rin zostanie zmniejszona o połowę, tj. do 500 omów. Zwiększyć napięcie przyłożone do rezystora Rin2 do +2 V (rys. 13, B). Na wyjściu otrzymujemy napięcie minus 3 V, które jest równe sumie napięć wejściowych.

Nie mogą być dwa wejścia, ale tyle, ile chcesz. Zasada działania tego obwodu nie zmieni się od tego: w każdym razie napięcie wyjściowe będzie wprost proporcjonalne do sumy algebraicznej (biorąc pod uwagę znak!) Prądy przepływające przez rezystory podłączone do odwracającego wejścia wzmacniacza operacyjnego (odwrotnie proporcjonalne do ich znamion), niezależnie od ich liczby.

Jeśli jednak sygnały równe +1 V i minus 1 V zostaną przyłożone do wejść sumatora odwracającego (ryc. 13, B), wówczas płynące przez nie prądy będą skierowane przeciwnie, anulują się nawzajem, a moc wyjściowa wyniesie 0 V. W tym przypadku przez rezystor Rooc nie płynie prąd. Innymi słowy, prąd płynący wzdłuż Rooc jest algebraicznie sumowany wejście   prądy.

Stąd też pochodzi ważny punkt: gdy pracowaliśmy z niewielkimi napięciami wejściowymi (1 ... 3 V), wyjście szerokopasmowego wzmacniacza operacyjnego o szerokim zastosowaniu mogłoby zapewnić taki prąd (1 ... 3 mA) dla Roosa i coś jeszcze pozostało dla obciążenia podłączonego do wyjścia wzmacniacza operacyjnego. Ale jeśli napięcie sygnałów wejściowych wzrośnie do maksymalnego dopuszczalnego (blisko napięcia zasilającego), wówczas okaże się, że cały prąd wyjściowy pójdzie do Rooc. Nie ma już nic do załadowania. A kto potrzebuje kaskady wzmacniającej, która działa „sama”? Ponadto wartości rezystorów wejściowych, równe tylko 1 kOhm (odpowiednio, określając impedancję wejściową stopnia wzmacniacza odwracającego), wymagają przepływu nad nimi nadmiernie dużych prądów, silnie obciążając źródło sygnału. Dlatego w rzeczywistych obwodach rezystancja Rin jest wybierana nie mniej niż 10 kOhm, ale korzystnie nie więcej niż 100 kOhm, tak aby przy danym wzmocnieniu nie ustawiać Rooo zbyt wysokiej wartości nominalnej. Chociaż wartości te nie są bezwzględne, a jedynie przybliżone, jak mówią, „w pierwszym przybliżeniu” - wszystko zależy od konkretnego schematu. W każdym razie niepożądane jest, aby prąd przekraczający 5 ... 10% maksymalnego prądu wyjściowego tego konkretnego wzmacniacza operacyjnego przepływał przez Rooos.

Zsumowane sygnały można również zastosować do wejścia nieodwracającego. Okazuje się sumator nieodwracający. Zasadniczo taki obwód będzie działał dokładnie tak samo, jak odwracający sumator, którego wyjście będzie sygnałem wprost proporcjonalnym do napięć wejściowych i odwrotnie proporcjonalnym do wartości nominalnych rezystorów wejściowych. Jednak w praktyce stosuje się go znacznie rzadziej, ponieważ zawiera „prowizję”, którą należy wziąć pod uwagę.

Ponieważ reguła 2 obowiązuje tylko dla wejścia odwracającego, na które działa „wirtualny potencjał zerowy”, na nieodwróceniu będzie potencjał równy algebraicznej sumie napięć wejściowych. Dlatego napięcie wejściowe dostępne na jednym z wejść wpłynie na napięcie dostarczane na inne wejścia. Na nieodwracającym wejściu nie ma „wirtualnego potencjału”! W rezultacie musimy zastosować dodatkowe sztuczki z obwodami.

Do tej pory rozważaliśmy systemy operacyjne z ochroną środowiska. A co się stanie, jeśli opinia zostanie całkowicie usunięta? W tym przypadku otrzymujemy komparator   (Ryc. 14), tj. Urządzenie porównujące dwa potencjały na ich wejściach według wartości bezwzględnej (z angielskiego słowa porównaj - porównaj). Na jego wyjściu pojawi się napięcie zbliżające się do jednego z napięć zasilających, w zależności od tego, który z sygnałów jest większy od drugiego. Zazwyczaj sygnał wejściowy jest podawany na jedno z wejść, a na drugie napięcie stałe, z którym jest porównywane (tzw. „Napięcie odniesienia”). Może być dowolny, w tym równy zerowemu potencjałowi (ryc. 14, B).

   Ryc. 14 Schemat włączania wzmacniacza operacyjnego jako komparatora

Jednak nie wszystko jest tak dobrze „w duńskim królestwie” ... A co się stanie, jeśli napięcie między wejściami będzie wynosić zero? Teoretycznie wynik powinien również wynosić zero, ale w rzeczywistości - nigdy. Jeśli potencjał na jednym z wejść przewyższa przynajmniej trochę potencjał drugiego, to wystarczy, aby spowodować chaotyczne wzrosty napięcia z powodu przypadkowych zakłóceń wskazujących na wejścia komparatora.

W rzeczywistości każdy sygnał jest „hałaśliwy”, ponieważ ideał nie może być z definicji. A w obszarze zbliżonym do punktu równych potencjałów wejść na wyjściu komparatora pojawi się paczka sygnałów wyjściowych zamiast jednego wyraźnego przełącznika. Aby zwalczyć to zjawisko, często wprowadza się obwód komparatora histereza   poprzez utworzenie słabego dodatniego PIC z wyjścia na wejście nieodwracające (ryc. 15).

   Ryc. 15 Zasada histerezy w komparatorze z powodu PIC

Przeanalizujmy działanie tego obwodu. Napięcie jego mocy wynosi ± 10 V (dla równego konta). Rezystancja Rin wynosi 1 kOhm, a Rpos wynosi 10 kOhm. Potencjał punktu środkowego jest wybierany jako napięcie odniesienia doprowadzane do wejścia odwracającego. Czerwona krzywa pokazuje sygnał wejściowy docierający do lewego pinu Rin (wejście schematy   komparator), niebieski - potencjał na nieodwracającym wejściu wzmacniacza operacyjnego, a zielony - sygnał wyjściowy.

Dopóki sygnał wejściowy ma ujemną polaryzację, na wyjściu występuje napięcie ujemne, które poprzez Rpos jest sumowane z napięciem wejściowym odwrotnie proporcjonalnym do wartości odpowiednich rezystorów. W rezultacie potencjał nieodwracającego wejścia w całym zakresie wartości ujemnych o 1 V (w wartości bezwzględnej) przekracza poziom sygnału wejściowego. Gdy tylko potencjał wejścia nieodwracającego będzie równy potencjałowi wejścia odwracającego (dla sygnału wejściowego będzie to + 1 V), napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego zacznie się zmieniać z biegunowości ujemnej na dodatnią. Rozpocznie się łączny potencjał przy nieodwracającym wejściu lawina stać się jeszcze bardziej pozytywnymi, wspierając proces takiej zmiany. W rezultacie komparator po prostu „nie zauważa” nieznacznych fluktuacji szumów sygnałów wejściowych i odniesienia, ponieważ będą one o wiele rzędów wielkości mniejsze pod względem amplitudy niż opisany „krok” potencjału na nieodwracającym wejściu podczas przełączania.

Kiedy sygnał wejściowy maleje, sygnał wyjściowy komparatora jest przełączany z powrotem przy napięciu wejściowym minus 1 V. Ta różnica między poziomami sygnału wejściowego prowadząca do wyjścia komparatora, która w naszym przypadku jest równa 2 V, nazywa się histereza. Im większa rezystancja Rpos w stosunku do Rin (mniejsza głębokość POS), tym mniejsza histereza przełączania. Zatem przy Rpos \u003d 100 kOhm będzie to tylko 0,2 V, a przy Rpos \u003d 1 MΩ będzie to 0,02 V (20 mV). Histereza (głębokość PIC) jest wybierana na podstawie rzeczywistych warunków pracy komparatora w danym obwodzie. W których 10 mV będzie ich wiele, a w których - 2 V będzie niewielu.

Niestety nie każdy wzmacniacz operacyjny i nie we wszystkich przypadkach może być używany jako komparator. Dostępne są wyspecjalizowane obwody komparatora do dopasowania sygnałów analogowych i cyfrowych. Niektóre z nich specjalizują się w łączeniu z cyfrowymi mikroukładami TTL (597CA2), częściowo - do cyfrowych mikroukładów ESL (597CA1), jednak większość to tak zwane „Komparatory o szerokim zastosowaniu” (LM393 / LM339 / K554CA3 / K597CA3). Ich główną różnicą w stosunku do wzmacniacza operacyjnego jest specjalne urządzenie stopnia wyjściowego, które jest wykonane na tranzystorze z otwartym kolektorem (ryc. 16).

   Ryc. 16 Stopień wyjściowy dla komparatorów szerokiego zakresu
   i jego połączenie z rezystorem obciążenia

Wymaga to użycia zewnętrznego rezystor obciążenia   (R1), bez którego sygnał wyjściowy po prostu fizycznie nie jest w stanie utworzyć wysokiego (dodatniego) poziomu wyjściowego. Napięcie + U2, do którego podłączony jest rezystor obciążenia, może różnić się od napięcia zasilania + U1 samego układu porównawczego. Pozwala to w prosty sposób dostarczyć sygnał wyjściowy pożądanego poziomu - niezależnie od tego, czy jest to TTL, czy CMOS.

Do tej pory rozważaliśmy obwody, w których sygnał wejściowy był wprowadzany do wejść przez Rin, tj. wszyscy byli konwertery   wejście napięcie wejściowe   dzień wolny napięcie   to samo W takim przypadku prąd wejściowy przepłynął przez Rin. A co się stanie, jeśli jego opór zostanie przyjęty na zero? Obwód będzie działał dokładnie tak samo, jak wzmiankowany wzmacniacz odwracający, tylko impedancja wyjściowa źródła sygnału (Rout) będzie służyć jako Rin, a my otrzymamy przetwornik   wejście obecny   w   dzień wolny napięcie   (Ryc. 17).

   Ryc. 17 Schemat konwertera prądu na napięcie w systemie operacyjnym

Ponieważ potencjał na wejściu odwracającym jest taki sam jak na wejściu nieodwracającym (w tym przypadku jest to „wirtualne zero”), cały prąd wejściowy ( Jaw) przepłynie przez Rooc między wyjściem źródła sygnału (G) a wyjściem wzmacniacza operacyjnego. Impedancja wejściowa takiego obwodu jest bliska zeru, co pozwala budować na jego podstawie mikro / miliamperomierze, praktycznie nie wpływając na prąd płynący wzdłuż mierzonego obwodu. Być może jedynym ograniczeniem jest dopuszczalny zakres napięcia wejściowego wzmacniacza operacyjnego, którego nie należy przekraczać. Za jego pomocą można również zbudować, na przykład, liniowy przetwornik prądu fotodiody na napięcie i wiele innych obwodów.

Przebadaliśmy podstawowe zasady działania systemu operacyjnego w różnych schematach jego włączenia. Pozostaje jedno ważne pytanie: ich odżywianie.

Jak wspomniano powyżej, wzmacniacz operacyjny zwykle ma tylko 5 pinów: dwa wejścia, wyjście i dwa piny zasilania, dodatnie i ujemne. W ogólnym przypadku stosuje się moc bipolarną, to znaczy źródło zasilania ma trzy wyjścia o potencjałach: + U; 0; –U.

Ponownie uważnie rozważamy wszystkie powyższe liczby i widzimy, że osobne wyjście punktu środkowego w systemie operacyjnym NIE ! Do działania ich obwodu wewnętrznego po prostu nie jest to potrzebne. W niektórych obwodach do środkowego punktu podłączono nieodwracające wejście, jednak nie jest to regułą.

Dlatego przytłaczające większość   nowoczesne wzmacniacze operacyjne są zaprojektowane do zasilania POJEDYNCZY POLAR pod napięciem! Powstaje logiczne pytanie: „Dlaczego więc potrzebujemy odżywiania dwubiegunowego”, jeśli tak uporczywie iz godną pozazdroszczenia stałością przedstawiliśmy to na rysunkach?

Okazuje się, że to po prostu bardzo wygodne   w celach praktycznych z następujących powodów:

A) Aby zapewnić wystarczający prąd i wielkość napięcia wyjściowego przez obciążenie (ryc. 18).

   Ryc. 18 Przepływ prądu wyjściowego przez obciążenie z różnymi opcjami zasilania wzmacniacza operacyjnego

Na razie nie będziemy rozważać obwodów wejściowych (i OOS) obwodów pokazanych na rysunku („czarna skrzynka”). Przyjmijmy za pewnik, że jakiś wejściowy sygnał sinusoidalny (czarna sinusoida na wykresach) jest doprowadzany do wejścia i ten sam sinusoidalny sygnał jest wzmacniany względem wejściowej sinusoidy koloru na wykresach).

Podczas podłączania obciążenia R pomiędzy wyjściem wzmacniacza operacyjnego a punktem środkowym podłączenia zasilaczy (GB1 i GB2) - ryc. 18A prąd przepływa przez obciążenie symetrycznie w stosunku do punktu środkowego (odpowiednio, czerwonych i niebieskich półfal), a jego amplituda jest maksymalna, a amplituda napięcia jest na obciążeniu. także maksymalne możliwe - może osiągnąć prawie napięcie zasilania. Prąd ze źródła zasilania o odpowiedniej polaryzacji jest zamknięty przez wzmacniacz operacyjny Rnag. oraz źródło zasilania (czerwone i niebieskie linie pokazujące przepływ prądu w odpowiednim kierunku).

Ponieważ wewnętrzna rezystancja zasilaczy operacyjnych jest bardzo mała, prąd przepływający przez obciążenie jest ograniczony tylko przez jego rezystancję i maksymalny prąd wyjściowy wzmacniacza operacyjnego, który zwykle wynosi 25 mA.

Przy zasilaniu wzmacniacza operacyjnego napięciem jednobiegunowym jak wspólny autobus   zwykle wybierany jest biegun ujemny (minus) źródła zasilania, do którego podłączony jest drugi zacisk obciążenia (ryc. 18, B). Teraz prąd przepływający przez ładunek może płynąć tylko w jednym kierunku (pokazanym czerwoną linią), drugi kierunek po prostu nie ma skąd pochodzić. Innymi słowy, prąd przepływający przez odbiornik staje się asymetryczny (pulsujący).

Nie można jednoznacznie stwierdzić, że taka opcja jest zła. Jeśli obciążenie jest, powiedzmy, dynamiczną głową, to dla niej jest to mało jednoznaczne. Istnieje jednak wiele zastosowań, w których podłączanie obciążenia między wyjściem wzmacniacza operacyjnego a jedną z szyn zasilających (zwykle o ujemnej polaryzacji) jest nie tylko dopuszczalne, ale także jedyne możliwe.

Jeśli jednak konieczne jest zapewnienie symetrii prądu przepływającego przez ładunek z jednobiegunowym zasilaczem, to musisz galwanicznie oddzielić go od mocy wyjściowej wzmacniacza operacyjnego galwanicznie przez kondensator C1 (ryc. 18, B).

B) Aby zapewnić wymagany prąd wejścia odwracającego, a także wiązania   sygnały wejściowe dla niektórych arbitralnie wybrane   poziom zaakceptowane   dla odniesienia (zero) - ustawienie trybu pracy wzmacniacza operacyjnego dla prądu stałego (ryc. 19).

   Ryc. 19 Podłączanie źródła wejściowego z różnymi opcjami mocy wzmacniacza operacyjnego

Teraz rozważamy opcje połączeń dla źródeł wejściowych, wyłączając rozważenie połączenia obciążenia.

Połączenie wejść odwracających i nieodwracających z punktem środkowym podłączenia źródeł zasilania (ryc. 19, A) uwzględniono w analizie powyższych schematów. Jeśli nieodwracający prąd wejściowy nie zużywa i po prostu akceptuje potencjał punktu środkowego, wówczas przez źródło sygnału (G) i Rin, połączone szeregowo, prąd płynie, zamykając się przez odpowiednie źródło zasilania! A ponieważ ich rezystancje wewnętrzne są pomijalne w porównaniu z prądem wejściowym (wiele rzędów wielkości mniejszym niż Rin), praktycznie nie wpływa to na napięcie zasilania.

Dzięki jednobiegunowemu zasilaniu wzmacniacza operacyjnego możliwe jest idealne ukształtowanie potencjału dostarczanego do jego nieodwracającego wejścia za pomocą dzielnika R1R2 (ryc. 19, B, C). Typowe wartości rezystorów tego dzielnika wynoszą 10 ... 100 kOhm, a niższa (podłączona do wspólnej szyny ujemnej) wysoce wskazane jest bocznikowanie kondensatora przez 10 ... 22 mikrofaradów, aby znacznie zmniejszyć wpływ tętnień zasilania na potencjał sztuczne   punkt środkowy.

Ale źródło sygnału (G) jest bardzo niepożądane, aby połączyć się z tym sztucznym punktem środkowym z powodu tego samego prądu wejściowego. Oszacujmy. Nawet przy dzielniku R1R2 \u003d 10 kOhm i Rin \u003d 10 ... 100 kOhm, prąd wejściowy Jaw   w najlepszym razie będzie to 1/10, aw najgorszym do 100% prądu przepływającego przez dzielnik. Dlatego potencjał na nieodwracającym wejściu w połączeniu (w fazie) z sygnałem wejściowym będzie „unosił się”.

Aby wyeliminować wpływ sygnałów wejściowych na siebie podczas wzmacniania sygnałów prądu stałego podczas tego włączania, dla źródła sygnału należy ustawić osobny sztuczny potencjał punktu środkowego utworzony przez rezystory R3R4 (ryc. 19, B) lub, jeśli sygnał prądu przemiennego zostanie wzmocniony, galwanicznie oddzielić źródło sygnału z wejścia odwracającego przez kondensator C2 (ryc. 19, B).

Należy zauważyć, że w powyższych schematach (ryc. 18, 19) domyślnie przyjęliśmy, że sygnał wyjściowy musi być symetryczny względem punktu środkowego źródeł energii lub sztucznego punktu środkowego. W rzeczywistości nie zawsze jest to konieczne. Dość często konieczne jest, aby sygnał wyjściowy miał przeważnie biegunowość dodatnią lub ujemną. Dlatego absolutnie nie jest konieczne, aby dodatnia i ujemna biegunowość źródła zasilania były równe wartości bezwzględnej. Jeden z nich może być znacznie mniejszy pod względem wartości bezwzględnej niż drugi - tylko w celu zapewnienia normalnego funkcjonowania systemu operacyjnego.

Powstaje logiczne pytanie: „A które?” Aby odpowiedzieć na to pytanie, krótko zwróć uwagę na dopuszczalne zakresy napięcia wejściowych i wyjściowych sygnałów wzmacniacza operacyjnego.

W przypadku dowolnego wzmacniacza operacyjnego potencjał wyjściowy nie może być wyższy niż potencjał szyny dodatniej mocy i niższy niż potencjał szyny ujemnej mocy. Innymi słowy, napięcie wyjściowe nie może przekraczać napięcia zasilania. Na przykład dla wzmacniacza operacyjnego OPA277 napięcie wyjściowe przy rezystancji obciążenia 10 kOhm jest niższe niż napięcie szyny mocy dodatniej o 2 V i szyny mocy ujemnej o 0,5 V. Szerokość tych „martwych stref” napięcia wyjściowego, której wyjście wzmacniacza operacyjnego nie może osiągnąć, zależy od liczby czynniki, takie jak zespół obwodów wyjściowych, rezystancja obciążenia itp.). Istnieją opampy, w których strefy martwe są minimalne, na przykład 50 mV do napięcia szyny zasilającej przy obciążeniu 10 kOhm (dla OPA340), ta funkcja opampa nazywa się szyną do szyny (R2R).

Z drugiej strony, w przypadku wzmacniaczy operacyjnych o szerokim zastosowaniu, sygnały wejściowe również nie powinny przekraczać napięcia zasilania, a dla niektórych być mniejsze niż 1,5 ... 2 V. Istnieją jednak wzmacniacze operacyjne ze specjalnym obwodem wejściowym (na przykład ten sam LM358 / LM324) , który może działać nie tylko z poziomu mocy ujemnej, ale nawet „minus” o 0,3 V, co znacznie ułatwia ich użycie z mocą jednobiegunową ze wspólną szyną ujemną.

Na koniec rzućmy okiem na te „robale pająki”. Możesz nawet wąchać i lizać. Pozwalam na to. Rozważ ich najczęstsze opcje dostępne dla początkujących szynek. Zwłaszcza jeśli musisz lutować wzmacniacz operacyjny ze starego sprzętu.

W przypadku wzmacniaczy operacyjnych starych konstrukcji, które bezbłędnie wymagają zewnętrznych obwodów do korekcji częstotliwości w celu uniknięcia samowzbudzenia, obecność dodatkowych wniosków była charakterystyczna. Z tego powodu niektóre wzmacniacze operacyjne nawet „nie pasowały” do 8-pinowej obudowy (ryc. 20, A) i zostały wyprodukowane z 12-pinowego okrągłego szkła metalowego, na przykład K140UD1, K140UD2, K140UD5 (ryc. 20, B) lub 14-stykowe pakiety DIP, na przykład K140UD20, K157UD2 (rys. 20, C). Skrót DIP to skrót od angielskiego wyrażenia „Dual In line Package” i tłumaczy się jako „dwustronny pakiet terminali”.

Okrągła metalowo-szklana obudowa (ryc. 20, A, B) była używana jako główna dla importowanych wzmacniaczy operacyjnych do około połowy lat 70., a dla domowych wzmacniaczy operacyjnych do połowy lat 80. i jest teraz używana do tzw. Wnioski „wojskowe” („5. przyjęcie”).

Czasami domowe wzmacniacze operacyjne były umieszczane w obecnie dość „egzotycznych” przypadkach: 15-stykowe prostokątne metalowe szkło dla hybrydy K284UD1 (ryc. 20, D), w którym kluczem jest dodatkowe 15 wyjście z obudowy i inne. To prawda, płaskie 14-stykowe skrzynki (ryc. 20, D) do umieszczenia w nich systemu operacyjnego, których osobiście nie spotkałem. Były używane do obwodów cyfrowych.

   Ryc. 20 Obudowa domowych wzmacniaczy operacyjnych

Nowoczesne opampy w większości zawierają obwody korekcyjne bezpośrednio na chipie, co pozwoliło zrezygnować z minimalnej liczby wniosków (na przykład 5-pinowy SOT23-5 dla pojedynczego opampa - ryc. 23). Umożliwiło to umieszczenie dwóch lub czterech całkowicie niezależnych (oprócz wspólnych przewodów zasilających) wzmacniaczy operacyjnych wykonanych na jednym układzie w jednej obudowie.

   Ryc. 21 Dwurzędowe plastikowe obudowy nowoczesnego wzmacniacza operacyjnego do montażu wyjściowego (DIP)

Czasami można znaleźć wzmacniacze operacyjne znajdujące się w jednorzędowych 8-pinowych (Ryc. 22) lub 9-pinowych pakietach (SIP) - K1005UD1. Skrót SIP to skrót od angielskiego wyrażenia „Single In line Package” i tłumaczy się jako „jednostronny pakiet pin”.

   Ryc. 22 Jednorzędowa plastikowa obudowa podwójnych wzmacniaczy operacyjnych do montażu wyjściowego (SIP-8)

Zostały zaprojektowane tak, aby zminimalizować przestrzeń zajmowaną na płycie, ale niestety były „spóźnione”: do tego czasu SMD (urządzenie do montażu powierzchniowego) było szeroko stosowane przez lutowanie bezpośrednio do torów płyty (ryc. 23). Jednak dla początkujących ich stosowanie wiąże się ze znacznymi trudnościami.

   Ryc. 23 Obudowy nowoczesnych importowanych wzmacniaczy operacyjnych do montażu powierzchniowego (SMD)

Bardzo często ten sam mikroukład może być „pakowany” przez producenta w różnych przypadkach (ryc. 24).

   Ryc. 24 Opcje umieszczania tego samego mikroczipa w różnych przypadkach

Ustalenia wszystkich mikroukładów mają numerację sekwencyjną, liczoną od tzw „Klucz” wskazuje lokalizację wyjścia pod numerem 1. (ryc. 25). W jakikolwiek   jeśli umieścisz wnioski w sprawie ode mnie, ich numeracja rośnie przeciw zgodnie z ruchem wskazówek zegara!

   Ryc. 25 Pinout wzmacniaczy operacyjnych
   w różnych przypadkach (pinout) widok z góry;
   kierunek numeracji jest wskazany strzałkami

W okrągłych metalowo-szklanych obudowach klucz ma postać występu bocznego (ryc. 25, A, B). Z położenia tego klucza możliwe są ogromne grabie! W domowych 8-pinowych obudowach (302,8) klucz znajduje się naprzeciwko pierwszego wyjścia (ryc. 25, A), aw importowanym TO-5 - naprzeciw ósmego wyjścia (ryc. 25, B). W przypadkach 12-odprowadzeniowych, zarówno krajowych (302.12), jak i importowych, klucz znajduje się pomiędzy   pierwsze i 12. wnioski.

Zazwyczaj wejście odwracające zarówno w okrągłych obudowach metalowo-szklanych, jak i DIP jest podłączone do drugiego wyjścia, wejście nieodwracające do trzeciego, wyjście do 6, minus zasilanie do 4 i plus moc do 7. Istnieją jednak wyjątki (inny możliwy „rake”!) W pinou OU K140UD8, K574UD1. W nich numeracja wniosków jest przesunięta o jeden przeciwnie do ruchu wskazówek zegara w porównaniu z ogólnie przyjętym dla większości innych typów, tj. są one związane z wnioskami, jak w budynkach importowych (ryc. 25, B), a numeracja odpowiada domowym (ryc. 25, A).

W ostatnich latach większość obiektów użyteczności publicznej została umieszczona w plastikowych skrzynkach (ryc. 21, 25, V-D). W takich przypadkach kluczem jest albo wgłębienie (punkt) naprzeciwko pierwszego zacisku, albo wycięcie na końcu obudowy między pierwszym a 8 zaciskiem (DIP-8) lub 14 (DIP-14) lub fazowanie wzdłuż pierwszej połowy zacisków (ryc. 21, w środku). Również numeracja wniosków w tych przypadkach przeciw zgodnie z ruchem wskazówek zegara   patrząc z góry (wnioski z ciebie).

Jak wspomniano powyżej, opampy z wewnętrzną korekcją mają tylko pięć wyjść, z których tylko trzy (dwa wejścia i wyjście) należą do każdego pojedynczego opampa. Umożliwiło to umieszczenie dwóch całkowicie niezależnych wzmacniaczy operacyjnych (z wyjątkiem zasilacza plus i minus, wymagającego dwóch dodatkowych przewodów) w jednym 8-pinowym pakiecie na jednym układzie (ryc. 25, D), a nawet czterech w pakiecie 14-pinowym (ryc. 25, D). W rezultacie obecnie większość opampów produkowanych jest co najmniej podwójnie, na przykład TL062, TL072, TL082, tani i prosty LM358 itp. Są one dokładnie takie same pod względem struktury wewnętrznej, ale cztery - odpowiednio, TL064, TL074, TL084 i LM324.

W odniesieniu do krajowego analogu LM324 (K1401UD2) istnieje jeszcze jedna „graba”: jeśli w LM324 plus moc jest wyprowadzana na 4 wyjście, a minus na 11, to w K1401UD2 jest odwrotnie: plus energia jest wyprowadzana na 11 wyjście, i minus - na 4. Jednak różnica ta nie powoduje żadnych problemów z okablowaniem. Ponieważ wyprowadzenie zacisków wzmacniacza operacyjnego jest całkowicie symetryczne (ryc. 25, E), wystarczy obrócić obudowę o 180 stopni, aby pierwszy styk zajął miejsce 8. I to wszystko.

Kilka słów na temat oznaczania importowanych wzmacniaczy operacyjnych (i nie tylko wzmacniaczy operacyjnych). W przypadku szeregu opracowań pierwszych 300 oznaczeń cyfrowych zwyczajowo wyznaczano grupę jakości jako pierwszą cyfrę kodu cyfrowego. Na przykład wzmacniacz operacyjny LM158 / LM258 / LM358, komparatory LM193 / LM293 / LM393, regulowane trójstykowe stabilizatory TL117 / TL217 / TL317 itp. Są całkowicie identyczne w strukturze wewnętrznej, ale różnią się zakresem temperatur pracy. W przypadku LM158 (TL117) zakres temperatur roboczych wynosi od minus 55 do + 125 ... 150 stopni Celsjusza (tak zwany „zasięg bojowy” lub wojskowy), dla LM258 (TL217) - od minus 40 do +85 stopni („przemysłowy”) zakres) i dla LM358 (TL317) - od 0 do +70 stopni (zakres „gospodarstwa domowego”). Jednocześnie ich cena może być całkowicie niezgodna z taką gradacją lub różnić się nieznacznie ( nieodgadnione ścieżki cenowe!). Możesz więc kupić je z dowolnym dostępnym oznaczeniem „dla kieszeni” początkującego, nie szczególnie goniąc za pierwszymi „trzema”.

Po wyczerpaniu pierwszych trzystu cyfrowych oznaczeń grupy niezawodności zostały oznaczone literami, których znaczenie jest rozszyfrowane w arkuszach danych (arkusz danych dosłownie tłumaczy się jako „tabela danych”) na tych elementach.

Wniosek

Studiowaliśmy więc „alfabet” operacji wzmacniacza operacyjnego, nieco przechwytując komparatory. Następnie musisz nauczyć się dodawać słowa, zdania i całe znaczące „kompozycje” (wykonalne schematy) z tych „liter”.

Niestety „nie da się objąć ogromu”. Jeśli materiał przedstawiony w tym artykule pomógł zrozumieć, jak działają te „czarne skrzynki”, to dalsze pogłębianie analizy ich „wypełniania”, wpływu danych wejściowych, wyjściowych i przejściowych, jest zadaniem bardziej zaawansowanego badania. Informacje na ten temat są szczegółowe i dokładnie przedstawione w wielu istniejących literaturach. Jak mawiał dziadek William Ockham: „Nie powielaj bytów ponad to, co jest konieczne”. Nie ma potrzeby powtarzania już dobrze opisanego. Po prostu nie musisz być leniwy i go przeczytać.

Pozwól mi odejść, z szacunkiem itp., Przez Alexey Sokolyuk ()

Dobry dzień wszystkim. W poprzednim artykule mówiłem o żywieniu. W tym artykule omówię aplikację Wzmacniacze operacyjne w obwodach liniowych.

Popychacz napięcia

Pierwszy obwód, o którym powiem, to obwód wzmacniacza jednostkowego (wzmacniacz jednostkowy) lub tzw. Schemat tego wzmacniacza pokazano poniżej.

Wzmacniacz wzmocnienia jednostkowego (popychacz napięcia).

Obwód ten jest modyfikacją, różnica polega na tym, że na wejściu odwracającym nie ma rezystora sprzężenia zwrotnego i rezystora. Zatem napięcie z wyjścia wzmacniacza operacyjnego jest całkowicie dostarczane do odwracanego wejścia wzmacniacza operacyjnego, a zatem współczynnik przenoszenia sprzężenia zwrotnego wynosi jedność (β \u003d 1).

Jak wiadomo impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego ze sprzężeniem zwrotnym jest określona przez następujące wyrażenie

• gdzie R BX - impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego bez systemu operacyjnego,

Następnie dla popychacza napięcia rezystancja wejściowa będzie miała postać

Impedancja wyjściowa wzmacniacza operacyjnego ze sprzężeniem zwrotnym jest następująca

• gdzie R BYX jest impedancją wejściową wzmacniacza operacyjnego bez systemu operacyjnego
• β jest współczynnikiem transmisji obwodu OS,
• K to zysk wzmacniacza operacyjnego bez systemu operacyjnego.

Ponieważ popychacz napięcia ma współczynnik jedności transmisji sprzężenia zwrotnego (β \u003d 1), rezystancja wyjściowa będzie miała następującą postać

Przykład obliczania parametrów popychacza napięcia

Na przykład obliczamy podajnik napięcia na wzmacniaczu operacyjnym, który ma wzmocnienie K U \u003d 80 (38 dB) przy wymaganej częstotliwości, impedancja wejściowa R BX \u003d 500 kOhm, impedancja wyjściowa R BYX \u003d 300 Ohm.

Rezystancja wejściowa popychacza napięcia będzie wynosić

Rezystancja wyjściowa popychacza napięcia będzie wynosić

Wady najprostszego obwodu popychacza napięcia

Ze względu na fakt, że wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego z otwartym obwodem systemu operacyjnego zmienia się wraz z częstotliwością (wzmocnienie maleje wraz ze wzrostem częstotliwości), dlatego rezystancje wejściowe i wyjściowe zależą również od częstotliwości (wraz ze wzrostem częstotliwości impedancja wejściowa maleje, a impedancja wyjściowa rośnie).

Jeżeli sygnał wejściowy ma wystarczająco dużą składową stałoprądową i znaczną amplitudę amplitudy, może wystąpić sytuacja, gdy zostanie przekroczony limit napięcia wejściowego w trybie wspólnym. Aby wyeliminować ten problem, sygnał na wejście nieodwracające musi być doprowadzony przez kondensator izolujący, a rezystor musi być podłączony między wejściem nieodwracającym a ziemią, jednak rezystor ten wpłynie na rezystancję wejściową przemiennika.

Innym sposobem poprawy parametrów popychacza napięcia, który jest zalecany przez producentów wzmacniaczy operacyjnych, jest włączenie rezystorów o tej samej rezystancji w obwodzie systemu operacyjnego oraz między wejściem nieodwracającym a masą. W tym przypadku wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego będzie równe jedności, ale rezystancja wejściowa i wyjściowa będzie zależeć od zewnętrznych rezystorów, a nie od parametrów wzmacniacza operacyjnego.

Najbardziej skutecznym sposobem na poprawę parametrów pojedynczego wzmacniacza jest obwód, w którym po obwodzie wtórnym włącza się wzmacniacz mocy, który zapewnia duży prąd wyjściowy. W tym przypadku wzrost napięcia jest w przybliżeniu jednością, a prąd systemu operacyjnego jest określony przez charakterystykę wzmacniacza mocy (impedancja wejściowa i wyjściowa są mnożone przez współczynniki wzmocnienia obu wzmacniaczy).

Wzmacniacz nieodwracający

Po przeanalizowaniu obserwatora napięcia, który w istocie jest wzmacniaczem nieodwracającym o wzmocnieniu równym jedności, przejdźmy do rozważenia schematu wzmacniacza nieodwracającego o dowolnym wzmocnieniu. Ten typ wzmacniacza charakteryzuje się tym, że ma wysoką impedancję wejściową i niską wyjściową, obwód wzmacniacza pokazano poniżej

  Nieodwracający obwód wzmacniacza.

Obwód ten jest jednym ze standardowych obwodów przełączających wzmacniaczy operacyjnych i zawiera wzmacniacz operacyjny DA1, rezystor polaryzacji R1 i rezystor sprzężenia zwrotnego R2. Wzmacniacz operacyjny w tym obwodzie jest objęty sekwencyjnym sprzężeniem zwrotnym napięcia, współczynnik transferu obwodu sprzężenia zwrotnego będzie wynosić

Wówczas impedancja wejściowa wzmacniacza nieodwracającego będzie wynosić

R BX.OU - impedancja wejściowa systemu operacyjnego z systemem otwartym,

Do systemu operacyjnego - zysk systemu operacyjnego z systemem otwartym.

Impedancję wyjściową nieodwracającego wzmacniacza można obliczyć z następującego wyrażenia

R OUT.OA - rezystancja wyjściowa OA przy otwartym obwodzie OS.

Wzmocnienie nieodwracającego wzmacniacza

W tym typie wzmacniacza występuje pewien poziom napięcia polaryzacji UСМ na wejściu, dlatego obwód ten można zastosować, gdy poziom napięcia polaryzacji na wejściu nie ma znaczącego wpływu. Poziom napięcia wejściowego będzie wynosił

Przykład obliczenia wzmacniacza nieodwracającego

Obliczamy wzmacniacz nieodwracający, który powinien zapewnić wzmocnienie K \u003d 10. Jako wzmacniacz operacyjny używamy K157UD2, który ma następujące parametry: wzmocnienie (przy częstotliwości 1 kHz) K \u003d 1800 (65 dB), impedancja wejściowa R BX. OU \u003d 500 kOhm, moc wyjściowa rezystancja R BYX ОУ \u003d 300 Ohm, napięcie polaryzacji U CM \u003d 10 mV, prąd wejściowy I Х ≤ 500 nA. Sygnał wejściowy ma poziom U BX \u003d 40 mV.

Dodatek nieodwracający

Kontynuując temat nieodwracających wzmacniaczy, powiem o nieodwracającym sumatorze, który pełni funkcję dodawania sygnałów wejściowych i znajduje swoje zastosowanie jako liniowe miksery sygnałów (miksery), na przykład, gdy sygnały z kilku źródeł muszą zostać połączone i doprowadzone do wejścia wzmacniacza mocy. Nieodwracający obwód sumatora pokazano poniżej.

Obwód ten jest nieodwracającym wzmacniaczem z dwoma wejściami i składa się ze wzmacniacza operacyjnego DA1, ograniczających prąd rezystorów wejściowych R1 i R2, rezystora polaryzacji R3 i rezystora sprzężenia zwrotnego R4.

W przypadku tego obwodu główne zależności odpowiadają obwodowi prostego wzmacniacza nieodwracającego, biorąc pod uwagę fakt, że napięcie wejściowe w obwodzie odpowiada średniemu napięciu na zaciskach wejściowych

A rezystancja rezystorów musi spełniać następujący warunek

Zyski dla różnych kanałów są określone przez następujące wyrażenie

R N jest rezystancją rezystora wejściowego,

K N jest wzmocnieniem odpowiedniego kanału wzmocnienia.

Główną wadą nieodwracającego obwodu sumującego jest brak zerowego punktu potencjalnego, więc wzmocnienie przy różnych wejściach nie jest niezależne. Wada ta objawia się w przypadkach, gdy rezystancja wewnętrzna źródeł napięcia wejściowego lub tylko jednego z nich jest znana w przybliżeniu lub zmienia się podczas pracy.

Teoria jest dobra, ale teoria bez praktyki to tylko drżenie powietrza.