Driftsforstærkere. Del 2. Den perfekte driftsforstærker

For bedre at forstå principperne for konstruktion af kredsløb ved hjælp af operationelle forstærkere bruger de ofte konceptet om en ideel driftsforstærker. Hvad er dens idealitet, dens vidunderlige egenskaber? Der er ikke så mange af dem, men de har alle en tendens til enten at være nul eller endda til uendeligt. Men opfører sig sådan driftsforstærker ikke dækket af feedback (OS) og generelt ikke har nogen eksterne forbindelser.

I denne artikel vil vi prøve at tale om feedback og nogle skemaer til inkludering af operationelle forstærkere uden at nævne besværlige matematiske formler med integraler. Men nogle, ganske enkle og forståelige, på niveauet for skolens ottende klasse, som vil hjælpe med at forstå den generelle betydning, kan stadig ikke undgås.

vinde af

Med en sådan "forhøjet" forstærkning er det nok at anvende kun et par mikrovolt på dens indgange (for eksempel netforstyrrelse) for at få en udgangsspænding tæt på 15V. Denne tilstand angiver mætning af output.

Det er passende at huske den samme tilstand i transistorer. I denne form opnås naturligvis ingen gevinst overhovedet. Derfor er reelle operationelle forstærkere altid dækket af negativ feedback, som vil blive diskuteret nedenfor.

Selvom det skal bemærkes, at der ofte bruges operationelle forstærkere uden feedback, og i nogle tilfælde med positiv feedback. Denne applikation findes i komparatorer - enheder til nøjagtig sammenligning af analoge signaler. Sammenlignere findes i form af specialiserede mikrokredsløb og er også en del af andre mikrokredsløb. Bare husk det legendariske integreret timer NE555, der indeholder i sig selv to komparatorer.

Næsten nyere historie

På en gang mestrede den indenlandske elektroniske industri også produktionen af ​​operationelle forstærkere. Den første operationelle forstærker var K1UT401A (B), derefter omdøbt til K140UD1 med de samme bogstaver i slutningen. Så som en næsten nøjagtig kopi af den amerikanske bror UA702 havde den analoge med bogstavet A ved en forsyningsspænding på ± 6V en forstærkning i området 500 ... 4500 og med bogstavet B (± 12V) 1500 ... 13000.

Efter moderne standarder er dette bare latterligt, men ikke desto mindre kan disse archaiske forstærkere stadig findes. Men selv med en sådan "lille" gevinst var det umuligt at gøre uden negativ feedback.

Og netop udseendet af operationelle forstærkere i integreret design introducerede denne universelle komponent i industrielle, indenlandske og amatørkredsløb. Når alt kommer til alt, skal du indrømme, at en operationel forstærker med elektroniske rør eller endda en transistor mulighed, undtagen i forsvars AVM'er, ikke kunne bruges.

Indgange og udgange fra driftsforstærkere

Den operationelle forstærker har to indgange og en udgang, og selvfølgelig to udgange til spænding. Dette er det mindste sæt konklusioner, der er afgørende. Dette er nøjagtigt, hvordan det er med de fleste moderne operationelle forstærkere. Engang var der konklusioner for at forbinde elementer i frekvenskorrektion og balance.

Mad er oftest bipolar med et midtpunkt, hvilket gør det muligt at forstærke ved konstant spænding. I dette tilfælde accepteres det generelt, at frekvensområdet for driftsforstærkere starter fra 0 Hz, og den øvre frekvens er begrænset både af typen af ​​driftsforstærker i sig selv, dets interne kredsløb og typen af ​​transistorer og dets omskifter.

Båndbredden for en ideel driftsforstærker strækker sig fra DC til uendelig.Hastigheden eller slæbhastigheden af ​​udgangssignalet er også uendelig. Men vi vil ikke overveje dette spørgsmål på nuværende tidspunkt.

Hvad forbedrer den operationelle forstærker

Driftsforstærkerens udgangsspænding er proportional med spændingsforskellen ved dens indgange. I dette tilfælde spiller det absolutte niveau for signalerne såvel som deres polaritet ikke en særlig rolle. Kun forskellen betyder noget. Og da alle udtryk i elektronik kom fra det engelske sprog, så er det tid til at huske ordet “anderledes”, hvilket betyder heterogen forskel (ordbogen “Multitran”), og forstærkere af dette driftsprincip kaldes differentielt.

Hvad der ikke forstærker den operationelle forstærker

Her kan vi også huske en så vidunderlig egenskab ved driftsforstærkere som dæmpningen af ​​et fælles-modus signal: hvis det samme signal anvendes til begge indgange, vil det ikke blive forstærket. Dette bruges, når man anvender et signal over lange ledninger: det nyttige signal har en anden fase, mens interferenssignalet ved begge indgange er det samme.

Hvad kan man få ved output fra driftsforstærkeren

Outputimpedansen af ​​en ideel driftsforstærker har en tendens til nul, hvilket teoretisk giver dig mulighed for at få et vilkårligt stort, bare uendeligt signal ved udgangen. Faktisk er udgangsspændingen fra en reel driftsforstærker begrænset af spændingerne i kraftkilderne: Hvis en bipolær forsyningsspænding, for eksempel ± 15V, er det simpelthen umuligt at opnå +20 eller -25 ved udgangen.

Dette er med hensyn til forstærkning af konstante spændinger. I tilfælde af forstærkning, for eksempel en sinusoid ved udgangen, bør der også opnås en sinusoid, hvis amplitude ikke overskrider forsyningsspændingen.

Indgangs- og udgangsspændinger kan ikke være højere end spændingen fra strømkilder. For eksempel, når den er drevet af ± 15V, er udgangsspændingen lavere med 0,5 ... 1,5V. Men nogle moderne mikrokredsløb tillader at blive lig med forsyningsspændingen ved output og input. Denne egenskab i databladene kaldes Rail-to-Rail, bogstaveligt talt som "dæk til dæk". Når du vælger en driftsforstærker, skal du være opmærksom på denne egenskab.

Indgangsimpedans

Indgangsimpedansen for begge indgange fra driftsforstærkeren er meget stor og er inden for hundreder af MegaOhm, og i nogle tilfælde endda GigaOhm. Til sammenligning: ovennævnte K1UT401 havde en inputimpedans på kun et par titusler kOhm.

Indgangsimpedansen når naturligvis ikke uendelig som en ideel driftsforstærker, men den er stadig så stor, at den ikke påvirker indgangssignalniveauerne. Fra dette kan vi konkludere, at der ikke strømmer strøm i inputene. Dette er et af hovedprincipperne anvendt i beregning og analyse af kredsløb på driftsforstærkere. For nu skal du bare huske det.

Den sidste erklæring vedrører direkte forstærkere. En sådan høj indgangsimpedans ligger i selve driftsforstærkere, men inputimpedansen for forskellige kredsløb baseret på den kan være meget lavere. Denne situation skal altid huskes. Og nu, vær forsigtig, historien begynder om den vigtigste ting.

Negativ feedback (OOS)

OOS er intet andet end en forbindelse mellem output og input, hvor en del af output subtraheres fra input signalet. En sådan forbindelse fører til et fald i forstærkning. I modsætning til OOS er der positiv feedback (POS), der omvendt summerer indgangssignalet med en del af output. Sådanne forbindelser bruges ikke kun i elektronisk teknologi, men i mange andre tilfælde, for eksempel i mekanik. Effekten af ​​disse feedbacks kan karakteriseres som følger: OOS fører til systemets stabilitet, positive fører til dets ustabilitet.

I forhold til de aktuelle driftsforstærkere giver OOS dig mulighed for at indstille forstærkningen med tilstrækkelig nøjagtighed og fører også til mange flere kvalitative og endda behagelige forbedringer af kredsløbet. Men først skal du finde ud af, hvordan OOS fungerer.Overvej som et eksempel et kredsløb, der kan findes i enhver lærebog om automatisering.

Figur 1

Ignal U.output signal output. fra udgangen passerer den til summeringsindretningen (en cirkel med et plustegn inde) gennem OOS-kredsløbet med overførselskoefficienten β, i dette tilfælde mindre end en. Hvis denne koefficient gøres større end enheden, hvilket er teknisk muligt, så i stedet for at forstærke signalet, opnår vi dets dæmpning. Men indtil videre antager vi, at vi har brug for præcis forstærkning.

OOS-klippe er bare en ulykke

Hvis du bryder feedback-loopen, vil spændingen ved udgangen fra driftsforstærkeren være U.out. = K * U.in. Teoretisk enorm værdi. Faktisk vil det være begrænset af størrelsen på forsyningsspændingen. Dette er allerede blevet sagt tidligere. Et lignende eksempel: hvis det er en elektrisk motor med stabilisering af omdrejninger (også feedback), vil den ganske enkelt accelerere så vidt muligt. I dette tilfælde siger de, at systemet gik "peddel".

Ved at passere gennem OOS-kredsløbets kredsløb dæmpes udgangssignalet af β * U.output. Derfor kommer kun (U.in.-ß * U.out.) Til forstærkerindgangen via addereren. Minustegnet indikerer, at feedback er negativ. Efter at have passeret gennem enheden med en forstærkning K, vil output være U.output = K * (U.in.-ß * U.out.). Til gengæld er gevinsten for hele systemet K.us. = U.out./U.in. og det viser sig, at U.out. = K *

Efter nogle transformationer kan man opnå følgende resultat: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Alle disse transformationer førte til den enkle formel K.us. = K / (1+ K * ß). Hvis vi antager, at K in er stor nok (og i tilfælde af at bruge en driftsforstærker er dette virkelig sådan), så vil enheden i parentes ikke udføre noget særlig vejr, det kan kasseres, hvilket resulterer i, at formlen har følgende form:

K.us. = 1 / β

Den resulterende formel (som faktisk var grunden til, at hele hegnet af formlerne blev samlet) giver os mulighed for at angive, at overførselskoefficienten for den operationelle forstærker i feedbackkredsløbet ikke på nogen måde afhænger af forstærkningen af ​​selve driftsforstærkeren, men kun bestemmes af feedbackkredsløbets parametre , dens transmissionskoefficient β. Men ikke desto mindre, jo højere gevinsten for selve driftsforstærkeren er, jo mere præcis den angivne formel giver, desto mere stabilt fungerer kredsløbet.

Derfor kræver forstærkningskaskaderne på operationelle forstærkere ikke indstilling, som sædvanlige transistorkaskader: lige beregnet feedbackmodstand, loddet, fik den krævede kaskadevinst. Hvordan dette gøres vil blive beskrevet i den næste artikel.