Feedback operationelle forstærker kredsløb

Repeater og inverterende forstærker

I slutningen af ​​artiklen “Den ideelle driftsforstærker” Det blev vist, at når man bruger en operationel forstærker i forskellige switching-kredsløb, afhænger amplificeringen af ​​kaskaden på en enkelt operationel forstærker (OA) kun af tilbagemeldingsdybden. Derfor, i formlerne til at bestemme gevinsten for et bestemt kredsløb, bruges forøgelsen af ​​den "bare" op-amp, så at sige, ikke. Det er netop den enorme koefficient, der er specificeret i kataloger.

Så er det helt passende at stille spørgsmålet: "Hvis det endelige resultat (forstærkning) ikke afhænger af denne enorme" reference "-koefficient, hvad er forskellen mellem opamp med forstærkning flere tusind gange og med samme opamp, men med forstærkning flere hundrede tusinde og endda millioner? ”

Svaret er ganske enkelt. I begge tilfælde vil resultatet være det samme, kaskadevinsten bestemmes af OOS-elementerne, men i det andet tilfælde (opamp med høj forstærkning) fungerer kredsløbet mere stabilt, mere præcist, hastigheden for sådanne kredsløb er meget højere. Af god grund er op-ampere opdelt i op-ampere til generel anvendelse og høj præcision, præcision.

Som allerede nævnt blev de pågældende “operationelle” forstærkere modtaget på det tidspunkt, hvor de hovedsageligt blev brugt til at udføre matematiske operationer i analoge computere (AVM'er). Dette var operationer med tilføjelse, subtraktion, multiplikation, opdeling, kvadrering og mange andre funktioner.

Disse antediluvianske op-ampere blev udført på elektronrør, senere på diskrete transistorer og andre radiokomponenter. Naturligvis var dimensionerne på endda transistor op ampere store nok til at blive brugt i amatørkonstruktioner.

Og først efter at op-ampere, takket være resultaterne af integreret elektronik, blev størrelsen på en almindelig laveffekttransistor, anvendelsen af ​​disse dele i husholdningsudstyr og amatørkredsløb blev berettiget.

I øvrigt moderne op-ampere, selv af relativt høj kvalitet, til en pris, der ikke er meget højere end to eller tre transistorer. Denne erklæring gælder for almindelige formål op ampere. Præcisionsforstærkere kan koste lidt mere.

Med hensyn til kredsløbene på op-forstærkeren er det straks værd at bemærke, at de alle er drevet af en bipolær strømkilde. En sådan tilstand er den mest "sædvanlige" for en op-forstærker, der tillader forstærkning ikke kun vekselstrømsspændingssignaler, for eksempel en sinusformet, men også jævnstrømssignaler eller blot spænding.

Og alligevel, ofte, er strømforsyningen til kredsløbene på op-forstærkeren fra en unipolær kilde. Det er sandt, i dette tilfælde er det ikke muligt at øge den konstante spænding. Men det sker ofte, at dette simpelthen ikke er nødvendigt. Kredsløb med unipolær strømforsyning vil blive beskrevet senere, men i øjeblikket fortsætter vi med ordningerne til at tænde op-forstærkeren med bipolær strøm.

Forsyningsspændingen for de fleste op-ampere er oftest inden for ± 15V. Men dette betyder slet ikke, at denne spænding ikke kan sænkes noget lavere (højere anbefales ikke). Mange op-ampere fungerer meget stabilt fra ± 3V, og nogle modeller endda ± 1,5V. En sådan mulighed er angivet i den tekniske dokumentation (DataSheet).

Spændingsfølger

Det er den enkleste enhed med hensyn til kredsløb på en op-amp; dens kredsløb er vist i figur 1.

Figur 1. Spændingsfølerkredsløb på en driftsforstærker

Det er let at se, at der ikke var behov for en enkelt detalje for at oprette et sådant skema undtagen selve op-amp. Sandt nok er strømforbindelsen ikke vist på figuren, men en sådan oversigt over ordningerne findes meget ofte. Det eneste, jeg gerne vil bemærke, er, at mellem terminalerne på op-amp-strømforsyningen (for eksempel til KR140UD708 op-amp, disse er konklusioner 7 og 4) og den fælles ledning skal tilsluttes blokerende kondensatorer med en kapacitet på 0,01 ... 0,5 μF.

Deres formål er at gøre driften af ​​op-forstærkeren mere stabil og slippe af med selv excitationen af ​​kredsløbet langs strømkredsløbene. Kondensatorer skal tilsluttes så tæt som muligt på chipens strømstik. Nogle gange er en kondensator forbundet, baseret på en gruppe på flere mikrokredsløb. De samme kondensatorer kan ses på tavler med digitale mikrokredsløb, deres formål er det samme.

Forstærkerens gevinst er lig med enhed, eller for at sige det på en anden måde er der heller ingen gevinst. Så hvorfor en sådan ordning? Her er det helt passende at huske, at der er et transistorkredsløb - en emitterfølger, hvis hovedformål er matchning af kaskader med forskellige inputmodstande. Lignende kaskader (repeatere) kaldes også buffer.

Repeaterens indgangsmodstand på op-forstærkeren beregnes som produktet af op-amp-indgangens impedans ved dens forstærkning. For den nævnte UD708 er indgangsimpedansen for eksempel ca. 0,5 MΩ, gevinsten er mindst 30.000 og måske mere. Hvis du multiplicerer disse tal, er inputimpedansen 15 GΩ, hvilket kan sammenlignes med modstanden for ikke særlig høj kvalitet isolering, f.eks. Papir. Et sådant højt resultat opnås sandsynligvis ikke med en konventionel emitterfølger.

Så at beskrivelserne ikke er i tvivl, herunder er figurerne, der viser driften af ​​alle de kredsløb, der er beskrevet i programsimulatoren Multisim. Naturligvis kan alle disse skemaer samles på brødbræt, men ikke de værste resultater kan opnås på skærmen.

Faktisk er det endda lidt bedre her: Du behøver ikke gå et sted på hylden for at ændre modstand eller mikrokredsløb. Her er alt, selv måleinstrumenter, i programmet og "får" ved hjælp af musen eller tastaturet.

Figur 2 viser repeaterkredsløbene, der er lavet i Multisim-programmet.

Figur 2

Undersøgelse af kredsløbet er ganske enkelt. Et sinusformet signal med en frekvens på 1 KHz og en amplitude på 2 V påføres indgangen til repeateren fra den funktionsgenerator, som vist i figur 3.

Figur 3

Signalet ved indgangen og udgangen fra repeateren observeres af oscilloskopet: indgangssignalet vises af en blå stråle, udgangsstrålen er rød.

Figur 4

Og hvorfor, den opmærksomme læser vil spørge, er output (rødt) signal dobbelt så stort som input blå? Alt er meget enkelt: med samme følsomhed som oscilloskopkanalerne skjuler begge sinusoider med samme amplitude og fase sig ind i hinanden, gemmer sig bag hinanden.

For at sammensætte dem begge på en gang, måtte vi reducere følsomheden på en af ​​kanalerne, i dette tilfælde input. Som et resultat blev den blå sinusbølge nøjagtigt halvdelen af ​​størrelsen på skærmen og stoppede med at gemme sig bag den røde. Selvom du kan opnå et sådant resultat, kan du simpelthen skifte stråler med oscilloskopkontrollerne og lade kanalernes følsomhed være den samme.

Begge sinusoider er placeret symmetrisk i forhold til tidsaksen, hvilket indikerer, at signalets konstante komponent er lig med nul. Og hvad vil der ske, hvis der tilføjes en lille DC-komponent til indgangssignalet? Den virtuelle generator giver dig mulighed for at flytte sinusbølgen langs Y-aksen. Lad os prøve at skifte den opad med 500 mV.

Figur 5

Hvad der kom af dette, er vist i figur 6.

Figur 6

Det bemærkes, at input- og output-sinusoiderne steg med en halv volt, mens de slet ikke ændrede sig. Dette antyder, at repeateren nøjagtigt transmitterede signalets konstante komponent. Men oftest forsøger de at slippe af med denne konstante komponent, gør den lig med nul, hvilket undgår brugen af ​​sådanne kredsløbselementer som mellemliggende isolationskondensatorer.

Repeateren er selvfølgelig god og endda smuk: der var ikke brug for en eneste yderligere detalje (selvom der er repeaterkredsløb med mindre "tilføjelser"), men de modtog ingen gevinst.Hvilken type forstærker er dette? For at få en forstærker skal du blot tilføje et par detaljer, hvordan du gør dette vil blive beskrevet senere.

Inverterende forstærker

For at fremstille en inverterende forstærker fra op-forstærkeren er det nok at kun tilføje to modstande. Hvad der kom af dette, er vist i figur 7.

Figur 7. Inverterforstærker kredsløb

Gevinsten ved en sådan forstærker beregnes ved formlen K = - (R2 / R1). Minustegnet betyder ikke, at forstærkeren viste sig at være dårlig, men kun at udgangssignalet vil være modsat i fase fra indgangen. Ikke underligt forstærkeren kaldes invertering. Her ville det være passende at huske den transistor, der er inkluderet i skemaet med OE. Også der er udgangssignalet på transistorens samler i antifase med det indgangssignal, der leveres til basen.

Det er her, det er værd at huske, hvor meget du skal gøre for at få en ren, forvrænget sinusoid på transistorens samler. Det kræves at vælge bias på basis af transistoren i overensstemmelse hermed. Dette er som regel ret kompliceret, afhængigt af mange parametre.

Når du bruger en op-forstærker, er det nok at blot beregne modstanden for modstande i henhold til formlen og opnå en given forstærkning. Det viser sig, at opsætning af et kredsløb på en op-forstærker er meget enklere end at opsætte flere transistorkaskader. Derfor skal man ikke være bange for, at ordningen ikke fungerer, den ikke vil fungere.

Figur 8

Her er alt det samme som i de foregående figurer: indgangssignalet vises i blåt, det er rødt efter forstærkeren. Alt svarer til formlen K = - (R2 / R1). Udgangssignalet er i modifase med indgangen (hvilket svarer til minustegnet i formlen), og amplituden af ​​udgangssignalet er nøjagtigt to gange input. Hvilket også er tilfældet med forholdet (R2 / R1) = (20/10) = 2. For at opnå forstærkning for eksempel 10 er det nok at øge modstanden for modstanden R2 til 100KΩ.

Faktisk kan kredsløbet til en inverteringsforstærker være noget mere kompliceret, en sådan mulighed er vist i figur 9.

Figur 9Inverterende forstærker kredsløb

En ny del dukkede op her - modstanden R3 (snarere forsvandt den lige fra det forrige kredsløb). Dets formål er at kompensere indgangsstrømmene for en reel opamp for at reducere temperaturen ustabilitet for DC-komponenten ved udgangen. Værdien af ​​denne modstand vælges med formlen R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Moderne meget stabile opamps gør det muligt at tilslutte den ikke-inverterende indgang til en fælles ledning direkte uden modstand R3. Selvom tilstedeværelsen af ​​dette element ikke vil gøre noget dårligt, men i den nuværende produktionsskala, når de sparer på alt, foretrækker de ikke at installere denne modstand.

Formlerne til beregning af inverteringsforstærkeren er vist i figur 10. Hvorfor i figuren? Ja, bare for klarheden ville de i en tekstlinje ikke se så velkendte og forståelige ud og ville ikke være så synlige.

Figur 10

Om gevinsten blev nævnt tidligere. Her er indgangs- og udgangsmotstanderne for en ikke-inverterende forstærker bemærkelsesværdig. Alt ser ud til at være klart med indgangsmodstanden: det viser sig at være lig modstanden af ​​modstanden R1, men udgangsmodstanden skal beregnes i henhold til formlen vist i figur 11.

Bogstavet K ”angiver op-ampens referencekoefficient. Beregn her, hvad output-impedansen vil være lig med. Det vil vise sig at være en forholdsvis lille figur, selv for en gennemsnitlig op-forstærker af type UD7 med sin K ”lig med højst 30.000. I dette tilfælde er dette godt: jo lavere, desto lavere er udgangsmodstanden for kaskaden (dette gælder ikke kun kaskader på op-amp), desto kraftigere er belastningen, med rimelighed naturligvis inden for grænser kan denne kaskade forbindes.

Der skal fremsættes en separat bemærkning om enheden i nævneren af ​​formlen til beregning af outputmodstanden. Antag, at forholdet R2 / R1 for eksempel er 100. Dette er forholdet opnået i tilfælde af forstærkning af inverteringsforstærkeren 100.Det viser sig, at hvis denne enhed kasseres, ændrer intet meget. Det er faktisk ikke helt sandt.

Antag, at modstanden i modstand R2 er nul, som for en repeater. Derefter, uden enhed, bliver hele nævneren nul, og outputmodstanden er også nul. Og hvis dette nul vises et eller andet sted i nævneren af ​​formlen, hvordan bestiller du derefter at opdele den? Derfor er det simpelthen umuligt at slippe af med denne tilsyneladende ubetydelige enhed.

I en artikel, selv stor nok, skal du bare ikke skrive. Derfor har du alt, hvad der ikke passede at fortælle i den næste artikel. Der vil være en beskrivelse af en ikke-inverterende forstærker, en differentiel forstærker, en unipolær effektforstærker. Der vil også blive givet en beskrivelse af enkle kredsløb til kontrol af opampen.

Boris Aladyshkin