Es hat sich gezeigt, dass beim Einsatz eines Operationsverstärkers in verschiedenen Schaltkreisen die Verstärkung einer Stufe an einem einzelnen Operationsverstärker (Operationsverstärker) nur von der Rückkopplungstiefe abhängt. Daher wird in Formeln zur Bestimmung der Verstärkung einer bestimmten Schaltung die Verstärkung des sozusagen „nackten“ Operationsverstärkers selbst nicht verwendet. Das ist genau der große Koeffizient, der in Nachschlagewerken angegeben ist.

Dann ist es durchaus angebracht, die Frage zu stellen: „Wenn das Endergebnis (die Verstärkung) nicht von diesem riesigen „Referenz“-Koeffizienten abhängt, was ist dann der Unterschied zwischen einem Operationsverstärker mit einer mehrere tausendfachen Verstärkung und einem mit dem? derselbe Operationsverstärker, aber mit einem Gewinn von mehreren Hunderttausend oder sogar Millionen?

Die Antwort ist ganz einfach. In beiden Fällen ist das Ergebnis das gleiche, die Verstärkung der Kaskade wird durch die OOS-Elemente bestimmt, aber im zweiten Fall (Operationsverstärker mit hoher Verstärkung) arbeitet die Schaltung stabiler und die Leistung dieser Elemente ist genauer Schaltungen ist viel höher. Nicht umsonst werden Operationsverstärker in Allzweck-Operationsverstärker und hochpräzise Operationsverstärker unterteilt.

Wie bereits erwähnt, erhielten die betreffenden Verstärker ihren Namen „operational“ zu einer fernen Zeit, als sie hauptsächlich zur Durchführung mathematischer Operationen in Analogcomputern (AVMs) verwendet wurden. Dies waren die Operationen Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division, Quadrierung und viele andere Funktionen.

Diese vorsintflutlichen Operationsverstärker wurden aus Vakuumröhren und später aus diskreten Transistoren und anderen Funkkomponenten hergestellt. Natürlich waren die Abmessungen selbst Transistor-Operationsverstärker groß genug, um in Amateurdesigns verwendet zu werden.

Und erst nachdem Operationsverstärker dank der Errungenschaften der integrierten Elektronik die Größe eines gewöhnlichen Transistors mit geringer Leistung erreicht hatten, wurde die Verwendung dieser Teile in Haushaltsgeräten und Amateurschaltkreisen gerechtfertigt.

Übrigens kosten moderne Operationsverstärker, selbst von relativ hoher Qualität, nicht viel mehr als zwei oder drei Transistoren. Diese Aussage gilt für Allzweck-Operationsverstärker. Präzisionsverstärker können etwas mehr kosten.

Was Operationsverstärkerschaltungen betrifft, sollte man gleich darauf hinweisen, dass sie alle für die Stromversorgung durch eine bipolare Stromquelle ausgelegt sind. Dieser Modus ist der „vertrauteste“ für einen Operationsverstärker und ermöglicht es ihm, nicht nur Wechselspannungssignale, beispielsweise eine Sinuswelle, sondern auch Gleichstromsignale oder einfach Spannung zu verstärken.

Und doch werden Operationsverstärkerschaltungen häufig von einer unipolaren Quelle gespeist. In diesem Fall ist es zwar nicht möglich, die konstante Spannung zu erhöhen. Aber es kommt oft vor, dass dies einfach nicht notwendig ist. Schaltungen mit einpoliger Stromversorgung werden später besprochen, aber zunächst geht es um Schaltungen zum Einschalten von Operationsverstärkern mit bipolarer Stromversorgung.

Die Versorgungsspannung der meisten Operationsverstärker liegt meist innerhalb von ±15 V. Dies bedeutet jedoch keineswegs, dass diese Spannung nicht etwas niedriger eingestellt werden kann (höher wird nicht empfohlen). Viele Operationsverstärker arbeiten ab ±3 V sehr stabil, einige Modelle sogar ±1,5 V. Auf diese Möglichkeit wird in der technischen Dokumentation (DataSheet) hingewiesen.

Spannungsverstärker

Vom Schaltungsaufbau her handelt es sich um das einfachste Operationsverstärkergerät; seine Schaltung ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Spannungsfolgerschaltung eines Operationsverstärkers

Es ist leicht zu erkennen, dass zum Erstellen einer solchen Schaltung kein einziges Teil außer dem Operationsverstärker selbst benötigt wurde. Die Abbildung zeigt zwar nicht den Stromanschluss, aber solche Diagramme findet man immer wieder. Das Einzige, was ich anmerken möchte, ist, dass zwischen den Stromversorgungspins des Operationsverstärkers (zum Beispiel sind dies beim Operationsverstärker KR140UD708 die Pins 7 und 4) und dem gemeinsamen Draht eine Kapazität von 0,01 bis 0,5 angeschlossen werden sollte µF.

Ihr Zweck besteht darin, den Betrieb des Operationsverstärkers stabiler zu machen und die Selbsterregung des Stromkreises entlang der Stromkreise zu beseitigen. Kondensatoren sollten so nah wie möglich an den Stromanschlüssen der Mikroschaltung angeschlossen werden. Manchmal ist ein Kondensator pro Gruppe mehrerer Mikroschaltungen angeschlossen. Auf Platinen mit digitalen Mikroschaltungen sind die gleichen Kondensatoren zu sehen, ihr Zweck ist der gleiche.

Der Repeater-Gewinn ist gleich eins, oder anders ausgedrückt, es gibt überhaupt keinen Gewinn. Warum brauchen wir dann ein solches System? Hier ist es durchaus angebracht, sich daran zu erinnern, dass es sich um eine Transistorschaltung handelt – einen Emitterfolger, dessen Hauptzweck darin besteht, Kaskaden mit unterschiedlichen Eingangswiderständen anzupassen. Solche Kaskaden (Repeater) werden auch Pufferkaskaden genannt.

Die Eingangsimpedanz eines Repeaters zu einem Operationsverstärker wird als Produkt aus der Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers und seiner Verstärkung berechnet. Beispielsweise beträgt die Eingangsimpedanz des erwähnten UD708 etwa 0,5 MOhm, die Verstärkung beträgt mindestens 30.000 und möglicherweise mehr. Wenn diese Zahlen multipliziert werden, beträgt der Eingangswiderstand 15 GOhm, was mit dem Widerstand einer nicht sehr hochwertigen Isolierung, wie beispielsweise Papier, vergleichbar ist. Mit einem herkömmlichen Emitterfolger ist ein derart hohes Ergebnis wahrscheinlich nicht zu erreichen.

Um sicherzustellen, dass die Beschreibungen keine Zweifel aufkommen lassen, finden Sie im Folgenden Abbildungen, die die Funktionsweise aller beschriebenen Schaltkreise im Multisim-Simulatorprogramm zeigen. Selbstverständlich lassen sich alle diese Schaltungen auf Steckbrettern zusammenbauen, auf einem Bildschirm sind jedoch keine schlechteren Ergebnisse zu erzielen.

Eigentlich ist es hier sogar noch ein bisschen besser: Man muss nicht irgendwo auf ein Regal klettern, um einen Widerstand oder eine Mikroschaltung auszutauschen. Hier ist alles, auch Messgeräte, im Programm und kann per Maus oder Tastatur „erreicht“ werden.

Abbildung 2 zeigt eine im Multisim-Programm erstellte Repeater-Schaltung.

Figur 2.

Die Erforschung der Schaltung ist recht einfach. Ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz von 1 kHz und einer Amplitude von 2 V wird vom Funktionsgenerator an den Repeater-Eingang angelegt, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Figur 3.

Das Signal am Ein- und Ausgang des Repeaters wird mit einem Oszilloskop beobachtet: Das Eingangssignal wird als blauer Strahl dargestellt, das Ausgangssignal als roter Strahl.

Figur 4.

Warum, so fragt sich der aufmerksame Leser, ist das Ausgangssignal (rot) doppelt so groß wie das Eingangssignal blau? Alles ist ganz einfach: Bei gleicher Empfindlichkeit der Oszilloskopkanäle verschmelzen beide Sinuskurven mit gleicher Amplitude und Phase zu einer und verstecken sich hintereinander.

Um beides gleichzeitig zu sehen, mussten wir die Empfindlichkeit eines der Kanäle, in diesem Fall des Eingangs, reduzieren. Dadurch wurde die blaue Sinuskurve auf dem Bildschirm genau halb so groß und versteckte sich nicht mehr hinter der roten. Um ein ähnliches Ergebnis zu erzielen, können Sie die Strahlen jedoch einfach mit den Oszilloskop-Bedienelementen verschieben, wobei die Empfindlichkeit der Kanäle gleich bleibt.

Beide Sinuskurven liegen symmetrisch zur Zeitachse, was darauf hinweist, dass die konstante Komponente des Signals Null ist. Was passiert, wenn Sie dem Eingangssignal eine kleine Gleichstromkomponente hinzufügen? Mit dem virtuellen Generator können Sie die Sinuswelle entlang der Y-Achse verschieben. Versuchen wir, sie um 500 mV nach oben zu verschieben.

Abbildung 5.

Was dabei herauskam, ist in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6.

Auffällig ist, dass die Eingangs- und Ausgangssinuskurven um ein halbes Volt anstiegen, ohne sich überhaupt zu ändern. Dies zeigt an, dass der Repeater die Gleichstromkomponente des Signals korrekt übertragen hat. Meistens wird jedoch versucht, diese konstante Komponente zu entfernen und sie auf Null zu setzen, wodurch die Verwendung von Schaltungselementen wie Zwischenstufen-Entkopplungskondensatoren vermieden wird.

Der Repeater ist natürlich gut und sogar schön: Es wurde kein einziges zusätzliches Teil benötigt (obwohl es Repeater-Schaltungen mit geringfügigen „Zusätzen“ gibt), aber sie haben keinen Gewinn erhalten. Was ist das denn für ein Verstärker? Um einen Verstärker zu erstellen, müssen Sie nur ein paar Details hinzufügen; wie das geht, wird später besprochen.

Invertierender Verstärker

Um aus einem Operationsverstärker einen invertierenden Verstärker zu machen, reicht es aus, nur zwei Widerstände hinzuzufügen. Was dabei herauskam, ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7. Invertierende Verstärkerschaltung

Die Verstärkung eines solchen Verstärkers wird mit der Formel K=-(R2/R1) berechnet. Das Minuszeichen bedeutet nicht, dass der Verstärker defekt war, sondern nur, dass das Ausgangssignal eine entgegengesetzte Phase zum Eingangssignal hat. Nicht umsonst wird der Verstärker als invertierender Verstärker bezeichnet. Hier wäre es angebracht, sich an den Transistor zu erinnern, der gemäß der Schaltung mit dem OE verbunden ist. Auch dort ist das Ausgangssignal am Kollektor des Transistors phasenverschoben zu dem an der Basis anliegenden Eingangssignal.

An dieser Stelle sollten Sie bedenken, wie viel Aufwand Sie betreiben müssen, um am Kollektor des Transistors eine saubere, unverzerrte Sinuswelle zu erhalten. Es ist notwendig, die Vorspannung an der Basis des Transistors entsprechend zu wählen. Dies ist meist recht kompliziert und hängt von vielen Parametern ab.

Bei Verwendung eines Operationsverstärkers reicht es aus, einfach den Widerstandswert der Widerstände gemäß der Formel zu berechnen und die angegebene Verstärkung zu erhalten. Es stellt sich heraus, dass der Aufbau einer Schaltung mit einem Operationsverstärker viel einfacher ist als der Aufbau mehrerer Transistorstufen. Daher besteht kein Grund zur Angst, dass das Schema nicht funktioniert, es wird nicht funktionieren.

Abbildung 8.

Hier ist alles gleich wie in den vorherigen Abbildungen: Das Eingangssignal ist blau dargestellt, das Signal nach dem Verstärker rot. Alles entspricht der Formel K=-(R2/R1). Das Ausgangssignal ist gegenüber dem Eingang phasenverschoben (was dem Minuszeichen in der Formel entspricht) und die Amplitude des Ausgangssignals ist genau doppelt so groß wie die des Eingangssignals. Das gilt auch für das Verhältnis (R2/R1)=(20/10)=2. Um die Verstärkung beispielsweise auf 10 zu erhöhen, reicht es aus, den Widerstandswert des Widerstands R2 auf 100 KOhm zu erhöhen.

Tatsächlich kann die invertierende Verstärkerschaltung etwas komplizierter sein; diese Option ist in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 9.

Hier ist ein neues Teil aufgetaucht - Widerstand R3 (eher ist er einfach aus der vorherigen Schaltung verschwunden). Sein Zweck besteht darin, die Eingangsströme eines echten Operationsverstärkers zu kompensieren, um die Temperaturinstabilität der Gleichstromkomponente am Ausgang zu verringern. Der Wert dieses Widerstands wird gemäß der Formel R3=R1*R2/(R1+R2) gewählt.

Moderne hochstabile Operationsverstärker ermöglichen den direkten Anschluss des nichtinvertierenden Eingangs an die gemeinsame Leitung ohne Widerstand R3. Obwohl das Vorhandensein dieses Elements nichts Schlimmes bewirken wird, ziehen sie es im aktuellen Produktionsmaßstab vor, diesen Widerstand nicht zu installieren, wenn sie an allem sparen.

Formeln zur Berechnung des invertierenden Verstärkers sind in Abbildung 10 dargestellt. Warum in der Abbildung? Ja, nur der Klarheit halber würden sie in einer Textzeile nicht so vertraut und verständlich aussehen, sie wären nicht so auffällig.

Abbildung 10.

Der Verstärkungsfaktor wurde bereits erwähnt. Das Einzige, was hier Aufmerksamkeit verdient, sind die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen des nichtinvertierenden Verstärkers. Beim Eingangswiderstand scheint alles klar zu sein: Er entspricht dem Widerstandswert des Widerstands R1, der Ausgangswiderstand muss jedoch anhand der in Abbildung 11 gezeigten Formel berechnet werden.

Der Buchstabe „K“ bezeichnet den Referenzkoeffizienten des Operationsverstärkers. Berechnen Sie hier bitte, wie hoch der Ausgangswiderstand sein wird. Das Ergebnis wird ein ziemlich kleiner Wert sein, selbst für einen durchschnittlichen Operationsverstärker vom Typ UD7, dessen K nicht mehr als 30.000 beträgt. In diesem Fall ist das gut: Denn je niedriger die Ausgangsimpedanz der Kaskade (dieser Gilt nicht nur für Operationsverstärkerkaskaden. Je leistungsfähiger die Last ist, in angemessener Weise, natürlich in Grenzen, können Sie an diese Kaskade anschließen.

Besonders zu beachten ist die Einheit im Nenner der Formel zur Berechnung des Ausgangswiderstandes. Nehmen wir an, dass das Verhältnis R2/R1 beispielsweise 100 beträgt. Dies ist genau das Verhältnis, das man im Fall einer invertierenden Verstärkerverstärkung von 100 erhält. Es stellt sich heraus, dass sich nicht viel ändert, wenn man diese Einheit wegwirft . Eigentlich stimmt das nicht.

Nehmen wir an, dass der Widerstandswert des Widerstands R2 Null ist, wie im Fall eines Repeaters. Ohne Eins wird dann der gesamte Nenner zu Null und der Ausgangswiderstand ist ebenfalls Null. Und wenn diese Null später irgendwo im Nenner der Formel landet, wie ordnet man dann die Division durch sie an? Daher ist es einfach unmöglich, diese scheinbar unbedeutende Einheit loszuwerden.

Man kann nicht alles in einem Artikel schreiben, auch nicht in einem ziemlich großen. Daher muss alles behandelt werden, was nicht in den nächsten Artikel gepasst hat. Es wird eine Beschreibung eines nichtinvertierenden Verstärkers, eines Differenzverstärkers und eines Einzelversorgungsverstärkers gegeben. Außerdem wird eine Beschreibung einfacher Schaltungen zum Testen von Operationsverstärkern gegeben.

Bisher haben wir Verstärker betrachtet, die aus einzelnen diskreten Komponenten zusammengesetzt sind – Transistoren, Dioden, Widerstände. Mithilfe der integrierten Schaltkreistechnologie können alle diese erforderlichen diskreten Komponenten in einem einzigen monolithischen IC zusammengefasst werden. Diese Technologie wird derzeit zur Herstellung von Operationsverstärkern (Op-Amps) verwendet. Sie wurden ursprünglich für die Durchführung bestimmter mathematischer Operationen entwickelt (daher der Name), fanden aber schnell Verwendung in einer Vielzahl elektronischer Schaltkreise.

Ein idealer Operationsverstärker ist ein idealer Verstärker mit unendlich hoher Verstärkung, unendlich großer Bandbreite und einem völlig flachen Frequenzgang, unendlicher Eingangsimpedanz, null Ausgangsimpedanz und keiner Nulldrift. In der Praxis hat ein Operationsverstärker folgende Eigenschaften:

1) sehr hoher Gewinn (über 50000);

2) sehr große Bandbreite und flacher Frequenzgang;

3) sehr hohe Eingangsimpedanz;

4) sehr niedrige Ausgangsimpedanz;

5) sehr schwache Nulldrift.

Reis. 31.1.

In Abb. Abbildung 31.1 zeigt das Symbol für einen Operationsverstärker. Der Operationsverstärker verfügt über zwei Eingänge: einen invertierenden Eingang (-), dessen Signal phasenverschoben zum Ausgangssignal ist, und einen nicht invertierenden Eingang (+), dessen Signal phasengleich zum Ausgangssignal ist.

Anwendungen

Das Anwendungsspektrum von Operationsverstärkern ist äußerst breit gefächert. Es kann als invertierender, nichtinvertierender, summierender und verwendet werden Differenzverstärker wie Spannungsfolger, Integrator und Komparator. Die an den Operationsverstärker angeschlossenen externen Komponenten bestimmen seine spezifische Anwendung. Einige dieser Anwendungen werden im Folgenden besprochen.

In Abb. Abbildung 31.2 zeigt die Verwendung eines Operationsverstärkers als invertierenden Verstärker. Da der Operationsverstärker eine sehr große (nahezu unendliche) Verstärkung hat, wird das Signal an seinem Ausgang mit einem sehr kleinen Eingangssignal erzeugt. Dies bedeutet, dass der invertierende Eingang des Operationsverstärkers (Punkt P) als virtuelle (imaginäre) Masse betrachtet werden kann, d. h. als ein Punkt mit nahezu Nullpotential. Um die Operationsverstärkerverstärkung auf dem erforderlichen Niveau zu erreichen, wird über einen Rückkopplungswiderstand eine sehr tiefe negative Kopplung eingeführt R ok. Mit der Formel lässt sich die Verstärkung des invertierenden Verstärkers (Abb. 31.2) berechnen

Ein negatives Vorzeichen zeigt an, dass das Eingangssignal bei der Verstärkung invertiert wird.

Reis. 31.2.

Beispiel

Glauben R 1 = 1 kOhm und R ok = 2,2 kOhm, berechnen Sie die Verstärkung und Ausgangsspannung des invertierenden Verstärkers, wenn an seinem Eingang eine Spannung von 50 mV anliegt.

Lösung

Gewinnen

Ausgangsspannung = -2,2 50 mV = -110 mV.

Der Summierverstärker (Abb. 31.3) erzeugt eine Ausgangsspannung, deren Wert proportional zur Summe der Eingangsspannungen ist V 1 und V 2 . Für Eingangsspannung V 1 Gewinn G V= - R ok / R 1 und für die Eingangsspannung V 2 G V= - R ok / R 1 .

Zum Beispiel, wenn R oc = R 1 = R 2, dann beträgt die Verstärkung für beide Eingänge -5 kOhm / 5 k0m = -1. Lassen V 1 = 1 V und V 2 = 2 V, dann ist der Beitrag zur Ausgangsspannung damit verbunden V 1 ist 1 (-1) = -1 V und der damit verbundene Beitrag V 2 beträgt 2 (-1) = -2 V. Daher beträgt die Gesamtausgangsspannung V aus = -1 - 2 = -3 V.

Beispiel 1

Zu den Eingängen des in Abb. gezeigten Summier-Operationsverstärkers. 31.4, Spannung liegt anV 1 = 20 mV und V 2 = -10 mV. Ausgangsspannung berechnenV aus .

Reis. 31.3.

Reis. 31.4.

Lösung

Ausgangsspannung für V 1 = -5/1 · 20 = -100 mV.

Ausgangsspannung fürV 2 = -5/5 · (-10) = +10mV.

Daher die Gesamtausgangsspannung V aus = -100 + 10 = -90 mV.

In diesem Fall wird der Operationsverstärker durch 100 % Gegenkopplung betrieben (Abbildung 31.5) und hat eine Nettoverstärkung von 1. Beachten Sie, dass die Ausgangs- und Eingangssignale des Spannungsfolgers phasengleich sind.

Offset-Spannung

Bei einem Eingangssignal von Null ist das Ausgangssignal eines idealen Operationsverstärkers Null. In der Praxis ist dies nicht der Fall: Am Ausgang des Operationsverstärkers liegt auch bei einem Eingangssignal von Null ein Signal ungleich Null (Strom oder Spannung) an. Um ein Null-Ausgangssignal mit einem Null-Eingangssignal zu erreichen, wird ein Eingangsvorspannungsstrom oder eine Vorspannungsspannung mit einer solchen Größe und Polarität an den Eingang des Operationsverstärkers angelegt, dass das Ausgangssignal, das dem Eingangsvorspannungssignal entspricht, das ursprüngliche störende Ausgangssignal aufhebt .

Der Eingangsruhestrom wird normalerweise über einen zusätzlichen Widerstand eingestellt R 2, verbunden mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers, wie in Abb. 31.6.

Reis. 31.5. Spannungsverstärker. Reis. 31.6

Der optimale Widerstandswert dieses Widerstands wird durch die Formel bestimmt

Wenn die Verstärkung größer als vier ist, betragen die Widerstandswerte normalerweise R 2 und R 1 sind gleich gewählt. Einführung in den Widerstand R 2 ändert die Verstärkung des invertierenden Verstärkers nicht, sie bleibt dennoch gleich - R ok / R 1 . Wie wir später sehen werden, verfügen einige ICs über Pins, um den Ausgang des Operationsverstärkers auf Nullspannung zu setzen.

Nichtinvertierender Verstärker

In diesem Fall wird das Eingangssignal an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers angelegt, wie in Abb. 31.7.

Ich erinnere mich oft an meine erste Bekanntschaft mit einem Operationsverstärker (Op-Amp). Ich wusste immer, dass mir diese geheimnisvollen Dreiecke in den Diagrammen ein Leben lang nützlich sein würden. Lange schlaflose Nächte mit dem Studium ihres Funktionsprinzips führten jedoch zu nichts. Es gibt viele Artikel zu diesem Thema, aber mir scheint, dass die Grundlagen nicht offensichtlich sind. Ich werde versuchen, die Sache aus einer etwas anderen Richtung anzugehen und die schrecklichen Geheimnisse der OU zu lüften.

Versuchen wir herauszufinden, welche „Operationen“ unser Operationsverstärker verstärkt.

Problem: Es gibt eine Signalquelle, zum Beispiel ein Signal von einem Mikrofon oder Gitarren-Tonabnehmer. Wenn das Mikrofon direkt an den Kopfhörer angeschlossen ist, hören Sie höchstwahrscheinlich nichts, bestenfalls einen kaum wahrnehmbaren Ton.

Stellen wir uns anstelle eines Mikrofons eine Person vor, die versucht, eine schwere Platte anzuheben; natürlich ist sie dazu nicht in der Lage, und das Mikrofon ist auch nicht in der Lage, den Lautsprecher zu schwingen. Wenn diese Person jedoch ein wenig Kraft aufwendet, um den Kran zu bedienen, kann sie jede Last heben, die innerhalb der Tragfähigkeit des Krans liegt. Diese. Der Wasserhahn ist in diesem Fall ein Verstärker. Das Analogon zur Tragfähigkeit des Krans ist die Leistung des Verstärkers. Die Bedeutung des Gewinns sollte aus dem Bild klar hervorgehen. Die Frequenz und Form des Signals bleiben gleich, nur die Amplitude ändert sich.

Jetzt wissen wir, dass man einen Verstärker braucht, um den Ton aus Lautsprechern zu hören. Obwohl wir nicht wissen, wie es funktioniert und was sich darin befindet, wissen wir bereits, dass es Zweige geben muss, denen das Signal Uin zugeführt wird, das wir verstärken möchten, sowie Zweige, von denen das verstärkte Signal Uout entfernt wird.

Die Frage ist, auf welche Spannung kann das Signal verstärkt werden? Sie sagen: „Ich möchte 220 V auf 1.000.000 V verstärken“, aber das ist nicht möglich, warum? Denn das Originalsignal wird durch eine externe Quelle verstärkt. Die externe Quelle ist die Versorgungsspannung des Operationsverstärkers. Ebenso kann ein Kran eine Last nicht über seine Höhe heben (wir sind uns einig, dass dies nicht möglich ist :)). Daher darf die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers die Versorgungsspannung nicht überschreiten. In Wirklichkeit liegt sie sogar geringfügig unter der Versorgungsspannung. Beispielsweise liegt die Versorgungsspannung für LM324 zwischen 3 und 32 V.

Jetzt wissen wir, dass der Operationsverstärker externe Stromversorgung benötigt. Zeichnen wir diese Beine

Wir sind übrigens daran gewöhnt, dass unsere Stromversorgung unipolar +5V und Masse ist. Hier ist ein subtiler Punkt: Wenn Sie ein Signal mit negativen Werten verstärken müssen,

Dann ist es notwendig, eine negative Spannungsquelle an -Upit anzuschließen und nicht die Erde. Wenn Sie die Masse anschließen, stellt sich heraus, dass keine Spannungsquelle vorhanden ist und der „untere“ (negative) Teil des Signals nicht verstärkt wird, d. h. Ein Teil des Signals wird „abgeschnitten“, mehr dazu im Beispiel.

Wenn Sie das Signal stärker als die Versorgungsspannung verstärken, wird das Signal an den Stellen, an denen das Signal die Versorgungsspannung überschreitet, „abgeschnitten“, d. h. Anstelle einer Sinuswelle werden wir so etwas sehen

Die Hauptfrage bleibt: Wie stellt man die Verstärkung ein? Ganz einfach - ein Spannungsteiler. Kommen wir aber zunächst zu realeren Notationen. Jeder Operationsverstärker hat mindestens 5 Beine – 2 Netzteile, die oben erwähnt wurden, einen invertierten Eingang (-), einen nicht invertierten Eingang (+) und einen Ausgang.

Je nachdem, welchem ​​Eingang das Quellsignal zugeführt wird, werden daher zwei Anschlussarten unterschieden: nichtinvertierender Verstärker

Die Verstärkung beträgt K=(R4/R3)+1. In diesem Fall ist K=4. In diesem Fall ändert sich die Form des Ausgangssignals nicht.

Und invertierend, mit Verstärkung K=-(R2/R1). Für dieses Schema ist K=3. Das Ausgangssignal ist gegenüber dem Eingang phasenverschoben.

Lassen Sie uns den Worten Taten folgen lassen. Als Quellsignal wurde ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von 1 kHz verwendet. Das Signal hat sowohl positive als auch negative Werte (Mitte von Bildschirm 0). Signalamplitude 50 mV.

Ich schließe den Operationsverstärker (L324) über eine nichtinvertierende Verstärkerschaltung an. Die Stromversorgung ist unipolar. Der Ausgang des Operationsverstärkers ist ein Signal mit der gleichen Form, jedoch mit einer größeren Amplitude. Es ist wahrscheinlich nicht ganz klar, warum das Signal eine solche Amplitude hat und warum es sich nach oben verschoben hat.

Versuchen wir es herauszufinden. Die Amplitude des Originalsignals beträgt 50 mV, R4=30k, R3=10k, setzen wir 50*(30/10+1)=200mV in die Formel ein, sehr ähnlich zu dem, was man auf einem Oszilloskop sieht. Warum hat sich das Signal nach oben verschoben? Wir erinnern uns an den Nachteil der unipolaren Stromversorgung: Alles unter 0 kann nicht verstärkt werden, daher wird das Signal bei 0 abgeschnitten.

Stellen Sie sich nun vor, dass sich die Signalamplitude verdoppeln würde, wenn eine negative Spannungsquelle an den Stromanschluss angeschlossen wäre, sagen wir -5V!!! Folglich würde sich auch die Lautstärke deutlich erhöhen.

Eigentlich ist dies ein kleines Vorwort, bevor wir mit dem Studium des Operationsverstärkers beginnen. Alles, was oben gesagt wurde, ist nur ein Tropfen auf den heißen Stein. Wenn es Ihnen gefallen hat, schreiben Sie, wir werden nach und nach andere Anwendungen des Operationsverstärkers beherrschen, inkl. und praktische Pläne.

In diesem Artikel werden wir über den Operationsverstärker sprechen. Beispiel für Bedienung und Verwendung.

Operationsverstärker– eine elektronische Verstärkerschaltung auf Halbleiterbasis in integrierter Bauweise mit zwei symmetrischen Eingängen – direkt und invers – mit hoher Verstärkung. Integriertes Design bedeutet ein vollständiges Verstärkerdesign, das in einem einzigen integrierten Schaltkreis (IC) untergebracht ist. Der Einsatz von Operationsverstärkern (OA) ist sehr vielfältig – in Verstärkern verschiedener Signale, in Signalgeneratoren, in Frequenzfiltern im Audiobereich, in Schaltkreisen zur Überwachung physikalischer Größen (Temperatur, Beleuchtung, Luftfeuchtigkeit, Wind) usw.

Der Vorwärtseingang des Operationsverstärkers wird durch ein „+“-Zeichen und der inverse Eingang durch ein „-“-Zeichen angezeigt. Sie sollten wissen, dass es in diverser Literatur eine andere Bezeichnung gibt: Der inverse Eingang wird durch einen Kreis gekennzeichnet. Dies ist eine typische Bezeichnung des Umkehrzeichens, das auch in der digitalen Elektronik zu finden ist – Logikelemente. Bei der Direkteingabe gibt es keinen Kreis in der Bezeichnung.

Apothekenwaagen können nicht anzeigen, um wie viel sich das Gewicht der Ladung einer Schüssel vom Gewicht der Ladung einer anderen Schüssel unterscheidet. Um den Belastungsunterschied grob zu beobachten, werden bei technisch-chemischen Waagen manchmal spezielle Lotlinien in Kombination mit einem Pfeil verwendet, die gleichzeitig die „Empfindlichkeit“ der Waage gegenüber kleinen Belastungen verringern. In ähnlicher Weise wird in den Operationsverstärker eine negative Rückkopplung eingeführt, um seine Empfindlichkeit gegenüber dem Eingangssignal zu verringern – ein Rückkopplungswiderstand, der den Ausgang mit dem inversen Eingang des Operationsverstärkers verbindet, wie in der Abbildung oben gezeigt.

Beispiel für Verwendung und Betrieb eines Operationsverstärkers

Betrachten wir den Betrieb eines Operationsverstärkers am Beispiel eines Schaltkreises, der die Temperatur von Luft oder einem anderen Objekt regelt, an dem ein Thermistor angebracht ist – ein temperaturempfindliches Funkelement, das seinen Widerstand verringert, wenn die Temperatur steigt. In der Abbildung ist eine Operationsverstärkerschaltung dargestellt, die die Temperatur misst und signalisiert, wenn ein bestimmter Temperaturschwellenwert überschritten wird.

Die Eingänge des Operationsverstärkers sind mit zwei ohmschen Versorgungsspannungsteilern verbunden, von denen nur einer aus linearen Elementen – Widerständen – besteht und der zweite ein nichtlineares Element enthält, das seinen Widerstand abhängig von der Temperatur ändert. Was ein Spannungsteiler ist, erfahren Sie im Artikel Spannungsteiler. Diese vier Widerstände übernehmen konstruktionsbedingt die Funktion einer Messbrücke.

Wenn die Temperatur „normal“ ist, ist die Spannung am Mittelpunkt „A“ des Teilers R1 und R2 (inverser Operationsverstärkereingang) größer als am Mittelpunkt „B“ des Teilers R3 und R4 (direkter Operationsverstärkereingang). ), daher ist der Ausgang des Operationsverstärkers ein Signal mit niedrigem Pegel – die Spannung ist minimal, der Transistor ist geschlossen und die VL1-Leuchte leuchtet nicht.

Wenn die Temperatur steigt, nimmt der Widerstandswert des Widerstands R2 ab, daher sinkt auch die Spannung am Mittelpunkt „A“ des Teilers R1 und R2. Wenn mit zunehmender Temperatur der Widerstand des Thermistors auf einen Wert abfällt, bei dem die Spannung am Mittelpunkt „A“ des Teilers R1 und R2 (inverser Eingang des Operationsverstärkers) niedriger wird als am Mittelpunkt „B“. der Teiler R3 und R4 (direkter Eingang des Operationsverstärkers), dann erscheint am Ausgang des Operationsverstärkers ein High-Pegel-Signal – die Spannung erreicht ihr Maximum, der Transistor öffnet und das Licht leuchtet auf.

Der in der Abbildung dargestellte Temperaturregelkreis ist ein echter Arbeitskreis und funktioniert bei korrekter Montage sofort. Die Ansprechtemperaturschwelle wird über den Widerstand R4 eingestellt. Die Stromversorgung kann entweder über Batterien oder über Gleichrichter erfolgen. Der Versorgungsspannungsbereich kann zwischen 6 und 30 Volt liegen.

Wenn der Thermistor R2 auf einer beliebigen Oberfläche montiert wird, beispielsweise einem Kühler zum Kühlen eines leistungsstarken Transistors, und anstelle einer Glühbirne ein gewöhnlicher Computerlüfter (Kühler) mit einer Spannung von 12 Volt verwendet wird, kann die Schaltung als verwendet werden ein automatisches Kühlgerät für etwas, zum Beispiel einen leistungsstarken Transistor. Der Lüfter startet, wenn eine bestimmte Temperatur erreicht ist, und stoppt, nachdem das „Steuerobjekt“ abgekühlt ist.

Um die Empfindlichkeit des Operationsverstärkers zu verringern, wird wie bei speziellen Lotleitungen in Pharmawaagen eine negative Rückkopplung (NFB) verwendet, die an einem Widerstand durchgeführt wird (im Diagramm ist es R5). Ein Widerstand verbindet den Verstärkerausgang mit dem inversen Eingang. Wenn die Ausgangsspannung des Verstärkers ansteigt, wird die Ausgangsspannung über einen Widerstand an den negativen Eingang des Verstärkers geleitet, wodurch dieser die Ausgangsspannung verringert. Je niedriger der Widerstandswert des Gegenkopplungswiderstands ist, desto höher ist die Rückkopplung und desto schlechter ist daher die Verstärkung des Operationsverstärkers. Der Wert des Rückkopplungswiderstands R5 für den im Diagramm vorgeschlagenen Mikroschaltungstyp kann zwischen 10 Kiloohm und 1,5 Megaohm liegen. Durch eine negative Rückkopplung wird die Kurve der Ausgangsspannung gegenüber der Eingangsspannung flacher. Diese Abhängigkeit ist im linken Diagramm dargestellt.

Wenn ein Operationsverstärker zur Steuerung von Relais eines Automatisierungssystems oder anderer Geräte verwendet wird, die häufige Spannungsschwankungen „nicht tolerieren“, kann zur Vermeidung häufigen Schaltens oder „Prellens“ von Kontakten nicht eine negative, sondern eine positive Rückkopplung (POS) verwendet werden verwendet werden. In diesem Fall verbindet der Rückkopplungswiderstand den Verstärkerausgang nicht mit dem inversen Eingang, sondern mit dem direkten. Wenn dann die Spannung am Ausgang des Verstärkers ansteigt, wird die Ausgangsspannung über einen Widerstand an den positiven Eingang des Verstärkers übertragen, wodurch dieser die Ausgangsspannung noch schneller erhöht. Bei dieser Verbindung erfolgt sowohl das „Einschalten“ als auch das „Ausschalten“ des Operationsverstärkers mit einer größeren Spannungsdifferenz an den Eingangsspannungsteilern – Unsymmetrie der Messbrücke – als bei Gegenkopplung. Das Schaltmuster des Verstärkers wird „schärfer“ – er hat eine steilere Front beim „Einschalten“ und einen steileren Abfall beim „Ausschalten“. Je niedriger der Widerstandswert des positiven Rückkopplungswiderstands ist, desto höher ist die Rückkopplung und desto größer ist daher die Verstärkung des Operationsverstärkers. Beachten Sie jedoch, dass eine übermäßige positive Rückkopplung zu einer Verzerrung des Ausgangssignals und einer Selbsterregung des Operationsverstärkers führt.

Bei positiver Rückkopplung (POF) tritt ein Nebeneffekt auf – eine „Hystereseschleife“, bei der sich der Verstärker im Vergleich zu einem Verstärker mit negativer Rückkopplung bei einer größeren Differenz der Eingangsspannungen einschaltet und bei einer deutlich kleineren Differenz ausschaltet. Je stärker der POS, desto rechteckiger ist die Hystereseschleife (rechtes Diagramm in der Abbildung). Das Vorhandensein einer starken positiven Rückkopplung verwandelt die Schaltung in einen Schmitt-Trigger. Daher ermöglicht diese Art der Rückmeldung eine erhebliche Temperaturspreizung in einem automatischen Temperaturkontrollsystem und ist beispielsweise nicht für einen Inkubator geeignet, wo eine große Temperaturspreizung nicht zulässig ist.

Operationsverstärker können, wie oben dargestellt, über ein einzelnes Netzteil betrieben werden, im Allgemeinen sind sie jedoch für den Betrieb mit einem doppelten Netzteil ausgelegt. Eine bipolare Stromversorgung ist in solchen Schaltkreisen erforderlich, in denen der Operationsverstärker sowohl positive als auch negative Spannungen misst oder die gemessenen Spannungen mit „Null“ vergleichbar sind, beispielsweise in Verstärkerschaltungen für harmonische Signale. Bei bipolarer Stromversorgung kann die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers je nach Eingangssignal von „-“ Stromversorgung bis „+“ Stromversorgung variieren.

Bei bestimmten Arten von Operationsverstärkern mit bipolarer Stromversorgung ist es möglich, den „Nullabgleich“ einzustellen – einen Zustand, in dem bei fehlendem Eingangssignal an beiden Eingängen die Ausgangsspannung weder positiv noch negativ, sondern gleich Null ist . Zu diesem Zweck gibt es spezielle Pins der Operationsverstärker-Mikroschaltungen, an denen ein Trimmwiderstand angeschlossen ist, um den Nullabgleich zu regulieren.

Alle Operationsverstärker, die im Modus der Verstärkung harmonischer Signale zur Beseitigung nichtlinearer Verzerrungen arbeiten, können an zusätzliche Elemente angeschlossen werden – Filter, die normalerweise aus Kondensatoren und Widerständen bestehen. Jeder Operationsverstärkertyp verfügt über eine eigene Filterschaltung. In der Regel wird es in Nachschlagewerken angegeben.

Wir entwickeln jetzt speziell für Sie Werkstatt für Operationsverstärker damit jeder den Umgang mit diesem nützlichen Mikroschaltungstyp üben kann.

Ein Operationsverstärker (Op-Amp) wird üblicherweise als integrierter Gleichstromverstärker mit Differenzeingang und Gegentaktausgang bezeichnet, der für den Betrieb mit Rückkopplungsschaltungen ausgelegt ist. Der Name des Verstärkers ist auf seinen ursprünglichen Anwendungsbereich zurückzuführen – die Durchführung verschiedener Operationen an analogen Signalen (Addition, Subtraktion, Integration usw.). Derzeit dienen Operationsverstärker als multifunktionale Einheiten bei der Implementierung einer Vielzahl elektronischer Geräte für unterschiedliche Zwecke. Sie werden zur Verstärkung, Begrenzung, Multiplikation, Frequenzfilterung, Erzeugung, Stabilisierung usw. verwendet. Signale in kontinuierlichen und gepulsten Geräten.

Es ist zu beachten, dass sich moderne monolithische Operationsverstärker in Größe und Preis geringfügig von einzelnen diskreten Elementen, beispielsweise Transistoren, unterscheiden. Daher ist die Implementierung verschiedener Geräte auf einem Operationsverstärker oft viel einfacher als auf diskreten Elementen oder auf Verstärker-ICs.

Ein idealer Operationsverstärker hat eine unendlich große Spannungsverstärkung ( K und Operationsverstärker=∞), unendlich große Eingangsimpedanz, unendlich kleine Ausgangsimpedanz, unendlich großes CMRR und unendlich breites Betriebsfrequenzband. In der Praxis lassen sich diese Eigenschaften naturgemäß nicht vollständig realisieren, sind aber für viele Bereiche in ausreichendem Maße annäherbar.

Abbildung 6.1 zeigt zwei Versionen von Operationsverstärkersymbolen – vereinfacht (a) und mit zusätzlichen Anschlüssen zum Anschluss von Stromkreisen und Frequenzkorrekturkreisen (b).

Abbildung 6.1. Betriebssystemsymbole

Basierend auf den Anforderungen an die Eigenschaften eines idealen Operationsverstärkers ist es möglich, seine interne Struktur zu synthetisieren, dargestellt in Abbildung 6.2.

Abbildung 6.2. Blockschaltbild des Operationsverstärkers

Eine vereinfachte elektrische Schaltung eines einfachen Operationsverstärkers, die das Blockdiagramm von Abbildung 6.2 implementiert, ist in Abbildung 6.3 dargestellt.

Abbildung 6.3. Einfache Operationsverstärkerschaltung

Diese Schaltung enthält eine Eingangsfernsteuerung (VT 1 und VT 2) mit einem Stromspiegel (VT 3 und VT 4), Zwischenstufen mit OK (VT 5) und mit OE (VT 6) sowie einen Ausgangsstromverstärker an Transistoren VT 7 und VT 8 . Der Operationsverstärker kann Frequenzkorrekturschaltungen (Ccor), Stromversorgungs- und Wärmestabilisierungsschaltungen (VD 1, VD 2 usw.), IST usw. enthalten. Die bipolare Stromversorgung ermöglicht eine galvanische Kommunikation zwischen den Stufen des Operationsverstärkers und Nullpotentiale an seinen Ein- und Ausgängen, wenn kein Signal anliegt. Um eine hohe Eingangsimpedanz zu erreichen, kann die Eingangsfernsteuerung über Gleichstrom erfolgen. Es ist zu beachten, dass es eine große Vielfalt an Operationsverstärker-Schaltungslösungen gibt, die Grundprinzipien ihres Aufbaus sind jedoch in Abbildung 6.3 recht ausführlich dargestellt.

6.2. Hauptparameter und Eigenschaften des Operationsverstärkers

Der Hauptparameter des Operationsverstärkers ist die Spannungsverstärkung ohne Rückkopplung K u Operationsverstärker, auch Gesamtspannungsverstärkung genannt. Im Bass- und Mitteltonbereich wird es manchmal auch bezeichnet K u Operationsverstärker 0 und kann mehrere Zehntausend und Hunderttausende erreichen.

Wichtige Parameter des Operationsverstärkers sind seine Genauigkeitsparameter, die durch die Eingangsdifferenzstufe bestimmt werden. Da in Unterabschnitt 5.5 die Genauigkeitsparameter der Fernbedienung berücksichtigt wurden, beschränken wir uns hier auf deren Auflistung:

◆ Null-Offset-Spannung U cm;

◆ Temperaturempfindlichkeit der Null-Offset-Spannung dU cm/dT;

◆ Vorstrom Δ Ich gebe ein;

◆ durchschnittlicher Eingangsstrom Ich gebe Mi ein.

Die Eingangs- und Ausgangsschaltungen des Operationsverstärkers werden durch den Eingang dargestellt R-Eingang und Wochenenden R aus dem Operationsverstärker Widerstände für Operationsverstärker ohne OOS-Schaltkreise. Für die Ausgangsschaltung sind auch Parameter wie der maximale Ausgangsstrom angegeben Ich gebe OU aus und minimalem Belastungswiderstand R N minimale und manchmal die maximale Tragfähigkeit. Der Eingangskreis des Operationsverstärkers kann eine Kapazität zwischen den Eingängen und dem gemeinsamen Bus umfassen. Vereinfachte Ersatzschaltbilder der Eingangs- und Ausgangsschaltkreise des Operationsverstärkers sind in Abbildung 6.4 dargestellt.

Abbildung 6.4. Ein einfaches lineares Makromodell eines Operationsverstärkers

Unter den Parametern des Operationsverstärkers sind der CMRR und der Dämpfungskoeffizient des Einflusses der Instabilität der Stromquelle KOVNP=20lg·(Δ) zu erwähnen E/Δ Du bist dabei). Beide Parameter liegen bei modernen Operationsverstärkern im Bereich von (60...120) dB.

Zu den Energieparametern des Operationsverstärkers gehören die Spannung der Netzteile ±E, der Stromverbrauch (Ruhezustand) Ich P und Stromverbrauch. Allgemein, Ich P beträgt Zehntel bis Dutzende Milliampere und der Stromverbrauch ist eindeutig bestimmt Ich P, Einheiten - Dutzende Milliwatt.

Zu den maximal zulässigen Parametern des Operationsverstärkers gehören:

◆ maximal mögliche (unverzerrte) Ausgangssignalspannung Du bist raus max (normalerweise etwas weniger als E);

◆ maximal zulässige Verlustleistung;

◆ Betriebstemperaturbereich;

◆ maximale Versorgungsspannung;

◆ maximale Eingangsdifferenzspannung usw.

Zu den Frequenzparametern gehören die absolute Grenzfrequenz oder die Einheitsverstärkungsfrequenz f T (F 1), d.h. Häufigkeit, mit der K u Operationsverstärker=1. Manchmal wird das Konzept der Anstiegsgeschwindigkeit und Einschwingzeit der Ausgangsspannung verwendet, die durch die Reaktion des Operationsverstärkers auf die Auswirkung eines Spannungsstoßes an seinem Eingang bestimmt wird. Für einige Operationsverstärker sind zusätzlich Parameter vorgesehen, die ihren spezifischen Einsatzbereich widerspiegeln.

Die Amplituden-(Übertragungs-)Eigenschaften des Operationsverstärkers sind in Abbildung 6.5 in Form von zwei Abhängigkeiten dargestellt Du bist raus=F(Du bist dabei) für invertierende und nicht invertierende Eingänge.

Wenn an beiden Eingängen des Operationsverstärkers Du bist dabei=0, dann liegt am Ausgang eine Fehlerspannung an U osh, bestimmt durch die Präzisionsparameter des Operationsverstärkers (in Abbildung 6.5). U osh(aufgrund der geringen Größe nicht abgebildet).

Abbildung 6.5. AH OU

Die Frequenzeigenschaften eines Operationsverstärkers werden durch seinen Frequenzgang im logarithmischen Maßstab dargestellt. K u Operationsverstärker=φ(log F). Dieser Frequenzgang wird logarithmisch (LAFC) genannt, seine typische Form ist in Abbildung 6.6 dargestellt (für den Operationsverstärker K140UD10).

Abbildung 6.6. LFC und LFCH OU K140UD10

Frequenzabhängigkeit K u Operationsverstärker kann dargestellt werden als:

Hier τ V Zeitkonstante des Operationsverstärkers, die bei Mindest=3 dB bestimmt die Kopplungsfrequenz (Grenzfrequenz) des Operationsverstärkers (siehe Abbildung 6.6);

ω V= 1/τ V= 2π f in.

Ersetzen im Ausdruck für K u Operationsverstärker τ V um 1/ω V, erhalten wir den Eintrag LACHH:

Im Bass- und Mitteltonbereich K u Operationsverstärker=20lg K u Operationsverstärker 0, d.h. Der LFC ist eine Gerade parallel zur Frequenzachse. Mit einiger Näherung können wir davon ausgehen, dass es im HF-Bereich zu einem Rückgang kommt K u Operationsverstärker tritt mit einer Rate von 20 dB pro Dekade (6 dB pro Oktave) auf. Dann gilt für ω>>ω V Sie können den Ausdruck für LAC vereinfachen:

K u Operationsverstärker= 20lg K u Operationsverstärker 0 – 20log(ω/ω V).

Somit wird der LFC im HF-Bereich durch eine Gerade mit einer Steigung zur Frequenzachse von 20 dB/Dez dargestellt. Der Schnittpunkt der betrachteten Geraden, die den LFC darstellen, entspricht der Konjugationsfrequenz ω V (f in). Der Unterschied zwischen dem realen und dem idealen LFC bei der Frequenz f in beträgt etwa 3 dB (siehe Abbildung 6.6). Aus Gründen der Analysefreundlichkeit wird dies jedoch toleriert, und solche Diagramme werden normalerweise aufgerufen Bode-Diagramme .

Es ist zu beachten, dass die LFC-Abklingrate von 20 dB/Dez typisch für korrigierte Operationsverstärker mit externer oder interner Korrektur ist, deren Grundprinzipien im Folgenden erläutert werden.

Abbildung 6.6 zeigt auch den logarithmischen Phasengang (LPFC), der die Abhängigkeit der Phasenverschiebung j des Ausgangssignals relativ zum Eingangssignal von der Frequenz darstellt. Der reale LFFC weicht vom dargestellten um maximal 6° ab. Beachten Sie, dass für einen echten Operationsverstärker j=45° bei der Frequenz ist f in, und bei der Frequenz f T- 90°. Somit kann die intrinsische Phasenverschiebung des Arbeitssignals im korrigierten Operationsverstärker im HF-Bereich 90° erreichen.

Die oben besprochenen Parameter und Eigenschaften des Operationsverstärkers beschreiben ihn ohne OOS-Schaltkreise. Wie bereits erwähnt, werden Operationsverstärker jedoch fast immer mit OOS-Schaltungen verwendet, was alle Indikatoren erheblich beeinflusst.

6.3. Invertierender Verstärker

Operationsverstärker werden am häufigsten in invertierenden und nicht invertierenden Verstärkern verwendet. Ein vereinfachtes Schaltbild eines invertierenden Operationsverstärkers ist in Abbildung 6.7 dargestellt.

Abbildung 6.7. Invertierender Operationsverstärker

Der Widerstand R 1 stellt den Innenwiderstand der Signalquelle dar Z.B, mittels R os wird die OU durch ∥OOSN abgedeckt.

Bei einem idealen Operationsverstärker geht die Spannungsdifferenz an den Eingangsklemmen gegen Null, und da der nichtinvertierende Eingang über den Widerstand R2 mit dem gemeinsamen Bus verbunden ist, liegt das Potenzial an diesem Punkt A muss ebenfalls null sein („virtuelle Null“, „scheinbare Masse“). Als Ergebnis können wir schreiben: ich G=Ich os, d.h. Z.B/R 1 =–Du bist raus/R os. Von hier aus erhalten wir:

K U Inv = Du bist raus/Z.B = –R os/R 1 ,

diese. mit idealem Operationsverstärker K U Inv wird durch das Verhältnis der Werte externer Widerstände bestimmt und hängt nicht vom Operationsverstärker selbst ab.

Bei einem echten Operationsverstärker muss der Eingangsstrom berücksichtigt werden Ich gebe ein, d.h. ich G=Ich os+Ich gebe ein oder ( Z.B–Du bist dabei)/R 1 =(Du bist dabei–Du bist raus)/R os+Du bist dabei/U-Eingang, Wo Du bist dabei- Signalspannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers, d.h. am Punkt A. Dann erhalten wir für einen echten Operationsverstärker:

Es ist leicht zu zeigen, dass bei einer OOS-Tiefe von mehr als 10, d. h. K u Operationsverstärker/K U Inv=F>10, Berechnungsfehler K U Inv Im Falle eines idealen Operationsverstärkers überschreitet er nicht 10 %, was für die meisten praktischen Fälle völlig ausreichend ist.

Widerstandswerte in Operationsverstärkergeräten sollten mehrere Megaohm nicht überschreiten, da es sonst aufgrund von Leckströmen, Operationsverstärker-Eingangsströmen usw. zu einem instabilen Betrieb des Verstärkers kommen kann. Wenn als Ergebnis der Berechnung der Wert R os den maximal empfohlenen Wert überschreitet, empfiehlt es sich, eine T-förmige OOS-Kette zu verwenden, die bei moderaten Widerstandswerten die Funktion eines äquivalenten Hochwiderstands übernimmt R os(Abbildung 6.7b) . In diesem Fall können Sie schreiben:

In der Praxis wird das oft geglaubt R Betriebssystem 1 =R Betriebssystem 2 >>R Betriebssystem 3 und der Wert R Normalerweise wird 1 angegeben, also R Betriebssystem 3 lässt sich ganz einfach ermitteln.

Eingangsimpedanz des Operationsverstärker-Invertierungsverstärkers R-Eingang inv hat einen relativ kleinen Wert, der durch paralleles OOS bestimmt wird:

R-Eingang inv = R 1 +(R os/K u Operationsverstärker + 1)∥R-Eingang≈ R 1 ,

diese. im Großen und Ganzen K u Operationsverstärker Der Eingangswiderstand wird durch den Wert bestimmt R 1 .

Ausgangsimpedanz des invertierenden Verstärkers R Out Inv In einem echten Operationsverstärker ist er von Null verschieden und wird als definiert R-Out-Operationsverstärker und die Tiefe des Umweltschutzes F. Für F>10 können wir schreiben:

R Out Inv = R-Out-Operationsverstärker/F = R-Out-Operationsverstärker/K U Inv/K u Operationsverstärker.

Mithilfe des LFC des Operationsverstärkers können Sie den Frequenzbereich des invertierenden Verstärkers darstellen (siehe Abbildung 6.6) und

f OC = f T/K U Inv.

Im Limit, das Sie bekommen können K U Inv=1, d.h. Holen Sie sich einen invertierenden Follower. In diesem Fall erhalten wir die minimale Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers:

R raus = R-Out-Operationsverstärker/K u Operationsverstärker.

In einem Verstärker wird ein echter Operationsverstärker am Ausgang des Verstärkers verwendet Du bist dabei=0 Fehlerspannung liegt immer an U osh, erzeugt U cm und Δ Ich gebe ein. Zur Reduzierung U osh Bemühen Sie sich, die äquivalenten Widerstände auszugleichen, die an die Eingänge des Operationsverstärkers angeschlossen sind, d. h. nehmen R 2 =R 1 ∥R os(Siehe Abbildung 6.7a). Wenn diese Bedingung erfüllt ist K U Inv>10 kann geschrieben werden:

U osh ≈ U cm K U Inv + Δ Ich in R os.

Verringern U osh Dies ist möglich, indem eine zusätzliche Vorspannung an den nichtinvertierenden Eingang angelegt wird (mithilfe eines zusätzlichen Teilers) und die Werte der verwendeten Widerstände verringert werden.

Basierend auf dem betrachteten invertierenden UPT ist es möglich, einen Wechselstromverstärker zu erstellen, indem Trennkondensatoren an den Ein- und Ausgang angeschlossen werden, deren Nennwerte auf der Grundlage eines bestimmten Frequenzverzerrungsfaktors bestimmt werden M n(siehe Abschnitt 2.5).

6.4. Nichtinvertierender Verstärker

Ein vereinfachtes Schaltbild eines nichtinvertierenden Operationsverstärkerverstärkers ist in Abbildung 6.8 dargestellt.

Abbildung 6.8. Nicht invertierender Operationsverstärker

Es lässt sich leicht zeigen, dass bei einem nichtinvertierenden Verstärker der Operationsverstärker vom POSN abgedeckt wird. Weil das Du bist dabei Und U os an verschiedene Eingänge geliefert werden, können wir für einen idealen Operationsverstärker schreiben:

Du bist dabei = U raus R 1 /(R 1 + R os),

woher die Spannungsverstärkung des nichtinvertierenden Verstärkers:

K U nichtinv = 1 + R os/R 1 ,

K U nichtinv = 1 + |K U Inv|.

Für einen nichtinvertierenden Verstärker, der auf einem echten Operationsverstärker basiert, gelten die erhaltenen Ausdrücke bei einer Rückkopplungstiefe von F>10.

Eingangsimpedanz eines nichtinvertierenden Verstärkers R-Eingang nichtinv ist groß und wird durch ein tiefes, konsistentes OOS und einen hohen Wert bestimmt R-Eingang:

R-Eingang nichtinv = R-Eingang· F = R-Eingang· K U OU/K U nichtinv.

Die Ausgangsimpedanz eines nichtinvertierenden Operationsverstärkerverstärkers wird wie bei einem invertierenden Verstärker bestimmt, weil In beiden Fällen gilt das Spannungsschutzsystem:

R out nichtinv = R aus dem Operationsverstärker/F = R aus dem Operationsverstärker/K U nichtinv/K U OU.

Die Erweiterung des Betriebsfrequenzbandes erfolgt bei einem nichtinvertierenden Verstärker auf die gleiche Weise wie bei einem invertierenden Verstärker, d.h.

f OC = f T/K U nichtinv.

Um den Stromfehler in einem nichtinvertierenden Verstärker, ähnlich einem invertierenden Verstärker, zu reduzieren, muss die folgende Bedingung erfüllt sein:

R g = R 1 ∥R os.

Für große Verstärker wird häufig ein nichtinvertierender Verstärker verwendet R g(was aufgrund der Größe möglich ist R-Eingang nichtinv), daher ist die Erfüllung dieser Bedingung aufgrund von Einschränkungen hinsichtlich der Werte der Widerstandswerte nicht immer möglich.

Das Vorhandensein eines Gleichtaktsignals am invertierenden Eingang (übertragen durch die Schaltung: nichtinvertierender Operationsverstärkereingang ⇒ Operationsverstärkerausgang ⇒ R os⇒ invertierender Eingang des Operationsverstärkers) führt zu einer Erhöhung U osh, was ein Nachteil des betreffenden Verstärkers ist.

Durch die Erhöhung der Tiefe des Umweltschutzes ist es möglich, dies zu erreichen K U nichtinv=1, d.h. Erhalten eines nicht invertierenden Repeaters, dessen Schaltung in Abbildung 6.9 dargestellt ist.

Abbildung 6.9. Nicht invertierender Operationsverstärker-Folger

Hier werden 100 % POSN erreicht, sodass dieser Repeater die höchste Eingangs- und minimale Ausgangsimpedanz aufweist und wie jeder Repeater als Anpassungsstufe verwendet wird. Für einen nicht invertierenden Follower können Sie schreiben:

U osh ≈ U cm + Ich in sr R g ≈ Ich in sr R g,

diese. Die Fehlerspannung kann recht große Werte erreichen.

Basierend auf dem betrachteten nichtinvertierenden UPT ist es auch möglich, einen Wechselstromverstärker zu erstellen, indem Trennkondensatoren an den Ein- und Ausgang angeschlossen werden, deren Nennwerte auf der Grundlage eines bestimmten Frequenzverzerrungsfaktors bestimmt werden M n(siehe Abschnitt 2.5).

Neben invertierenden und nichtinvertierenden Verstärkern auf Basis von Operationsverstärkern stehen verschiedene Operationsverstärkeroptionen zur Verfügung, von denen einige im Folgenden erläutert werden.

6.5. Arten von Steuereinheiten am Operationsverstärker

Differenzverstärker , dessen Diagramm in Abbildung 6.10 dargestellt ist.

Abbildung 6.10. Operationsverstärker-Differenzverstärker

Ein Operationsverstärker-Differenzverstärker kann als eine Kombination aus invertierenden und nichtinvertierenden Verstärkeroptionen betrachtet werden. Für Du bist raus Differenzverstärker kann geschrieben werden:

Du bist raus = K U inv U in 1 +K U noninv U in 2 R 3 /(R 2 + R 3).

Allgemein, R 1 =R 2 und R 3 =R os, somit, R 3 /R 2 =R os/R 1 =M. Wenn wir die Werte der Verstärkungsfaktoren erweitern, erhalten wir:

Du bist raus = M(Du bist dabei 2 – Du bist dabei 1),

Für den Sonderfall wann R 2 =R 3 erhalten wir:

Du bist raus = Du bist dabei 2 – Du bist dabei 1 .

Der letzte Ausdruck erklärt deutlich die Herkunft des Namens und den Zweck des betreffenden Verstärkers.

In einem Differenzverstärker auf Basis eines Operationsverstärkers entsteht bei gleicher Polarität der Eingangsspannungen ein Gleichtaktsignal, das den Verstärkerfehler erhöht. Daher ist es wünschenswert, in einem Differenzverstärker einen Operationsverstärker mit einem großen CMRR zu verwenden. Zu den Nachteilen des betrachteten Differenzverstärkers zählen unterschiedliche Werte der Eingangswiderstände und Schwierigkeiten bei der Einstellung der Verstärkung. Diese Schwierigkeiten entfallen bei Geräten mit mehreren Operationsverstärkern, beispielsweise bei einem Differenzverstärker mit zwei Repeatern (Abbildung 6.11).

Abbildung 6.11. Repeater-Differenzverstärker

Diese Schaltung ist symmetrisch und zeichnet sich durch gleiche Eingangswiderstände und niedrige Fehlerspannung aus, funktioniert aber nur bei symmetrischer Last.

Basierend auf dem Operationsverstärker kann es durchgeführt werden logarithmischer Verstärker , dessen schematisches Diagramm in Abbildung 6.12 dargestellt ist.

Abbildung 6.12 Logarithmischer Operationsverstärker

Der Pn-Übergang der VD-Diode ist in Durchlassrichtung vorgespannt. Unter der Annahme, dass der Operationsverstärker ideal ist, können wir die Ströme gleichsetzen ICH 1 und ICH 2. Unter Verwendung des Ausdrucks für die Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Übergangs ( ICH=ICH 0 ), ist es einfach zu schreiben:

Du bist dabei/R= ICH 0 ·,

woher wir nach Transformationen erhalten:

Du bist raus = φ T ln( Du bist dabei/ICH 0 R) = φ T(ln Du bist dabei–ln ICH 0 R),

Daraus folgt, dass die Ausgangsspannung proportional zum Logarithmus des Eingangs ist, und der Term ln ICH 0 R stellt den Logarithmusfehler dar. Es ist zu beachten, dass dieser Ausdruck auf ein Volt normierte Spannungen verwendet.

Wenn wir die Diode VD und den Widerstand R ersetzen, erhalten wir Antilog-Verstärker .

Invertierend und nicht invertierend Addierer auf Operationsverstärkern, auch Summierverstärker oder Analogaddierer genannt. Abbildung 6.13 zeigt ein schematisches Diagramm eines invertierenden Addierers mit drei Eingängen. Dieses Gerät ist eine Art invertierender Verstärker, dessen Eigenschaften sich auch im invertierenden Addierer manifestieren.

Abbildung 6.13. Invertierender Addierer für Operationsverstärker

Du bist dabei 1 /R 1 + Du bist dabei 2 /R 2 + Du bist dabei 3 /R 3 = –Du bist raus/R os,

Aus dem resultierenden Ausdruck folgt, dass die Ausgangsspannung des Geräts die Summe der Eingangsspannungen multipliziert mit der Verstärkung ist K U Inv. Bei R os=R 1 =R 2 =R 3 K U Inv=1 und Du bist raus=Du bist dabei 1 +Du bist dabei 2 +Du bist dabei 3 .

Wenn die Bedingung erfüllt ist R 4 =R os∥R 1 ∥R 2 ∥R 3, der aktuelle Fehler ist klein und kann mit der Formel berechnet werden U osh=U cm(K U osh+1), wo K U osh=R os/(R 1 ∥R 2 ∥R 3) - Fehlersignalverstärkungsfaktor, der einen größeren Wert hat als K U Inv.

Nichtinvertierender Addierer ist auf die gleiche Weise implementiert wie ein invertierender Addierer, sollte jedoch analog zu einem nicht invertierenden Verstärker den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verwenden.

Wenn wir den Widerstand Roc durch den Kondensator C ersetzen (Abbildung 6.14), erhalten wir ein Gerät namens analoger Integrator oder einfach nur ein Integrator.

Abbildung 6.14. Analoger Integrator am Operationsverstärker

Mit einem idealen Operationsverstärker können die Ströme gleichgesetzt werden ICH 1 und ICH 2, woraus folgt:

Je höher die Integrationsgenauigkeit, desto größer K u Operationsverstärker.

Zusätzlich zu den betrachteten Steuereinheiten werden Operationsverstärker in einer Reihe kontinuierlicher Geräte verwendet, auf die im Folgenden eingegangen wird.

6.6. Frequenzgangkorrektur

Unter Korrektur der Frequenzeigenschaften verstehen wir die Änderung von LFC und LPFC, um den Operationsverstärkern die erforderlichen Eigenschaften zu verleihen und vor allem einen stabilen Betrieb sicherzustellen. Normalerweise wird ein Operationsverstärker mit OOS-Schaltungen verwendet. Unter bestimmten Bedingungen kann sich der OOS jedoch aufgrund zusätzlicher Phasenverschiebungen in den Frequenzkomponenten des Signals in einen POS verwandeln und der Verstärker verliert an Stabilität. Da das OOS sehr tief ist ( βK U>>1) ist es besonders wichtig, auf eine Phasenverschiebung zwischen Ein- und Ausgangssignal zu achten, um eine Anregungsfreiheit zu gewährleisten.

Zuvor wurden in Abbildung 6.6 die LFC- und LPFC-Antworten für den korrigierten Operationsverstärker in einer Form dargestellt, die der LFC- und LPFC-Antworten einer einzelnen Verstärkerstufe entspricht, woraus ersichtlich ist, dass die maximale Phasenverschiebung φ ist<90° при K u Operationsverstärker>1 und die Verstärkungsabfallrate im HF-Bereich beträgt 20 dB/Dez. Ein solcher Verstärker ist bei jeder Rückkopplungstiefe stabil.

Besteht der Operationsverstärker aus mehreren Kaskaden (z. B. drei), von denen jede eine Abklingrate von 20 dB/Dez hat und keine Korrekturschaltungen enthält, dann haben sein LFC und LPFC eine komplexere Form (Abbildung 6.15) und enthalten einen Bereich instabiler Schwingungen.

Abbildung 6.15. LFC und LPFC eines unkorrigierten Operationsverstärkers

Um einen stabilen Betrieb von Operationsverstärkergeräten zu gewährleisten, werden interne und externe Korrekturschaltungen verwendet, mit deren Hilfe sie bei maximaler Betriebsfrequenz eine Gesamtphasenverschiebung mit offener Rückkopplungsschleife von weniger als 135° erreichen. In diesem Fall stellt sich automatisch ein Rückgang ein K u Operationsverstärker beträgt etwa 20 dB/Dez.

Es eignet sich gut als Kriterium für die Stabilität von Operationsverstärkergeräten Bode-Kriterium , wie folgt formuliert: „Ein Verstärker mit Rückkopplungsschaltung ist stabil, wenn die Gerade seiner Verstärkung in Dezibel den LFC in einem Abschnitt mit einem Roll-off von 20 dB/Dez kreuzt.“ Daraus können wir schließen, dass die Frequenzkorrekturschaltungen im Operationsverstärker die Abklingrate liefern müssen K U Inv(K U nichtinv) bei HF etwa 20 dB/Dez.

Frequenzkorrekturschaltungen können entweder in den Halbleiterkristall eingebaut oder durch externe Elemente erzeugt werden. Die einfachste Frequenzkorrekturschaltung wird durch Anschließen eines Kondensators C cor mit ausreichend großem Wert an den Ausgang des Operationsverstärkers realisiert. Es ist notwendig, dass die Zeit konstant ist τ Kern=R out C cor war größer als 1/2π f in. In diesem Fall werden hochfrequente Signale am Ausgang des Operationsverstärkers vom C-Kern überbrückt und das Betriebsfrequenzband wird verengt, und zwar in den meisten Fällen erheblich, was einen erheblichen Nachteil dieser Art der Korrektur darstellt. Der in diesem Fall erhaltene LFC ist in Abbildung 6.16 dargestellt.

Abbildung 6.16. Frequenzkorrektur mit externem Kondensator

Rezession K u Operationsverstärker hier wird er 20 dB/dec nicht überschreiten, und der Operationsverstärker selbst wird mit der Einführung von OOS stabil sein, da φ niemals 135° überschreiten wird.

Korrekturschaltungen vom integrierenden (Lag-Korrektur) und differenzierenden (erweiterte Korrektur) Typ sind fortgeschrittener. Im Allgemeinen äußert sich eine integrierende Korrektur ähnlich wie die Wirkung einer Korrekturkapazität (Lastkapazität). Die korrigierende RC-Schaltung ist zwischen den Operationsverstärkerstufen angeschlossen (Abbildung 6.17).

Abbildung 6.17. Integrierende Frequenzkorrektur

Der Widerstand R 1 ist der Eingangswiderstand der Operationsverstärkerstufe, und die Korrekturschaltung selbst enthält den R-Kern und den C-Kern. Die Zeitkonstante dieser Schaltung muss größer sein als die Zeitkonstante einer der Operationsverstärkerstufen. Da es sich bei der Korrekturschaltung um die einfachste Single-Link-RC-Schaltung handelt, beträgt ihre LFC-Steigung 20 dB/Dez, was einen stabilen Betrieb des Verstärkers gewährleistet. Und in diesem Fall verengt die Korrekturschaltung das Betriebsfrequenzband des Verstärkers, aber ein breites Band bringt immer noch nichts, wenn der Verstärker instabil ist.

Ein stabiler Betrieb des Operationsverstärkers mit einem relativ breiten Band wird durch eine Differentialkorrektur gewährleistet. Der Kern dieser Methode zur LFC- und LPFC-Korrektur besteht darin, dass HF-Signale innerhalb des Operationsverstärkers passieren und dabei einen Teil der Kaskaden (oder Elemente) umgehen, die das Maximum liefern K u Operationsverstärker 0 werden sie nicht verstärkt oder in der Phase verzögert. Dadurch werden HF-Signale weniger verstärkt, ihre geringe Phasenverschiebung führt jedoch nicht zu einem Verlust der Verstärkerstabilität. Um eine Differentialkorrektur zu implementieren, wird ein Korrekturkondensator an die speziellen Anschlüsse des Operationsverstärkers angeschlossen (Abbildung 6.18).

Abbildung 6.18. Differenzielle Frequenzkorrektur

Neben den betrachteten Korrekturschaltungen sind noch weitere bekannt (siehe z. B.). Bei der Auswahl von Korrekturschemata und den Werten ihrer Elemente sollten Sie sich beispielsweise auf Referenzliteratur beziehen.