On näidatud, et operatsioonivõimendi kasutamisel erinevates lülitusahelates sõltub astme võimendus ühel operatiivvõimendil (op-amp) ainult tagasiside sügavusest. Seetõttu ei kasutata konkreetse vooluahela võimenduse määramise valemites nii-öelda "palja" operatsioonivõimendi enda võimendust. See tähendab, et täpselt see tohutu koefitsient, mis on teatmeteostes näidatud.

Siis on täiesti asjakohane esitada küsimus: "Kui lõpptulemus (võimendus) ei sõltu sellest tohutust "referentsi" koefitsiendist, siis mis vahe on mitme tuhandekordse võimendusega op-võimendil ja sama op-amp, aga mitmesaja tuhande ja isegi miljonilise kasumiga?

Vastus on üsna lihtne. Mõlemal juhul on tulemus sama, kaskaadi võimenduse määravad OOS-i elemendid, kuid teisel juhul (suure võimendusega op-amp) töötab ahel stabiilsemalt, täpsemalt, sellise jõudluse. ahelad on palju kõrgem. Pole põhjust, et operatsioonivõimendid jagunevad üldotstarbelisteks ja ülitäpseteks.

Nagu juba mainitud, said kõnealused võimendid oma nime "töötavad" sel kaugel ajal, mil neid kasutati peamiselt matemaatikatoimingute tegemiseks analoogarvutites (AVM). Need olid liitmise, lahutamise, korrutamise, jagamise, kvadratuuri ja paljud muud funktsioonid.

Need veevoolueelsed op-võimendid valmistati vaakumlampide ja hiljem diskreetsete transistorite ja muude raadiokomponentide abil. Loomulikult olid isegi transistor-operatsioonivõimendite mõõtmed piisavalt suured, et neid saaks kasutada amatöörprojektides.

Ja alles pärast seda, kui tänu integreeritud elektroonika saavutustele muutusid op-võimendid tavalise väikese võimsusega transistori suuruseks, sai nende osade kasutamine koduseadmetes ja amatöörahelates õigustatud.

Muide, tänapäevased op-võimendid, isegi üsna kõrge kvaliteediga, ei ole palju kõrgemad kui kaks või kolm transistori. See väide kehtib üldotstarbeliste operatsioonivõimendite kohta. Täppisvõimendid võivad maksta veidi rohkem.

Op-amp vooluahelate osas tasub kohe märkida, et need kõik on mõeldud toiteks bipolaarsest toiteallikast. See režiim on op-võimendi jaoks kõige tuttavam, võimaldades võimendada mitte ainult vahelduvpinge signaale, näiteks siinuslainet, vaid ka alalisvoolu signaale või lihtsalt pinget.

Ja veel, üsna sageli saavad op-amp ahelad toite unipolaarsest allikast. Tõsi, sellisel juhul pole võimalik pidevat pinget tõsta. Kuid sageli juhtub, et see pole lihtsalt vajalik. Ühepolaarse toiteallikaga vooluahelaid käsitletakse hiljem, kuid praegu jätkame bipolaarse toiteallikaga op-võimendite sisselülitamise ahelatega.

Enamiku operatsioonivõimendite toitepinge jääb enamasti ±15 V piiresse. Aga see ei tähenda sugugi, et seda pinget ei saaks veidi madalamaks teha (kõrgemat ei soovita). Paljud op-võimendid töötavad väga stabiilselt alates ±3 V ja mõned mudelid isegi ±1,5 V. See võimalus on näidatud tehnilises dokumentatsioonis (andmeleht).

Pinge repiiter

See on vooluahela disaini poolest lihtsaim op-amp seade; selle vooluahel on näidatud joonisel 1.

Joonis 1. Operatsioonivõimendi pinge järgija ahel

On lihtne näha, et sellise vooluringi loomiseks polnud vaja ühtegi osa peale op-amp enda. Tõsi, joonisel pole toiteühendust näha, kuid selliseid skeeme leiab kogu aeg. Ainus asi, mida tahaksin märkida, on see, et operatiivvõimendi toiteviikude (näiteks KR140UD708 operatiivvõimendi puhul on need kontaktid 7 ja 4) ja ühine juhe tuleks ühendada mahuga 0,01...0,5 µF.

Nende eesmärk on muuta operatsioonivõimendi töö stabiilsemaks, vabaneda vooluahela iseergastusest piki toiteahelaid. Kondensaatorid tuleks ühendada võimalikult lähedale mikrolülituse toitekontaktidele. Mõnikord on mitme mikrolülituse rühma kohta ühendatud üks kondensaator. Digimikroskeemidega tahvlitel on näha samad kondensaatorid, nende otstarve on sama.

Repiiteri võimendus võrdub ühtsusega või, teisiti öeldes, võimendust pole üldse. Milleks siis sellist skeemi vaja on? Siinkohal on üsna asjakohane meeles pidada, et on olemas transistori ahel - emitteri järgija, mille põhieesmärk on sobitada erineva sisendtakistusega kaskaadid. Selliseid kaskaade (repeatereid) nimetatakse ka puhverkaskaadideks.

Operatsioonivõimendi repiiteri sisendtakistus arvutatakse operatiivvõimendi sisendtakistuse ja selle võimenduse korrutisena. Näiteks mainitud UD708 puhul on sisendtakistus ligikaudu 0,5 MOhm, võimendus vähemalt 30 000 ja võib-olla rohkemgi. Kui need arvud korrutada, on sisendtakistus 15 GOhm, mis on võrreldav mitte eriti kvaliteetse isolatsiooni, näiteks paberi, takistusega. Nii kõrget tulemust tavapärase emitteri järgijaga tõenäoliselt ei saavutata.

Tagamaks, et kirjeldused ei tekitaks kahtlusi, on allpool toodud joonised, mis näitavad kõigi kirjeldatud ahelate tööd Multisim simulaatoriprogrammis. Loomulikult saab kõiki neid ahelaid monteerida leivalaudadele, kuid monitori ekraanil ei saa halvemaid tulemusi.

Tegelikult on siin isegi natuke parem: takisti või mikroskeemi vahetamiseks ei pea kuskile riiulile ronima. Siin on kõik, isegi mõõteriistad, programmis ja neid saab hiire või klaviatuuri abil “kättesaada”.

Joonisel 2 on kujutatud Multisim programmis tehtud kordusahel.

Joonis 2.

Skeemi uurimine on üsna lihtne. Funktsionaalgeneraatorist edastatakse repiiteri sisendisse siinussignaal sagedusega 1 KHz ja amplituudiga 2 V, nagu on näidatud joonisel 3.

Joonis 3.

Signaali repiiteri sisendis ja väljundis jälgitakse ostsilloskoobiga: sisendsignaal kuvatakse sinise kiirena, väljundkiir punasena.

Joonis 4.

Miks, võib tähelepanelik lugeja küsida, on väljund (punane) signaal kaks korda suurem kui sisend sinine? Kõik on väga lihtne: ostsilloskoobi kanalite sama tundlikkusega ühinevad mõlemad sama amplituudi ja faasiga sinusoidid üheks, peitudes üksteise taha.

Mõlema korraga nägemiseks pidime vähendama ühe kanali, antud juhul sisendi tundlikkust. Selle tulemusena muutus sinine sinusoid ekraanil täpselt poole väiksemaks ja lakkas peitmast punase taha. Kuigi sarnase tulemuse saavutamiseks saate ostsilloskoobi juhtnuppude abil lihtsalt kiiri nihutada, jättes kanalite tundlikkuse samaks.

Mõlemad sinusoidid paiknevad sümmeetriliselt ajatelje suhtes, mis näitab, et signaali konstantne komponent on null. Mis juhtub, kui lisate sisendsignaalile väikese alalisvoolukomponendi? Virtuaalgeneraator võimaldab nihutada siinuslainet mööda Y telge.Proovime seda 500mV võrra üles nihutada.

Joonis 5.

Mis sellest välja tuli, on näidatud joonisel 6.

Joonis 6.

On märgata, et sisend- ja väljundsiinusid tõusid poole volti võrra, ilma et see oleks muutunud. See näitab, et repiiter edastas signaali alalisvoolukomponendi täpselt. Kuid enamasti püüavad nad sellest konstantsest komponendist lahti saada ja nulliga võrdseks muuta, mis väldib vooluahela elementide, näiteks astmetevahelise lahtisidumise kondensaatorite kasutamist.

Repiiter on muidugi hea ja isegi ilus: ainsatki lisaosa ei läinud vaja (kuigi on ka pisi- ja “lisanditega” repiiteriahelaid), aga kasu ei saanud. Mis võimendi see siis on? Võimendi tegemiseks piisab vaid mõne detaili lisamisest, kuidas seda teha, kirjeldatakse hiljem.

Inverteeriv võimendi

Operatsioonivõimendist inverteeriva võimendi tegemiseks piisab vaid kahe takisti lisamisest. Mis sellest välja tuli, on näidatud joonisel 7.

Joonis 7. Inverteeriv võimendi ahel

Sellise võimendi võimendus arvutatakse valemiga K=-(R2/R1). Miinusmärk ei tähenda, et võimendi osutus halvaks, vaid ainult seda, et väljundsignaal on sisendsignaali faasis vastupidine. Pole asjata, et võimendit nimetatakse inverteerivaks võimendiks. Siin oleks paslik tagasi kutsuda transistor, mis on OE-ga skeemi järgi ühendatud. Ka seal on transistori kollektori väljundsignaal baasile antud sisendsignaaliga faasist väljas.

Siin tasub meeles pidada, kui palju pingutusi peate tegema, et saada transistori kollektoril puhas ja moonutamata siinuslaine. Selle järgi on vaja valida transistori aluse eelpinge. See on tavaliselt üsna keeruline ja sõltub paljudest parameetritest.

Op-amp'i kasutamisel piisab lihtsalt takistite takistuse arvutamisest vastavalt valemile ja määratud võimenduse saamiseks. Selgub, et vooluahela seadistamine op-võimendi abil on palju lihtsam kui mitme transistori astme seadistamine. Seega pole vaja karta, et skeem ei tööta, ei tööta.

Joonis 8.

Siin on kõik sama, mis eelmistel joonistel: sisendsignaal on näidatud sinisena ja signaal pärast võimendi on näidatud punaselt. Kõik vastab valemile K=-(R2/R1). Väljundsignaal on sisendiga faasist väljas (mis vastab valemis miinusmärgile) ja väljundsignaali amplituud on täpselt kaks korda suurem sisendist. Mis kehtib ka suhte (R2/R1)=(20/10)=2 puhul. Võimenduse saamiseks, näiteks 10, piisab takisti R2 takistuse suurendamisest 100 KOhm-ni.

Tegelikult võib inverteeriva võimendi ahel olla mõnevõrra keerulisem; see valik on näidatud joonisel 9.

Joonis 9.

Siin on ilmunud uus osa - takisti R3 (pigem kadus see lihtsalt eelmisest ahelast). Selle eesmärk on kompenseerida reaalse operatsioonivõimendi sisendvoolusid, et vähendada alalisvoolukomponendi temperatuuri ebastabiilsust väljundis. Selle takisti väärtus valitakse valemi R3=R1*R2/(R1+R2) järgi.

Kaasaegsed ülistabiilsed op-amprid võimaldavad mitteinverteeriva sisendi ühendada ühise juhtmega otse ilma takistita R3. Kuigi selle elemendi olemasolu ei tee midagi halba, eelistavad nad praeguse tootmismahu juures, kui nad kõike säästavad, seda takistit mitte installida.

Inverteeriva võimendi arvutamise valemid on toodud joonisel 10. Miks joonisel? Jah, lihtsalt selguse mõttes, tekstireas ei näeks need nii tuttavad ja arusaadavad, ei oleks nii märgatavad.

Joonis 10.

Võimendustegurit mainiti varem. Ainus, mis siinkohal tähelepanu väärib, on mitteinverteeriva võimendi sisend- ja väljundtakistused. Sisendtakistusega näib kõik olevat selge: see osutub võrdseks takisti R1 takistusega, kuid väljundtakistus tuleb arvutada joonisel 11 näidatud valemi abil.

Täht “K” tähistab operatsioonivõimendi võrdluskoefitsienti. Siin palun arvutage välja, millega väljundtakistus võrdub. Tulemuseks on üsna väike näitaja isegi keskmise UD7 tüüpi op-võimendi puhul, mille K” ei ole suurem kui 30 000. Sel juhul on see hea: lõppude lõpuks, mida madalam on kaskaadi väljundtakistus (see kehtib mitte ainult op-amp-kaskaadide kohta), mida võimsam on koormus, mõistlikes tingimustes saate loomulikult selle kaskaadiga ühenduse luua.

Eriline märkus tuleks teha ühiku kohta väljundtakistuse arvutamise valemi nimetajas. Oletame, et suhe R2/R1 on näiteks 100. Täpselt selline suhe saadakse, kui inverteeriva võimendi võimenduseks on 100. Selgub, et kui see ühik ära visata, siis ei muutu eriti midagi. . Tegelikult pole see tõsi.

Oletame, et takisti R2 takistus on null, nagu repiiteri puhul. Siis, ilma üheta, muutub kogu nimetaja nulliks ja väljundtakistus on võrdselt null. Ja kui hiljem satub see null kuhugi valemi nimetajasse, siis kuidas kästakse see sellega jagada? Seetõttu on sellest esmapilgul tähtsusetust üksusest lihtsalt võimatu lahti saada.

Kõike ei saa kirjutada ühes artiklis, isegi üsna suures. Seetõttu tuleb kajastada kõike, mis järgmisesse artiklisse ei mahtunud. Seal kirjeldatakse mitteinverteerivat võimendit, diferentsiaalvõimendit ja ühe toitega võimendit. Samuti kirjeldatakse lihtsaid vooluahelaid operatsioonivõimendite testimiseks.

Siiani oleme arvestanud üksikutest diskreetsetest komponentidest - transistorid, dioodid, takistid - kokku pandud võimendid. Integraallülituse tehnoloogiat kasutades saab kõik need vajalikud diskreetsed komponendid moodustada üheks monoliitseks IC-ks. Just seda tehnoloogiat kasutatakse praegu operatiivvõimendite (operatsioonivõimendite) tootmiseks. Need olid algselt kavandatud teatud matemaatiliste toimingute tegemiseks (sellest ka nimi), kuid leidsid kiiresti kasutust paljudes elektroonilistes vooluringides.

Ideaalne op-amp on ideaalne võimendi, millel on lõpmatult kõrge võimendus, lõpmatult lai ribalaius ja täiesti tasane sagedusreaktsioon, lõpmatu sisendtakistus, nullväljundtakistus ja nulltriivita. Praktikas on operatiivvõimendil järgmised omadused:

1) väga kõrge kasum (üle 50 000);

2) väga lai ribalaius ja lame sageduskarakteristik;

3) väga kõrge sisendtakistus;

4) väga madal väljundtakistus;

5) väga nõrk nulli triiv.

Riis. 31.1.

Joonisel fig. Joonisel 31.1 on kujutatud operatsioonivõimendi sümbolit. Operatsioonivõimendil on kaks sisendit: inverteeriv sisend (-), mille signaal on väljundsignaaliga faasist väljas, ja mitteinverteeriv sisend (+), mille signaal on väljundsignaaliga faasis.

Rakendused

Opvõimendi rakenduste valik on äärmiselt lai. Seda saab kasutada ümberpööramiseks, mitteinverteerimiseks, summeerimiseks ja diferentsiaalvõimendid, nagu pinge jälgija, integraator ja komparaator. Operatsioonivõimendiga ühendatud välised komponendid määravad selle konkreetse rakenduse. Mõnda neist rakendustest käsitletakse allpool.

Joonisel fig. Joonis 31.2 näitab operatsioonivõimendi kasutamist inverteeriva võimendina. Kuna op-amp on väga suure (peaaegu lõpmatu) võimendusega, genereeritakse selle väljundis olev signaal väga väikese sisendsignaaliga. See tähendab, et operatsioonivõimendi inverteerivat sisendit (punkt P) võib pidada virtuaalseks (imaginaarseks) maanduseks ehk peaaegu nullpotentsiaaliga punktiks. Vajaliku taseme op-amp võimenduse saamiseks sisestatakse tagasisidetakisti kaudu väga sügav negatiivne sidestus R oc. Inverteeriva võimendi võimenduse (joonis 31.2) saab arvutada valemiga

Negatiivne märk näitab, et sisendsignaal on võimendamisel inverteeritud.

Riis. 31.2.

Näide

Uskudes R 1 = 1 kOhm ja R oc = 2,2 kOhm, arvutage inverteeriva võimendi võimendus- ja väljundpinge, kui selle sisendile on rakendatud pinge 50 mV.

Lahendus

Kasu

Väljundpinge = -2,2 50 mV = -110 mV.

Summeerimisvõimendi (joon. 31.3) tekitab väljundpinge, mille väärtus on võrdeline sisendpingete summaga V 1 ja V 2 . Sisendpinge jaoks V 1 kasu G V= - R oc / R 1 ja sisendpinge jaoks V 2 G V= - R oc / R 1 .

Näiteks kui R oc = R 1 = R 2, siis on mõlema sisendi võimendus -5 kOhm / 5 k0m = -1. Lase V 1 = 1 V ja V 2 = 2 V, siis panus sellega seotud väljundpingesse V 1 on 1 (-1) = -1 V ja sellega seotud panus V 2 on 2 (-1) = -2 V. Seetõttu on kogu väljundpinge V välja = -1 - 2 = -3 V.

Näide 1

Summeeriva operatsioonivõimendi sisenditesse, mis on näidatud joonisel fig. 31.4, rakendatakse pingetV 1 = 20 mV ja V 2 = -10 mV. Arvutage väljundpingeV välja .

Riis. 31.3.

Riis. 31.4.

Lahendus

Väljundpinge jaoks V 1 = -5/1 · 20 = -100 mV.

Väljundpinge jaoksV 2 = -5/5 · (-10) = +10 mV.

Seega kogu väljundpinge V välja = -100 + 10 = -90 mV.

Sel juhul juhib operatsioonivõimendit 100% negatiivne tagasiside (joonis 31.5) ja selle puhasvõimendus on 1. Pange tähele, et pingejälgija väljund- ja sisendsignaalid on faasis.

Nihkepinge

Null-sisendsignaali korral on ideaalse operatsioonivõimendi väljundsignaal null. Praktikas see nii ei ole: nullist erinev signaal (vool või pinge) on operatiivvõimendi väljundis isegi nulli sisendsignaali korral. Null-sisendsignaaliga nullväljundsignaali saavutamiseks rakendatakse operatiivvõimendi sisendile sellise suuruse ja polaarsusega sisendi eelpinge vool või eelpinge, nii et sisendi biassignaalile vastav väljundsignaal tühistab algse häiriva väljundsignaali. .

Sisendpingestusvool määratakse tavaliselt täiendava takisti abil R 2, mis on ühendatud op-võimendi mitteinverteeriva sisendiga, nagu on näidatud joonisel fig. 31.6.

Riis. 31.5. Pinge repiiter. Riis. 31.6

Selle takisti optimaalne takistus määratakse valemiga

Tavaliselt, kui võimendus on suurem kui neli, väärtustab takisti R 2 ja R 1 on valitud samadeks. Takisti tutvustus R 2 ei muuda inverteeriva võimendi võimendust, see jääb ikkagi võrdseks - R oc / R 1 . Nagu hiljem näeme, pakuvad mõned IC-d tihvtid operatsioonivõimendi väljundi nullpingele seadmiseks.

Mitteinverteeriv võimendi

Sel juhul rakendatakse sisendsignaal operatsioonivõimendi mitteinverteerivale sisendile, nagu on näidatud joonisel fig. 31.7.

Meenub sageli oma esimene tutvus operatiivvõimendiga (op-amp). Teadsin alati, et need salapärased kolmnurgad diagrammidel on mulle kasulikud kogu eluks. Pikad magamata ööd nende toimimispõhimõtet uurides ei viinud aga millegini. Sellel teemal on palju artikleid, kuid mulle tundub, et põhitõed pole ilmsed. Püüan läheneda sellele veidi teisest suunast ja hajutada OU kohutavaid saladusi.

Proovime välja mõelda, milliseid “operatsioone” meie operatsioonivõimendi võimendab.

Probleem: on signaaliallikas, näiteks signaal mikrofonist või kitarrikorgist. Kui mikrofon on ühendatud otse kõrvaklappidega, siis suure tõenäosusega ei kuule te midagi, parimal juhul on see vaevumärgatav heli.

Kujutagem mikrofoni asemel ette inimest, kes üritab tõsta rasket plaati, loomulikult ei suuda ta seda teha ja mikrofon ei suuda ka kõlarit kõigutada. Kuid kui see inimene kasutab kraana juhtimiseks pisut jõudu, suudab ta tõsta kraana tõstevõime piires mis tahes koormat. Need. segistiks on antud juhul võimendi. Kraana tõstevõime analoogiks on võimendi võimsus. Kasu tähendus peaks pildilt selge olema. Signaali sagedus ja kuju jäävad samaks, muutub ainult amplituud.

Nüüd teame, et kõlaritest heli kuulamiseks on vaja võimendit. Kuigi me ei tea, kuidas see töötab ja mis selle sees on, teame juba, et peavad olema jalad, millele suunatakse signaal, et tahame võimendada Uin, samuti jalad, millelt võimendatud signaal Uout eemaldatakse.

Küsimus on selles, et millise pingeni saab signaali võimendada? Ütlete: "Ma tahan 220 V võimendada 1 000 000 V-ni", kuid see pole võimalik, miks? Kuna algset signaali võimendab väline allikas. Väliseks allikaks on op-amp toitepinge. Samamoodi ei saa kraana tõsta oma kõrgusest kõrgemat koormat (oleme kokku, et ei saa :)). Seetõttu ei tohi op-amp väljundi pinge ületada toitepinget. Tegelikkuses on see isegi veidi väiksem kui toitepinge. Näiteks LM324 puhul on toitepinge vahemikus 3 kuni 32 V.

Nüüd teame, et opvõimendi vajab välist voolu, joonistame need jalad

Oleme muide harjunud, et meie toide on unipolaarne +5V ja maandus. Siin on väike punkt, kui teil on vaja võimendada negatiivsete väärtustega signaali,

siis tuleb -Upitiga ühendada negatiivne pingeallikas, mitte maandus. Kui ühendada maandus, siis selgub, et pingeallikat pole ja signaali “alumine” (negatiivne) osa ei võimenda, s.t. osa signaalist "lõigatakse ära", selle kohta lähemalt näites.

Samamoodi, kui võimendate signaali rohkem kui toitepinget, siis neis kohtades, kus signaal ületab toitepinge, "lõigatakse" signaal ära, st. siinuslaine asemel näeme midagi sellist

Põhiküsimus jääb: kuidas kasumit määrata? Väga lihtsalt - pingejagur. Kuid kõigepealt liigume edasi tõelisemate tähistuste juurde. Igal op-võimendil on vähemalt 5 jalga - 2 toiteallikat, millest oli eespool juttu, ümberpööratud sisend (-), inverteerimata sisend (+) ja väljund.

Seetõttu, olenevalt sellest, millisesse sisendisse allikasignaal antakse, eristatakse kahte tüüpi ühendust: mitteinverteeriv võimendi

Võimendus, mis on võrdne K=(R4/R3)+1. Sel juhul K=4. Sel juhul väljundsignaali kuju ei muutu.

Ja inverteerimine, võimendusega K=-(R2/R1). Selle skeemi puhul K=3. Väljundsignaal on sisendiga faasist väljas.

Liigume sõnadelt tegudele. Lähtesignaaliks võeti ruutlaine sagedusega 1 kHz. Signaalil on nii positiivsed kui ka negatiivsed väärtused (ekraani keskel 0). Signaali amplituud 50mV.

Ühendan operatsioonivõimendi (L324) mitteinverteeriva võimendi ahelaga. Toiteallikas on unipolaarne. Operatsioonivõimendi väljund on sama kujuga, kuid suurema amplituudiga signaal. Tõenäoliselt pole päris selge, miks signaal on sellise amplituudiga ja miks see on ülespoole nihkunud.

Proovime selle välja mõelda. Algsignaali amplituud on 50mV, R4=30k, R3=10k, asendame valemis 50*(30/10+1)=200mV, mis on väga sarnane ostsilloskoobiga nähtule. Miks signaal ülespoole nihkus? Tuletame meelde unipolaarse toiteallika puudust: kõike, mis on alla 0, ei saa võimendada, seega katkeb signaal 0 juures.

Kujutage nüüd ette, et kui toiteviigu külge oleks ühendatud negatiivne pingeallikas, ütleme -5V, siis signaali amplituud kahekordistuks!!! Järelikult suureneks ka maht oluliselt.

Tegelikult on see väike eessõna, enne opvõimendiga tutvuma asumist on kõik ülalöeldu vaid piisk meres, kui meeldis, siis kirjuta, hakkame tasapisi meisterdama ka teisi opvõimendi rakendusi, sh. ja praktilisi skeeme.

Selles artiklis räägime operatsioonivõimendist. Toimimise ja kasutamise näide.

Operatsioonivõimendi– pooljuhtidel põhinev integreeritud konstruktsiooniga elektrooniline võimendiahel, millel on kaks tasakaalustatud sisendit – otsene ja pöördsisend, suure võimendusega. Integreeritud disain eeldab täielikku võimendi disaini, mis on paigutatud ühte integraallülituse (IC) paketti. Operatsioonivõimendite (OA) kasutamine on väga mitmekesine - erinevate signaalide võimendites, signaaligeneraatorites, helivahemiku sagedusfiltrites, füüsiliste suuruste (temperatuur, valgustus, niiskus, tuul) jälgimise ahelates jne.

Operatsioonivõimendi pärinev sisend on tähistatud märgiga "+" ja pöördsisend märgiga "-". Peaksite teadma, et erinevas kirjanduses on veel üks tähistus: pöördsisendit tähistab ring. See on tüüpiline inversioonimärgi tähistus, mida leidub ka digitaalelektroonikas - loogilistes elementides. Otsesisendi tähistuses pole ringi.

Apteegikaalud ei suuda näidata, kui palju erineb ühe kausi koorma kaal teise kausi koorma kaalust. Koormuste erinevuse ligikaudseks vaatlemiseks kasutatakse mõnikord tehnilis-keemilistes kaaludes spetsiaalseid noolega kombineeritud torusid, mis vähendavad samal ajal kaalude "tundlikkust" väikestele koormustele. Samamoodi sisestatakse operatsioonivõimendisse negatiivne tagasiside, et vähendada selle tundlikkust sisendsignaali suhtes - tagasiside takisti, mis ühendab väljundi operatiivvõimendi pöördsisendiga, nagu on näidatud ülaltoodud joonisel.

Näide operatsioonivõimendi kasutamisest ja tööst

Vaatleme operatiivvõimendi tööd õhutemperatuuri reguleeriva ahela või mõne muu objekti, mille külge on kinnitatud termistor, näitel - temperatuuritundlik raadioelement, mis vähendab temperatuuri tõustes selle takistust. Operatsioonivõimendi ahel, mis mõõdab temperatuuri ja annab signaali, kui määratud temperatuurilävi on ületatud, on näidatud joonisel.

Operatsioonivõimendi sisendid on ühendatud kahe takistusliku toitepingejaguriga, ainult üks neist on valmistatud lineaarsetest elementidest - takistitest ja teine ​​sisaldab mittelineaarset elementi, mis muudab oma takistust sõltuvalt temperatuurist. Mis on pingejagur, saate teada artiklist Pingejagur. Disaini järgi täidavad need neli takistit mõõtesilla funktsiooni.

Kui temperatuur on "normaalne", on jaguri R1 ja R2 keskpunktis "A" (pöördvõimendi sisend) pinge suurem kui jaguri R3 ja R4 keskpunktis "B" (otsene töövõimendi sisend) ), seetõttu on operatiivvõimendi väljundiks madala taseme signaal – pinge on minimaalne, transistor on suletud ja VL1 tuli ei põle.

Temperatuuri tõustes takisti R2 takistus väheneb, mistõttu väheneb ka pinge jaguri R1 ja R2 keskpunktis “A”. Kui temperatuuri tõustes langeb termistori takistus väärtuseni, mille juures pinge jaguri R1 ja R2 keskpunktis “A” (operatsioonivõimendi pöördsisend) muutub madalamaks kui keskpunktis “B”. jagaja R3 ja R4 (operatsioonivõimendi otsesisend), siis ilmub operatiivvõimendi väljundisse kõrgetasemeline signaal - pinge saavutab maksimumi, transistor avaneb ja tuli süttib.

Joonisel kujutatud temperatuuri reguleerimise ahel on tõeline tööahel ja õigesti kokku pannes töötab see kohe. Reaktsioonitemperatuuri lävi seatakse takisti R4 abil. Seda saab toita kas akudest või toitealalditest. Toitepinge vahemik võib olla 6 kuni 30 volti.

Kui termistor R2 on paigaldatud mis tahes pinnale, näiteks võimsa transistori jahutamiseks mõeldud radiaatorile ja lambipirni asemel kasutatakse tavalist arvutiventilaatorit (jahutit), mille pinge on 12 volti, saab vooluahelat kasutada millegi jaoks automaatne jahutusseade, näiteks võimas transistor. Ventilaator käivitub, kui teatud temperatuur on saavutatud, ja peatub pärast "juhtobjekti" jahtumist.

Operatsioonivõimendi tundlikkuse vähendamiseks kasutatakse sarnaselt farmaatsiakaalude spetsiaalsete torujuhtmetega negatiivset tagasisidet (NFB), mis viiakse läbi takistile (diagrammil on see R5). Takisti ühendab võimendi väljundi pöördsisendiga. Kui võimendi väljundpinge suureneb, suunatakse väljundpinge läbi takisti võimendi negatiivsesse sisendisse, mille tulemusena väheneb väljundpinge. Mida madalam on negatiivse tagasiside takisti takistus, seda suurem on tagasiside ja seega ka seda halvem on operatsioonivõimendi võimendus. Diagrammil pakutud mikrolülituse tüübi tagasisidetakisti R5 väärtus võib olla vahemikus 10 kilooomi kuni 1,5 megaoomi. Negatiivne tagasiside muudab väljundpinge ja sisendpinge graafiku lamedamaks. See sõltuvus on näidatud vasakpoolsel graafikul.

Kui automaatikasüsteemi releede või muude seadmete, mis "ei talu" sagedasi pingekõikumisi, juhtimiseks kasutatakse operatiivvõimendit, võib sagedase ümberlülitamise või kontaktide "põrkumise" vältimiseks anda mitte negatiivse, vaid positiivse tagasiside (POS). kasutada. Sel juhul ühendab tagasisidetakisti võimendi väljundi mitte pöördsisendiga, vaid otsesega. Seejärel, kui võimendi väljundis olev pinge tõuseb, kantakse väljundpinge läbi takisti võimendi positiivsesse sisendisse, mistõttu see suurendab väljundpinget veelgi kiiremini. Selle ühendusega toimub operatiivvõimendi nii sisse- kui ka väljalülitamine suurema pingeerinevuse korral sisendpingejaguritel - mõõtesilla tasakaalustamatus - kui negatiivse tagasiside korral. Võimendi lülitusmuster muutub "teravamaks" - sellel on "sisselülitamisel" järsem esiosa ja "väljalülitamisel" järsk langus. Mida madalam on positiivse tagasiside takisti takistus, seda suurem on tagasiside ja seega ka operatsioonivõimendi võimendus. Kuid pidage meeles, et liigne positiivne tagasiside põhjustab väljundsignaali moonutusi ja operatsioonivõimendi iseergastust.

Positiivse tagasiside (POF) korral ilmneb kõrvalmõju - "hüstereesisilmus", milles võimendi lülitub sisse suurema sisendpinge erinevuse korral ja lülitub välja oluliselt väiksema erinevusega võrreldes negatiivse tagasisidega võimendiga. Mida tugevam on POS, seda ristkülikukujulisem on hüstereesiahel (joonisel parempoolne graafik). Tugeva positiivse tagasiside olemasolu muudab vooluringi Schmitti päästikuks. Seetõttu võimaldab selline tagasiside automaatses temperatuuri reguleerimise süsteemis olulist temperatuuri levikut ega sobi näiteks inkubaatorisse, kus ei ole lubatud suur temperatuuride levik.

Operatsioonivõimendeid saab juhtida ühest toiteallikast, nagu eespool näidatud, kuid üldiselt on need mõeldud töötama kahe toiteallikaga. Bipolaarne toiteallikas on vajalik nendes vooluringides, milles operatiivvõimendi mõõdab nii positiivseid kui ka negatiivseid pingeid või on mõõdetud pinged võrreldavad “nulliga”, näiteks harmooniliste signaalivõimendite ahelates. Bipolaarse toiteallika korral võib operatiivvõimendi väljundpinge olenevalt sisendsignaalist varieeruda toiteallikast “-” kuni “+” toiteallikani.

Teatud tüüpi bipolaarse toiteallikaga operatiivvõimendites on võimalik reguleerida "nullbilanssi" - olekut, kus sisendsignaali puudumisel mõlemas sisendis ei ole väljundpinge positiivne ega negatiivne, vaid võrdne nulliga. . Selleks on op-amp mikroskeemide spetsiaalsed tihvtid, kuhu nullbilansi reguleerimiseks on ühendatud trimmitakisti.

Kõiki operatsioonivõimendeid, mis töötavad harmooniliste signaalide võimendamise režiimis mittelineaarsete moonutuste kõrvaldamiseks, saab ühendada täiendavate elementidega - filtritega, mis koosnevad tavaliselt kondensaatoritest ja takistitest. Igal operatiivvõimendi tüübil on oma filtriahel. Reeglina on see teatmeteoses antud.

Areneme nüüd spetsiaalselt teie jaoks operatiivvõimendi töökoda et igaüks saaks seda kasulikku tüüpi mikroskeemiga töötamist harjutada.

Operatsioonivõimendit (operatsioonivõimendit) nimetatakse tavaliselt diferentsiaalsisendi ja push-pull-väljundiga integreeritud alalisvooluvõimendiks, mis on loodud töötama tagasisideahelatega. Võimendi nimi tuleneb selle algsest rakendusalast - analoogsignaalidega erinevate toimingute sooritamine (liitmine, lahutamine, integreerimine jne). Praegu toimivad op-võimendid multifunktsionaalsete üksustena mitmesuguste erinevatel eesmärkidel kasutatavate elektrooniliste seadmete rakendamisel. Neid kasutatakse võimendamiseks, piiramiseks, korrutamiseks, sageduse filtreerimiseks, genereerimiseks, stabiliseerimiseks jne. signaalid pidevates ja impulssseadmetes.

Tuleb märkida, et kaasaegsed monoliitsed op-võimendid erinevad oma suuruse ja hinna poolest pisut üksikutest diskreetsetest elementidest, näiteks transistoridest. Seetõttu on erinevate seadmete rakendamine operatsioonivõimendil sageli palju lihtsam kui diskreetsetel elementidel või võimendus-IC-del.

Ideaalsel op-võimendil on lõpmatult suur pingevõimendus ( K ja op-amp=∞), lõpmatult suur sisendtakistus, lõpmatult väike väljundtakistus, lõpmatult suur CMRR ja lõpmatult lai töösagedusriba. Loomulikult ei saa praktikas ühtki neist omadustest täielikult realiseerida, kuid neile on võimalik läheneda paljude valdkondade jaoks piisaval määral.

Joonisel 6.1 on näidatud kaks op-amp sümboli versiooni - lihtsustatud (a) ja täiendavate klemmidega toiteahelate ja sageduse korrigeerimise ahelate ühendamiseks (b).

Joonis 6.1. OS-i sümbolid

Ideaalse op-võimendi omadustele esitatavatest nõuetest lähtuvalt on võimalik sünteesida selle sisemine struktuur, mis on toodud joonisel 6.2.

Joonis 6.2. Operatsioonivõimendi plokkskeem

Joonisel 6.3 on näidatud lihtsa operatsioonivõimendi lihtsustatud elektriahel, mis realiseerib joonisel 6.2 kujutatud plokkskeemi.

Joonis 6.3. Lihtne op-amp ahel

See ahel sisaldab sisendkaugjuhtimispulti (VT 1 ja VT 2) koos voolupeegliga (VT 3 ja VT 4), vaheastmeid OK (VT 5) ja OE-ga (VT 6) ning väljundvooluvõimendit transistoridel VT. 7 ja VT 8 . Op-amp võib sisaldada sageduse korrigeerimise ahelaid (Ccor), toiteallika ja termilise stabiliseerimise ahelaid (VD 1, VD 2 jne), IST jne. Bipolaarne toiteallikas võimaldab signaali puudumisel galvaanilist sidet operatsioonivõimendi astmete ja selle sisendite ja väljundi nullpotentsiaalide vahel. Kõrge sisendtakistuse saavutamiseks saab sisendi kaugjuhtimispulti teostada alalisvoolul. Tuleb märkida, et op-amp vooluahela lahendusi on väga erinevaid, kuid nende ehituse põhiprintsiibid on üsna täielikult illustreeritud joonisel 6.3.

6.2. Operatsioonivõimendi peamised parameetrid ja omadused

Operatsioonivõimendi peamine parameeter on pinge võimendus ilma tagasisideta K u op-amp, mida nimetatakse ka pinge koguvõimenduseks. Bassi- ja kesksagedusaladel on see mõnikord tähistatud K u Op-amp 0 ja võib ulatuda mitmekümne ja sadade tuhandeteni.

Operatsioonivõimendi olulised parameetrid on selle täpsuse parameetrid, mille määrab sisendi diferentsiaalaste. Kuna kaugjuhtimispuldi täpsusparameetreid käsitleti alajaotises 5.5, piirdume siin nende loetlemisega:

◆ nullnihke pinge U cm;

◆ nullnihke pinge temperatuuritundlikkus dU cm/dT;

◆ eelpingevool Δ ma sisestan;

◆ keskmine sisendvool Sisestasin kolma.

Operatsioonivõimendi sisend- ja väljundahelad on esindatud sisendiga R sisend ja nädalavahetustel R operatsioonivõimendist välja ilma OOS-ahelateta op-amprite jaoks antud takistused. Väljundahela jaoks on antud ka sellised parameetrid nagu maksimaalne väljundvool Ma väljastan OU ja minimaalne koormustakistus R n min ja mõnikord ka maksimaalne kandevõime. Operatsioonivõimendi sisendahelas võib olla mahtuvus sisendite ja ühise siini vahel. Operatiivvõimendi sisend- ja väljundahelate lihtsustatud ekvivalentskeemid on toodud joonisel 6.4.

Joonis 6.4. Operatsioonivõimendi lihtne lineaarne makromudel

Operatsioonivõimendi parameetritest väärib märkimist CMRR ja toiteallika ebastabiilsuse mõju sumbumise koefitsient KOVNP=20lg·(Δ E/Δ U sisse). Mõlemad parameetrid tänapäevastes op-võimendites on (60...120) dB piires.

Operatsioonivõimendi energiaparameetrid hõlmavad toiteallikate pinget ±E, voolutarbimist (rahuolekus) I P ja energiatarve. Tavaliselt, I P ulatub kümnendikku - kümneid milliampreid ja voolutarve on üheselt määratud I P, ühikud - kümned millivatid.

Operatsioonivõimendi maksimaalsed lubatud parameetrid on järgmised:

◆ maksimaalne võimalik (moonutusteta) väljundsignaali pinge Sa välja max (tavaliselt veidi vähem kui E);

◆ maksimaalne lubatud võimsuse hajumine;

◆ töötemperatuuri vahemik;

◆ maksimaalne toitepinge;

◆ maksimaalne sisenddiferentsiaalpinge jne.

Sagedusparameetrid hõlmavad absoluutset piirsagedust või ühtse võimenduse sagedust f T (F 1), st. sagedus, mille juures K u op-amp=1. Mõnikord kasutatakse väljundpinge pöördekiiruse ja settimisaja mõistet, mis on määratud operatsioonivõimendi reaktsiooniga selle sisendis oleva pinge tõusu mõjule. Mõne operatsioonivõimendi jaoks on ette nähtud ka lisaparameetrid, mis kajastavad nende konkreetset rakendusvaldkonda.

Operatsioonivõimendi amplituudi (ülekande) karakteristikud on toodud joonisel 6.5 kahe sõltuvuse kujul Sa välja=f(U sisse) inverteerivate ja mitteinverteerivate sisendite jaoks.

Kui operatiivvõimendi mõlemas sisendis U sisse=0, siis on väljundis veapinge oh oh, mis on määratud operatsioonivõimendi täpsusparameetritega (joonis 6.5 oh oh pole selle väiksuse tõttu näidatud).

Joonis 6.5. AH OU

Operatsioonivõimendi sagedusomadused on esindatud selle sageduskarakteristikuga, mis teostatakse logaritmilisel skaalal, K u op-amp=φ(log f). Seda sageduskarakteristikut nimetatakse logaritmiliseks (LAFC), selle tüüpiline vorm on näidatud joonisel 6.6 (operatsioonivõimendi K140UD10 puhul).

Joonis 6.6. LFC ja LFCH OU K140UD10

Sagedussõltuvus K u op-amp võib esitada järgmiselt:

Siin τ V operatsioonivõimendi ajakonstant, mis kell M sisse=3 dB määrab operatsioonivõimendi sidestussageduse (katkestussageduse) (vt joonis 6.6);

ω V= 1/τ V= 2π f sisse.

Asendades väljendis for K u op-amp τ V 1/ω võrra V, saame kirje LACHH:

Bassil ja kesksagedusel K u Op-amp= 20 lg K u Op-amp 0, st. LFC on sagedusteljega paralleelne sirgjoon. Mõne lähendusega võime eeldada, et HF piirkonnas väheneb K u Op-amp toimub sagedusega 20 dB kümnendi kohta (6 dB oktaavi kohta). Siis ω>>ω jaoks V saate LAC-i väljendit lihtsustada:

K u op-amp= 20 lg K u Op-amp 0–20log(ω/ω V).

Seega on HF-piirkonna LFC-d kujutatud sirgjoonega, mille kalle sagedustelje suhtes on 20 dB/dec. LFC-d esindavate vaadeldavate sirgjoonte lõikepunkt vastab konjugatsioonisagedusele ω V (f sisse). Erinevus tegeliku ja ideaalse LFC vahel sagedusel f sisse on umbes 3 dB (vt joonis 6.6), kuid analüüsi mugavuse huvides on see lubatud ja tavaliselt nimetatakse selliseid graafikuid nn. Bode diagrammid .

Tuleb märkida, et LFC summutuskiirus 20 dB/dec on tüüpiline välise või sisemise korrektsiooniga korrigeeritud operatsioonivõimenditele, mille põhiprintsiipe käsitletakse allpool.

Joonisel 6.6 on näidatud ka logaritmiline faasireaktsioon (LPFC), mis on väljundsignaali faasinihke j sõltuvus sisendsignaalist sagedusest. Tegelik LFFC erineb esitletust mitte rohkem kui 6° võrra. Pange tähele, et tegeliku operatsioonivõimendi puhul j = 45° sagedusel f sisse, ja sagedusega f T-90°. Seega võib töösignaali sisemine faasinihe HF-piirkonna korrigeeritud operatsioonivõimendis ulatuda 90°-ni.

Eespool käsitletud operatsioonivõimendi parameetrid ja omadused kirjeldavad seda OOS-ahelate puudumisel. Kuid nagu märgitud, kasutatakse operatsioonivõimendeid peaaegu alati koos OOS-ahelatega, mis mõjutavad oluliselt kõiki selle indikaatoreid.

6.3. Inverteeriv võimendi

Op-võimendeid kasutatakse kõige sagedamini inverteerivates ja mitteinverteerivates võimendites. Op-amp inverteeriva võimendi lihtsustatud skeem on näidatud joonisel 6.7.

Joonis 6.7. Operatsioonivõimendi inverteeriv võimendi

Takisti R 1 tähistab signaaliallika sisemist takistust Näiteks, R os abil on OU kaetud ∥OOSN-iga.

Ideaalse operatsioonivõimendi korral kipub pingeerinevus sisendklemmidel olema null ja kuna mitteinverteeriv sisend on ühendatud takisti R2 kaudu ühissiiniga, siis potentsiaal punktis a peab olema ka null (“virtuaalne null”, “nähtav maa”). Selle tulemusena võime kirjutada: I g=I os, st. Näiteks/R 1 =–Sa välja/R os. Siit saame:

K U inv = Sa välja/Näiteks = –R os/R 1 ,

need. ideaalse opvõimendiga K U inv määratakse välistakistite väärtuste suhte järgi ja see ei sõltu op-võimendist endast.

Tõelise operatsioonivõimendi jaoks on vaja arvestada selle sisendvooluga ma sisestan, st. I g=I os+ma sisestan või ( Näiteks–U sisse)/R 1 =(U sisse–Sa välja)/R os+U sisse/U sisend, Kus U sisse- signaali pinge operatsioonivõimendi inverteerivas sisendis, st. punktis a. Siis saame tõelise operatsioonivõimendi jaoks:

Lihtne on näidata, et kui OOS sügavus on üle 10, s.t. K u op-amp/K U inv=F>10, arvutusviga K U inv ideaalse operatsioonivõimendi puhul ei ületa see 10%, mis on enamiku praktiliste juhtumite jaoks täiesti piisav.

Takisti väärtused op-amp seadmetes ei tohiks ületada mitut megaoomi, vastasel juhul võib lekkevoolude, op-amp sisendvoolude jms tõttu tekkida võimendi ebastabiilne töö. Kui arvutuse tulemusena väärtus R osületab maksimaalse soovitatava väärtuse, siis on soovitatav kasutada T-kujulist OOS-ketti, mis mõõdukate takisti väärtuste korral võimaldab täita samaväärse suure takistuse funktsiooni R os(Joonis 6.7b) . Sel juhul võite kirjutada:

Praktikas eeldatakse sageli, et R OS 1 =R OS 2 >>R OS 3 ja väärtus R Tavaliselt antakse 1, nii et R OS 3 määratakse üsna lihtsalt.

Op-amp inverteeriv võimendi sisendtakistus R sisend inv on suhteliselt väikese väärtusega, mille määrab paralleelne OOS:

R sisend inv = R 1 +(R os/K u op-amp + 1)∥R sisend≈ R 1 ,

need. üldiselt K u op-amp sisendtakistus määratakse väärtusega R 1 .

Inverteeriv võimendi väljundtakistus R out inv tegelikus operatsioonivõimendis erineb see nullist ja on määratletud kui R out op amp, ja keskkonnakaitse sügavus F. Kui F>10, võime kirjutada:

R out inv = R out op amp/F = R out op amp/K U inv/K u op-amp.

Operatsioonivõimendi LFC abil saate esitada inverteeriva võimendi sagedusvahemikku (vt joonis 6.6) ja

f OC = f T/K U inv.

Limiit, mida saate K U inv=1, st. saada inverteeriv järgija. Sel juhul saame op-võimendi minimaalse väljundtakistuse:

R välja = R out op amp/K u op-amp.

Võimendis, mis kasutab võimendi väljundis tõelist operatsioonivõimendit U sisse=0 veapinge on alati olemas oh oh, loodud U cm ja Δ ma sisestan. Selleks, et vähendada oh oh püüdke võrdsustada op-amp sisenditega ühendatud samaväärseid takisteid, st. võta R 2 =R 1 ∥R os(Vt joonis 6.7a). Kui see tingimus on täidetud K U inv>10 saab kirjutada:

oh oh ≈ U cm K U arv + Δ I in R os.

Vähendada oh oh võimalik, rakendades mitteinverteerivale sisendile täiendavat eelpinget (kasutades täiendavat jagurit) ja vähendades kasutatud takistite väärtusi.

Vaadeldavast inverteerivast UPT-st lähtuvalt on võimalik luua vahelduvvooluvõimendi, ühendades sisendisse ja väljundisse eralduskondensaatorid, mille nimiväärtused määratakse antud sagedusmoonutusteguri alusel. M n(vt alajaotis 2.5).

6.4. Mitteinverteeriv võimendi

Mitteinverteeriva op-võimendi lihtsustatud skeem on näidatud joonisel 6.8.

Joonis 6.8. Mitteinverteeriv op-amp võimendi

Lihtne on näidata, et mitteinverteerivas võimendis on op-amp kaetud POSN-iga. Kuna U sisse Ja U os tarnitakse erinevatele sisenditele, siis ideaalse operatsioonivõimendi jaoks võime kirjutada:

U sisse = Sa välja R 1 /(R 1 + R os),

kust mitteinverteeriva võimendi pingevõimendus:

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

K U mitteinv = 1 + |K U inv|.

Reaalsel op-võimendil põhineva mitteinverteeriva võimendi puhul kehtivad saadud avaldised tagasiside sügavusel F>10.

Mitteinverteeriva võimendi sisendtakistus R-sisend mitteinv on suur ja selle määrab sügav ühtlane OOS ja kõrge väärtus R sisend:

R-sisend mitteinv = R sisend· F = R sisend· K U OU/K U mitteinv.

Mitteinverteeriva op-võimendi väljundtakistus määratakse nagu inverteeriva võimendi puhul, kuna mõlemal juhul kehtib pingekaitsesüsteem:

Välja mitteinv = R operatsioonivõimendist välja/F = R operatsioonivõimendist välja/K U mitteinv/K U OU.

Töösagedusriba laiendamine mitteinverteerivas võimendis saavutatakse samamoodi nagu inverteerivas võimendis, s.t.

f OC = f T/K U mitteinv.

Vooluvea vähendamiseks mitteinverteerivas võimendis, sarnaselt inverteeriva võimendiga, peab olema täidetud järgmine tingimus:

R g = R 1 ∥R os.

Suurte jaoks kasutatakse sageli mitteinverteerivat võimendit R g(mis on võimalik tänu suurele R-sisend mitteinv), seetõttu ei ole selle tingimuse täitmine takisti väärtuste väärtuse piirangute tõttu alati võimalik.

Ühisrežiimi signaali olemasolu inverteerivas sisendis (edastatakse ahela kaudu: mitteinverteeriv op-amp sisend ⇒ op-amp väljund ⇒ R os⇒ operatsioonivõimendi sisendi inverteerimine) toob kaasa suurenemise oh oh, mis on kõnealuse võimendi puuduseks.

Keskkonnakaitse sügavuse suurendamisega on võimalik saavutada K U mitteinv=1, st. mitteinverteeriva repiiteri saamine, mille skeem on näidatud joonisel 6.9.

Joonis 6.9. Mitteinverteeriv op-võimendi järgija

Siin saavutatakse 100% POSN, nii et sellel repiiteril on kõrgeim sisend ja minimaalne väljundtakistus ning seda kasutatakse, nagu iga repiiter, sobitusastmena. Mitteinverteeriva jälgija jaoks võite kirjutada:

oh oh ≈ U cm + I in sr R g ≈ I in sr R g,

need. Veapinge võib ulatuda üsna suurte väärtusteni.

Vaadeldavast mitteinverteerivast UPT-st lähtuvalt on võimalik luua ka vahelduvvooluvõimendi, ühendades sisendisse ja väljundisse eralduskondensaatorid, mille nimiväärtused määratakse antud sagedusmoonutusteguri alusel. M n(vt alajaotis 2.5).

Lisaks op-võimenditel põhinevatele inverteerivatele ja mitteinverteerivatele võimenditele on saadaval ka erinevad op-võimendi valikud, millest mõningaid käsitletakse allpool.

6.5. Operatsioonivõimendi juhtseadmete tüübid

erinevus (diferentsiaal) võimendi , mille skeem on näidatud joonisel 6.10.

Joonis 6.10. Op-amp-diferentsivõimendi

Op-amp-diferentsivõimendit võib käsitleda kui inverteeriva ja mitteinverteeriva võimendi valikute kombinatsiooni. Sest Sa välja erinevusvõimendi saab kirjutada:

Sa välja = K U inv U in 1 +K U noninv U sisse 2 R 3 /(R 2 + R 3).

Tavaliselt, R 1 =R 2 ja R 3 =R os, seega, R 3 /R 2 =R os/R 1 =m. Laiendades võimendustegurite väärtusi, saame:

Sa välja = m(U sisse 2 – U sisse 1),

Erijuhtumiks, kui R 2 =R 3 saame:

Sa välja = U sisse 2 – U sisse 1 .

Viimane väljend selgitab selgelt kõnealuse võimendi nime ja otstarbe päritolu.

Operatsioonivõimendil põhinevas erinevusvõimendis tekib sama sisendpinge polaarsusega ühismoodi signaal, mis suurendab võimendi viga. Seetõttu on erinevusvõimendis soovitav kasutada suure CMRR-iga op-võimendit. Vaadeldava erinevusvõimendi puuduste hulka kuuluvad sisendtakistuste erinevad väärtused ja võimenduse reguleerimise raskused. Need raskused on kõrvaldatud seadmetes, mis kasutavad mitut operatsioonivõimendit, näiteks kahe repiiteriga diferentsiaalvõimendis (joonis 6.11).

Joonis 6.11. Repiiteri erinevuse võimendi

See ahel on sümmeetriline ja seda iseloomustavad samad sisendtakistused ja madal veapinge, kuid see töötab ainult sümmeetrilise koormuse korral.

Operatsioonivõimendi põhjal saab seda teha logaritmiline võimendi , mille skemaatiline diagramm on näidatud joonisel 6.12.

Joonis 6.12 Logaritmiline op-võimendi

VD-dioodi P-n-siirde on ettepoole eelpingestatud. Eeldades, et op-amp on ideaalne, saame voolud võrdsustada I 1 ja I 2. Kasutades p-n-siirde voolu-pinge karakteristiku avaldist ( I=I 0 ), on lihtne kirjutada:

U sisse/R= I 0 ·,

kust pärast teisendusi saame:

Sa välja = φ T ln( U sisse/I 0 R) = φ T(ln U sisse-ln I 0 R),

millest järeldub, et väljundpinge on võrdeline sisendi logaritmiga ja liige ln I 0 R tähistab logaritmi viga. Tuleb märkida, et see avaldis kasutab pingeid, mis on normaliseeritud ühele voltile.

Dioodi VD ja takisti R asendamisel saame antilog võimendi .

Inverteerimine ja mittepööramine lisajad op-võimenditel, mida nimetatakse ka summeerimisvõimenditeks või analoogliitjateks. Joonisel 6.13 on kujutatud kolme sisendiga inverteeriva summari skemaatiline diagramm. See seade on teatud tüüpi inverteeriv võimendi, mille paljud omadused avalduvad ka inverteerivas summaris.

Joonis 6.13. Op-amp inverteeriv liiter

U sisse 1 /R 1 + U sisse 2 /R 2 + U sisse 3 /R 3 = –Sa välja/R os,

Saadud avaldisest järeldub, et seadme väljundpinge on sisendpingete summa, mis on korrutatud võimendusega K U inv. Kell R os=R 1 =R 2 =R 3 K U inv=1 ja Sa välja=U sisse 1 +U sisse 2 +U sisse 3 .

Kui tingimus on täidetud R 4 =R os∥R 1 ∥R 2 ∥R 3, praegune viga on väike ja seda saab arvutada valemi abil oh oh=U cm(K U osh+1), kus K U osh=R os/(R 1 ∥R 2 ∥R 3) - veasignaali võimendustegur, mille väärtus on suurem kui K U inv.

Mitteinverteeriv liitja on rakendatud samamoodi nagu inverteeriv summaar, kuid see peaks kasutama operatsioonivõimendi mitteinverteerivat sisendit analoogselt mitteinverteeriva võimendiga.

Takisti Roc asendamisel kondensaatoriga C (joonis 6.14) saame seadme nn. analoog integraator või lihtsalt integraator.

Joonis 6.14. Analoogintegraator op-võimendil

Ideaalse operatsioonivõimendiga saab voolusid võrdsustada I 1 ja I 2, millest järeldub:

Mida suurem on integreerimise täpsus, seda suurem K u op-amp.

Lisaks vaadeldavatele juhtseadmetele kasutatakse opvõimendeid paljudes pidevates seadmetes, mida arutatakse allpool.

6.6. Sagedusreaktsiooni korrigeerimine

Sageduskarakteristikute korrigeerimise all peame silmas LFC ja LPFC muutmist, et saada op-amp seadmetelt vajalikud omadused ja eelkõige tagada stabiilne töö. Tavaliselt kasutatakse OOS-ahelatega op-võimendit, kuid teatud tingimustel võib signaali sageduskomponentide täiendavate faasinihete tõttu OOS muutuda POS-iks ja võimendi kaotab stabiilsuse. Kuna OOS on väga sügav ( βK U>>1), on eriti oluline tagada faasinihe sisend- ja väljundsignaalide vahel, et tagada ergastuse puudumine.

Varem oli joonisel 6.6 näidatud korrigeeritud op-võimendi LFC ja LPFC vastus kujul, mis on samaväärne ühe võimendi astme LFC ja LPFC vastusega, millest on näha, et maksimaalne faasinihe φ<90° при K u op-amp>1 ja võimenduse vähenemise kiirus HF piirkonnas on 20 dB/dets. Selline võimendi on stabiilne mis tahes tagasiside sügavusel.

Kui operatsioonivõimendi koosneb mitmest kaskaadist (näiteks kolmest), millest igaühe sumbumissagedus on 20 dB/dec ja mis ei sisalda parandusahelaid, siis selle LFC ja LPFC on keerulisema kujuga (joonis 6.15). sisaldavad ebastabiilsete võnkumiste piirkonda.

Joonis 6.15. Korrigeerimata op-võimendi LFC ja LPFC

Op-amp seadmete stabiilse töö tagamiseks kasutatakse sisemisi ja väliseid korrektsiooniahelaid, mille abil saavutatakse avatud tagasisideahelaga faasinihe maksimaalsel töösagedusel alla 135°. Sel juhul selgub automaatselt, et langus K u op-amp on umbes 20dB/dets.

Seda on mugav kasutada op-amp seadmete stabiilsuse kriteeriumina Bode kriteerium , mis on sõnastatud järgmiselt: "Tagasisideahelaga võimendi on stabiilne, kui selle võimenduse sirgjoon detsibellides ületab LFC-d 20 dB / dets. Seega võime järeldada, et operatsioonivõimendi sageduse korrigeerimise ahelad peavad tagama summutuskiiruse K U inv(K U mitteinv) kõrgsagedusel umbes 20 dB/dets.

Sageduse korrigeerimise ahelad võivad olla ehitatud pooljuhtkristalli sisse või luua väliste elementide abil. Lihtsaim sageduse korrigeerimise ahel viiakse läbi, ühendades operatiivvõimendi väljundiga piisavalt suure väärtusega kondensaatori Ccor. On vaja, et ajakonstant τ tuum=R välja C kor oli suurem kui 1/2π f sisse. Sel juhul muudetakse operatiivvõimendi väljundis olevad kõrgsageduslikud signaalid C-südamikuks ja töösagedusriba kitseneb, enamik neist üsna oluliselt, mis on seda tüüpi korrektsiooni oluline puudus. Sel juhul saadud LFC on näidatud joonisel 6.16.

Joonis 6.16. Sageduse korrigeerimine välise kondensaatoriga

Majanduslangus K u op-amp siin ei ületa see 20 dB/dec ja operatsioonivõimendi ise on OOS-i kasutuselevõtuga stabiilne, kuna φ ei ​​ületa kunagi 135°.

Integreerivate (lagi korrigeerimise) ja diferentseerivate (täiustatud parandus) tüüpide parandusahelad on arenenumad. Üldiselt avaldub integreeriv tüüpi korrektsioon sarnaselt korrigeeriva (koormus)mahtuvuse toimele. Korrigeeriv RC-ahel on ühendatud operatsioonivõimendi astmete vahele (joonis 6.17).

Joonis 6.17. Integreeriv tüüpi sageduse korrigeerimine

Takisti R 1 on op-amp astme sisendtakistus ja parandusahel ise sisaldab R-südamikku ja C-südamikku. Selle vooluahela ajakonstant peab olema suurem kui mis tahes operatsioonivõimendi astme ajakonstant. Kuna parandusahel on kõige lihtsam ühelüliline RC-ahel, siis selle LFC kalle on 20 dB/dec, mis tagab võimendi stabiilse töö. Ja sel juhul ahendab parandusahel võimendi töösagedusriba, aga lai riba ei anna ikkagi midagi, kui võimendi on ebastabiilne.

Suhteliselt laia ribaga op-võimendi stabiilne töö on tagatud diferentsiaal-tüüpi korrektsiooniga. Selle LFC ja LPFC korrigeerimise meetodi olemus seisneb selles, et RF-signaalid liiguvad operatiivvõimendi sees, möödudes osast kaskaadidest (või elementidest), mis tagavad maksimaalse K u Op-amp 0, neid ei võimendata ega faasi viivitata. Selle tulemusena võimendatakse RF-signaale vähem, kuid nende väike faasinihe ei too kaasa võimendi stabiilsuse kaotust. Diferentsiaal-tüüpi korrektsiooni rakendamiseks ühendatakse operatsioonivõimendi spetsiaalsete klemmidega paranduskondensaator (joonis 6.18).

Joonis 6.18. Diferentsiaaltüüpi sageduse korrigeerimine

Lisaks vaadeldavatele parandusahelatele on teada ka teisi (vt näiteks). Parandusskeemide ja nende elementide väärtuste valimisel peaksite viitama viitekirjandusele (näiteks).