نشان داده شده است که هنگام استفاده از یک تقویت کننده عملیاتی در مدارهای سوئیچینگ مختلف، بهره یک مرحله روی یک تقویت کننده عملیاتی منفرد (op-amp) تنها به عمق بازخورد بستگی دارد. بنابراین، در فرمول های تعیین بهره یک مدار خاص، از بهره خود آپ امپ، به اصطلاح، "لخت" استفاده نمی شود. یعنی دقیقا همان ضریب عظیمی که در کتاب های مرجع ذکر شده است.

سپس کاملاً مناسب است که این سؤال را بپرسیم: "اگر نتیجه نهایی (بهره) به این ضریب "مرجع" عظیم بستگی ندارد، پس چه تفاوتی بین یک آپ امپ با بهره چند هزار برابری و با همان op-amp، اما با سود چند صد هزار و حتی میلیونی؟

جواب بسیار ساده است. در هر دو مورد، نتیجه یکسان خواهد بود، بهره آبشار توسط عناصر OOS تعیین می شود، اما در حالت دوم (op-amp با بهره بالا) مدار با ثبات تر، دقیق تر، عملکرد چنین عمل می کند. مدارها بسیار بالاتر است. بی دلیل نیست که آپ امپ ها به دو دسته اپ امپ های همه منظوره و با دقت بالا و دقیق تقسیم می شوند.

همانطور که قبلاً ذکر شد، تقویت کننده های مورد نظر نام خود را "عملیاتی" در آن زمان دور دریافت کردند که عمدتاً برای انجام عملیات ریاضی در رایانه های آنالوگ (AVM) استفاده می شد. اینها عملیات جمع، تفریق، ضرب، تقسیم، مربع کردن و بسیاری از توابع دیگر بودند.

این آپ امپرهای ضد غرق با استفاده از لوله های خلاء و بعداً بر روی ترانزیستورهای گسسته و سایر اجزای رادیویی ساخته شدند. به طور طبیعی، ابعاد عملیات آمپر ترانزیستوری حتی به اندازه کافی بزرگ بود که در طراحی های آماتور مورد استفاده قرار گیرد.

و تنها پس از آن که به لطف دستاوردهای الکترونیک یکپارچه ، op-amp ها به اندازه یک ترانزیستور کم مصرف معمولی شدند ، استفاده از این قطعات در تجهیزات خانگی و مدارهای آماتور توجیه شد.

به هر حال، آپ امپ های مدرن، حتی با کیفیت نسبتاً بالا، قیمتی بسیار بالاتر از دو یا سه ترانزیستور ندارند. این عبارت در مورد تقویت کننده های عملیاتی با هدف عمومی صدق می کند. تقویت کننده های دقیق ممکن است کمی بیشتر قیمت داشته باشند.

در مورد مدارهای آپ امپ، ارزش این را دارد که فوراً به این نکته اشاره کنیم که همه آنها برای تغذیه از یک منبع تغذیه دوقطبی طراحی شده اند. این حالت "آشناترین" برای op-amp است و به آن اجازه می دهد نه تنها سیگنال های ولتاژ متناوب، به عنوان مثال یک موج سینوسی، بلکه سیگنال های جریان مستقیم یا به سادگی ولتاژ را نیز تقویت کند.

و با این حال، اغلب، مدارهای op-amp از یک منبع تک قطبی تغذیه می شوند. درست است، در این مورد امکان افزایش ولتاژ ثابت وجود ندارد. اما اغلب اتفاق می افتد که این به سادگی ضروری نیست. مدارهای با منبع تغذیه تک قطبی بعداً مورد بحث قرار خواهند گرفت، اما فعلاً اجازه دهید مدارهای روشن کردن آپ امپ را با منبع تغذیه دوقطبی ادامه دهیم.

ولتاژ تغذیه اکثر آپ امپ ها اغلب در محدوده ± 15 ولت است. اما این به هیچ وجه به این معنی نیست که این ولتاژ را نمی توان کمی پایین تر آورد (بالاتر توصیه نمی شود). بسیاری از آپ امپ ها با شروع از ± 3 ولت و برخی از مدل ها حتی 1.5 ولت بسیار پایدار عمل می کنند. این امکان در اسناد فنی (DataSheet) نشان داده شده است.

تکرار کننده ولتاژ

از نظر طراحی مدار ساده ترین دستگاه آپ امپ است که مدار آن در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1. مدار پیرو ولتاژ تقویت کننده عملیاتی

به راحتی می توان فهمید که برای ایجاد چنین مداری به جز خود آپ امپ به یک قطعه واحد نیاز نیست. درست است، شکل اتصال برق را نشان نمی دهد، اما چنین نمودارهایی همیشه یافت می شوند. تنها چیزی که می‌خواهم به آن توجه کنم این است که بین پایه‌های پاور آپ‌آمپ (مثلاً برای op-amp KR140UD708 اینها پایه‌های 7 و 4 هستند) و سیم مشترک باید با ظرفیت 0.01...0.5 وصل شود. µF.

هدف آنها این است که عملکرد اپ امپ را پایدارتر کنند تا از خود تحریک مدار در امتداد مدارهای قدرت خلاص شوند. خازن ها باید تا حد امکان به پایه های برق ریز مدار متصل شوند. گاهی اوقات یک خازن در هر گروه از چندین میکرو مدار متصل می شود. همین خازن ها را می توان روی بردهایی با ریزمدارهای دیجیتال دید، هدف آنها یکسان است.

سود تکرار کننده برابر است با وحدت، یا به عبارت دیگر، هیچ سودی وجود ندارد. پس چرا به چنین طرحی نیاز داریم؟ در اینجا کاملاً مناسب است که به یاد داشته باشید که یک مدار ترانزیستور وجود دارد - یک پیرو امیتر که هدف اصلی آن تطبیق آبشارها با مقاومت های ورودی مختلف است. به این گونه آبشارها (تکرارکننده ها) آبشار بافر نیز گفته می شود.

امپدانس ورودی یک تکرار کننده به یک آپ امپ به عنوان حاصل ضرب امپدانس ورودی آپ امپ و بهره آن محاسبه می شود. به عنوان مثال، برای UD708 ذکر شده، امپدانس ورودی تقریباً 0.5 MOhm، بهره حداقل 30000 و شاید بیشتر است. اگر این اعداد ضرب شوند، مقاومت ورودی 15 GOhm است که با مقاومت عایق های نه چندان باکیفیت مانند کاغذ قابل مقایسه است. چنین نتیجه بالایی با یک دنبال کننده امیتر معمولی بعید است به دست آید.

برای اطمینان از عدم ایجاد شک و تردید در توضیحات، در زیر شکل هایی ارائه می شود که عملکرد تمام مدارهای توصیف شده در برنامه شبیه ساز Multisim را نشان می دهد. البته، همه این مدارها را می توان روی تخته های نان مونتاژ کرد، اما هیچ نتیجه بدتری روی صفحه نمایشگر نمی توان به دست آورد.

در واقع، اینجا حتی کمی بهتر است: لازم نیست برای تعویض یک مقاومت یا ریزمدار، از یک قفسه در جایی بالا بروید. در اینجا همه چیز، حتی ابزارهای اندازه گیری، در برنامه است و می توان با استفاده از ماوس یا صفحه کلید "به آنها دسترسی پیدا کرد".

شکل 2 یک مدار تکرار کننده ساخته شده در برنامه Multisim را نشان می دهد.

شکل 2.

تحقیق در مورد مدار بسیار ساده است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، یک سیگنال سینوسی با فرکانس 1 کیلوهرتز و دامنه 2 ولت از ژنراتور عملکردی به ورودی تکرار کننده عرضه می شود.

شکل 3.

سیگنال در ورودی و خروجی تکرار کننده توسط یک اسیلوسکوپ مشاهده می شود: سیگنال ورودی به صورت پرتو آبی و پرتو خروجی به صورت قرمز نمایش داده می شود.

شکل 4.

خواننده با دقت ممکن است بپرسد که چرا سیگنال خروجی (قرمز) دو برابر بزرگتر از سیگنال آبی ورودی است؟ همه چیز بسیار ساده است: با حساسیت یکسان کانال های اسیلوسکوپ، هر دو سینوسی با دامنه و فاز یکسان در یکی می شوند و پشت یکدیگر پنهان می شوند.

برای اینکه هر دو را به یکباره ببینیم، باید حساسیت یکی از کانال ها، در این مورد، ورودی را کاهش می دادیم. در نتیجه، اندازه سینوسی آبی دقیقاً نصف صفحه نمایش شد و دیگر پشت سینوسی قرمز پنهان نشد. اگر چه، برای دستیابی به نتیجه مشابه، می توانید به سادگی پرتوها را با استفاده از کنترل های اسیلوسکوپ جابجا کنید و حساسیت کانال ها را ثابت نگه دارید.

هر دو سینوسی به طور متقارن نسبت به محور زمان قرار دارند که نشان می دهد جزء ثابت سیگنال صفر است. اگر یک قطعه DC کوچک به سیگنال ورودی اضافه کنید چه اتفاقی می افتد؟ ژنراتور مجازی به شما امکان می دهد موج سینوسی را در امتداد محور Y جابجا کنید.

شکل 5.

آنچه از این نتیجه حاصل شد در شکل 6 نشان داده شده است.

شکل 6.

قابل توجه است که سینوسی های ورودی و خروجی به اندازه نیم ولت بالا رفته اند، بدون اینکه تغییری ایجاد کنند. این نشان می دهد که تکرار کننده به طور دقیق جزء DC سیگنال را ارسال کرده است. اما اغلب آنها سعی می کنند از شر این جزء ثابت خلاص شوند و آن را برابر با صفر کنند، که از استفاده از عناصر مدار مانند خازن های جداکننده بین مرحله ای جلوگیری می کند.

تکرار کننده، البته، خوب و حتی زیبا است: به یک بخش اضافی نیاز نبود (اگرچه مدارهای تکرار کننده با "افزودنی" جزئی وجود دارد)، اما آنها هیچ سودی دریافت نکردند. پس این چه نوع تقویت کننده ای است؟ برای ساخت آمپلی فایر کافی است فقط چند جزئیات اضافه کنید، نحوه انجام این کار بعدا توضیح داده خواهد شد.

تقویت کننده معکوس

برای ایجاد یک تقویت کننده معکوس از یک op-amp، کافی است فقط دو مقاومت اضافه کنید. آنچه از این نتیجه حاصل شد در شکل 7 نشان داده شده است.

شکل 7. مدار تقویت کننده معکوس

بهره چنین تقویت کننده ای با استفاده از فرمول K=-(R2/R1) محاسبه می شود. علامت منفی به این معنی نیست که تقویت کننده بد است، بلکه فقط سیگنال خروجی در فاز مخالف سیگنال ورودی است. بیخود نیست که تقویت کننده را تقویت کننده معکوس می نامند. در اینجا مناسب است ترانزیستور متصل شده بر اساس مدار با OE را به یاد بیاوریم. در آنجا نیز سیگنال خروجی در کلکتور ترانزیستور با سیگنال ورودی اعمال شده به پایه خارج از فاز است.

اینجاست که ارزش این را دارد که به خاطر بسپارید چقدر باید تلاش کنید تا یک موج سینوسی تمیز و بدون اعوجاج در کلکتور ترانزیستور به دست آورید. لازم است که بایاس در پایه ترانزیستور بر این اساس انتخاب شود. این معمولاً بسیار پیچیده است و به پارامترهای زیادی بستگی دارد.

هنگام استفاده از آپ امپ کافی است به سادگی مقاومت مقاومت ها را طبق فرمول محاسبه کرده و بهره مشخص شده را بدست آورید. به نظر می رسد که راه اندازی یک مدار با استفاده از یک آپ امپ بسیار ساده تر از راه اندازی چندین مرحله ترانزیستور است. بنابراین، نیازی به ترس از این نیست که این طرح کار نمی کند، کار نخواهد کرد.

شکل 8.

همه چیز در اینجا مانند شکل های قبلی است: سیگنال ورودی با رنگ آبی و سیگنال بعد از تقویت کننده با رنگ قرمز نشان داده شده است. همه چیز با فرمول K=-(R2/R1) مطابقت دارد. سیگنال خروجی با ورودی خارج از فاز است (که با علامت منفی در فرمول مطابقت دارد) و دامنه سیگنال خروجی دقیقاً دو برابر ورودی است. که برای نسبت (R2/R1)=(20/10)=2 نیز صادق است. برای ایجاد بهره، به عنوان مثال، 10، کافی است مقاومت مقاومت R2 را به 100KOhm افزایش دهید.

در واقع، مدار تقویت کننده معکوس می تواند تا حدودی پیچیده تر باشد؛ این گزینه در شکل 9 نشان داده شده است.

شکل 9.

یک بخش جدید در اینجا ظاهر شده است - مقاومت R3 (در عوض، به سادگی از مدار قبلی ناپدید شد). هدف آن جبران جریان های ورودی یک آپ امپ واقعی به منظور کاهش ناپایداری دمایی جزء DC در خروجی است. مقدار این مقاومت طبق فرمول R3=R1*R2/(R1+R2) انتخاب می شود.

آپامپ‌های بسیار پایدار مدرن اجازه می‌دهند که ورودی غیر معکوس مستقیماً بدون مقاومت R3 به سیم مشترک متصل شود. اگرچه وجود این عنصر کار بدی نخواهد داشت، اما در مقیاس فعلی تولید، وقتی در همه چیز صرفه جویی می کنند، ترجیح می دهند این مقاومت را نصب نکنند.

فرمول های محاسبه تقویت کننده معکوس در شکل 10 نشان داده شده است. چرا در شکل؟ بله، فقط برای وضوح، در یک خط متن آنقدر آشنا و قابل فهم به نظر نمی رسند، چندان قابل توجه نیستند.

شکل 10.

فاکتور سود قبلا ذکر شد. تنها چیزی که در اینجا قابل توجه است امپدانس های ورودی و خروجی تقویت کننده غیر معکوس است. به نظر می رسد همه چیز با مقاومت ورودی روشن است: به نظر می رسد که برابر با مقاومت مقاومت R1 است، اما مقاومت خروجی باید با استفاده از فرمول نشان داده شده در شکل 11 محاسبه شود.

حرف "K" نشان دهنده ضریب مرجع op-amp است. در اینجا، لطفاً محاسبه کنید که مقاومت خروجی برابر است. نتیجه یک رقم نسبتاً کوچک خواهد بود، حتی برای یک آپ امپ متوسط ​​نوع UD7 با K" آن که بیشتر از 30000 نباشد. در این مورد، این خوب است: هر چه امپدانس خروجی آبشار کمتر باشد (این نه تنها برای آبشارهای آپمپ صدق می‌کند)، هر چه بار قوی‌تر باشد، در شرایط معقول، البته در محدوده‌های محدود، می‌توانید به این آبشار متصل شوید.

در مورد واحد در مخرج فرمول محاسبه مقاومت خروجی باید توجه ویژه ای داشت. فرض کنید که نسبت R2/R1 مثلاً 100 باشد. این دقیقاً همان نسبتی است که در مورد بهره تقویت کننده معکوس 100 به دست می آید. معلوم می شود که اگر این واحد دور ریخته شود، آنگاه چیزی تغییر نخواهد کرد. . در واقع، این صحیح نیست.

فرض کنید مقاومت مقاومت R2 مانند یک تکرار کننده صفر باشد. سپس، بدون یک، کل مخرج به صفر تبدیل می شود و مقاومت خروجی به همان اندازه صفر خواهد بود. و اگر بعداً این صفر به جایی در مخرج فرمول ختم شود، چگونه دستور می دهید که بر آن تقسیم شود؟ بنابراین، خلاص شدن از شر این واحد به ظاهر ناچیز به سادگی غیرممکن است.

شما نمی توانید همه چیز را در یک مقاله بنویسید، حتی یک مقاله نسبتاً بزرگ. بنابراین، هر چیزی که در مقاله بعدی نمی گنجد باید پوشش داده شود. یک تقویت کننده غیر معکوس، یک تقویت کننده دیفرانسیل و یک تقویت کننده تک منبعی توضیح داده خواهد شد. شرح مدارهای ساده برای تست آپ امپ نیز داده خواهد شد.

تا به حال، ما تقویت کننده هایی را در نظر گرفته ایم که از اجزای مجزای جداگانه - ترانزیستورها، دیودها، مقاومت ها مونتاژ شده اند. با استفاده از فناوری مدار مجتمع، همه این اجزای گسسته ضروری را می توان به یک آی سی یکپارچه تبدیل کرد. این فناوری است که در حال حاضر برای ساخت تقویت کننده های عملیاتی (op-amps) استفاده می شود. آنها در ابتدا برای انجام برخی عملیات ریاضی (از این رو نام آن) طراحی شده بودند، اما به سرعت در طیف گسترده ای از مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار گرفتند.

یک آپ امپ ایده آل یک تقویت کننده ایده آل با بهره بی نهایت بالا، پهنای باند بی نهایت گسترده و پاسخ فرکانسی کاملاً مسطح، امپدانس ورودی بی نهایت، امپدانس خروجی صفر و بدون دریفت صفر است. در عمل، یک تقویت کننده عملیاتی دارای ویژگی های زیر است:

1) سود بسیار بالا (بیش از 50000)؛

2) پهنای باند بسیار گسترده و پاسخ فرکانس مسطح.

3) امپدانس ورودی بسیار بالا.

4) امپدانس خروجی بسیار کم.

5) رانش صفر بسیار ضعیف.

برنج. 31.1.

در شکل شکل 31.1 نماد تقویت کننده عملیاتی را نشان می دهد. Op-amp دو ورودی دارد: یک ورودی معکوس (-)، سیگنالی که در آن با سیگنال خروجی خارج از فاز است، و یک ورودی غیر معکوس (+)، که سیگنال در آن با سیگنال خروجی هم فاز است.

برنامه های کاربردی

گستره کاربردهای آپ امپ بسیار گسترده است. می توان آن را به صورت معکوس، غیر معکوس، جمع و تقویت کننده های دیفرانسیل مانند دنبال کننده ولتاژ، یکپارچه ساز و مقایسه کننده. اجزای خارجی متصل به آپ امپ کاربرد خاص آن را تعیین می کنند. در زیر به برخی از این کاربردها پرداخته شده است.

در شکل شکل 31.2 استفاده از op-amp را به عنوان یک تقویت کننده معکوس نشان می دهد. از آنجایی که op-amp دارای بهره بسیار بزرگ (تقریبا بی نهایت) است، سیگنال در خروجی آن با یک سیگنال ورودی بسیار کوچک تولید می شود. این بدان معناست که ورودی معکوس op-amp (نقطه P) را می توان یک زمین مجازی (خیالی) در نظر گرفت، یعنی نقطه ای با پتانسیل تقریباً صفر. برای به دست آوردن بهره آپ امپ سطح مورد نیاز، یک کوپلینگ منفی بسیار عمیق از طریق یک مقاومت فیدبک وارد می شود. آر oc بهره تقویت کننده معکوس (شکل 31.2) را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد

علامت منفی نشان می دهد که سیگنال ورودی با تقویت معکوس شده است.

برنج. 31.2.

مثال

باور کردن آر 1 = 1 کیلو اهم و آر oc = 2.2 کیلو اهم، بهره و ولتاژ خروجی تقویت کننده معکوس را در صورتی که ولتاژ 50 میلی ولت به ورودی آن اعمال شود محاسبه کنید.

راه حل

کسب کردن

ولتاژ خروجی = -2.2 50 میلی ولت = -110 میلی ولت.

تقویت کننده جمع (شکل 31.3) یک ولتاژ خروجی تولید می کند که مقدار آن متناسب با مجموع ولتاژهای ورودی است. V 1 و V 2 . برای ولتاژ ورودی V 1 سود جی V= - آر oc / آر 1 و برای ولتاژ ورودی V 2 جی V= - آر oc / آر 1 .

به عنوان مثال، اگر آر oc = آر 1 = آر 2، سپس بهره برای هر دو ورودی -5 کیلو اهم / 5 k0m = -1 است. اجازه دهید V 1 = 1 ولت و V 2 = 2 ولت، سپس سهم به ولتاژ خروجی مرتبط با V 1 برابر است با 1 (-1) = -1 V، و سهم مرتبط با V 2 برابر 2 (-1) = -2 ولت است. بنابراین، ولتاژ خروجی کل است Vخروجی = -1 - 2 = -3 ولت.

مثال 1

به ورودی های اپ امپ جمع آوری نشان داده شده در شکل. 31.4، ولتاژ اعمال می شودV 1 = 20 میلی ولت و V 2 = -10 میلی ولت. محاسبه ولتاژ خروجیVبیرون .

برنج. 31.3.

برنج. 31.4.

راه حل

ولتاژ خروجی برای V 1 = -5/1 · 20 = -100 میلی ولت.

ولتاژ خروجی برایV 2 = -5/5 · (-10) = +10mV.

بنابراین، کل ولتاژ خروجی Vخروجی = -100 + 10 = -90 میلی ولت.

در این حالت، op-amp توسط 100٪ بازخورد منفی هدایت می شود (شکل 31.5) و دارای بهره خالص 1 است. توجه داشته باشید که سیگنال های خروجی و ورودی دنبال کننده ولتاژ در فاز هستند.

ولتاژ افست

با سیگنال ورودی صفر، سیگنال خروجی یک آپ امپ ایده آل صفر است. در عمل اینطور نیست: یک سیگنال غیر صفر (جریان یا ولتاژ) در خروجی آپ امپ حتی با سیگنال ورودی صفر وجود دارد. برای دستیابی به یک سیگنال خروجی صفر با سیگنال ورودی صفر، یک جریان بایاس ورودی یا ولتاژ بایاس با چنین قدر و قطبیتی به ورودی آپمپ اعمال می‌شود تا سیگنال خروجی مربوط به سیگنال بایاس ورودی، سیگنال خروجی تداخلی اولیه را لغو کند. .

جریان بایاس ورودی معمولاً با استفاده از یک مقاومت اضافی تنظیم می شود آر 2، همانطور که در شکل نشان داده شده است، به ورودی غیر معکوس op-amp متصل است. 31.6.

برنج. 31.5.تکرار کننده ولتاژ برنج. 31.6

مقاومت بهینه این مقاومت با فرمول تعیین می شود

به طور معمول، اگر بهره بیشتر از چهار باشد، مقدار مقاومت مقادیر می شود آر 2 و آر 1 به عنوان یکسان انتخاب می شوند. معرفی مقاومت آر 2 بهره تقویت کننده معکوس را تغییر نمی دهد، همچنان برابر است - آر oc / آر 1 . همانطور که در ادامه خواهیم دید، برخی از آی سی ها پین هایی را برای تنظیم خروجی آپ امپ روی ولتاژ صفر ارائه می دهند.

تقویت کننده غیر معکوس

در این حالت، همانطور که در شکل نشان داده شده است، سیگنال ورودی به ورودی غیر معکوس op-amp اعمال می شود. 31.7.

من اغلب اولین آشنایی خود را با یک تقویت کننده عملیاتی (op-amp) به یاد می آورم. من همیشه می دانستم که این مثلث های مرموز روی نمودارها برای من در طول زندگی مفید خواهند بود. با این حال، شب‌های طولانی بی‌خوابی که صرف مطالعه اصل عملکرد آن‌ها می‌شد، به چیزی منجر نشد. مقالات زیادی در مورد این موضوع وجود دارد، اما به نظر من اصول اولیه واضح نیست. من سعی خواهم کرد از جهتی متفاوت به آن نزدیک شوم و اسرار وحشتناک OU را از بین ببرم.

بیایید سعی کنیم بفهمیم که تقویت کننده عملیاتی ما چه "عملیاتی" را تقویت می کند.

مشکل: یک منبع سیگنال وجود دارد، برای مثال سیگنالی از میکروفون یا پیکاپ گیتار. اگر میکروفون مستقیماً به هدفون وصل شود، به احتمال زیاد چیزی نخواهید شنید، در بهترین حالت صدایی به سختی قابل درک خواهد بود.

بیایید به جای میکروفون، شخصی را تصور کنیم که سعی می کند یک تخته سنگی را بلند کند؛ طبیعتاً او قادر به انجام این کار نیست و میکروفون نیز قادر به چرخاندن بلندگو نیست. اما اگر این فرد از نیروی کمی برای کار با جرثقیل استفاده کند، در این صورت قادر خواهد بود هر باری را در حد توان بالابری جرثقیل بلند کند. آن ها شیر آب در این مورد یک تقویت کننده است. آنالوگ ظرفیت بالابری جرثقیل، قدرت تقویت کننده است. معنای سود باید از تصویر مشخص باشد. فرکانس و شکل سیگنال ثابت می ماند، فقط دامنه تغییر می کند.

اکنون می دانیم که برای شنیدن صدا از بلندگوها به یک آمپلی فایر نیاز دارید. در حالی که نمی دانیم چگونه کار می کند و چه چیزی در داخل آن وجود دارد، از قبل می دانیم که باید پایه هایی وجود داشته باشد که سیگنالی که می خواهیم Uin را تقویت کنیم، و همچنین پایه هایی وجود داشته باشند که سیگنال تقویت شده Uout از آنها حذف شود.

سوال این است که سیگنال را با چه ولتاژی می توان تقویت کرد؟ شما می گویید: "من می خواهم 220 ولت را به 1000000 ولت تقویت کنم" اما این امکان پذیر نیست، چرا؟ زیرا سیگنال اصلی توسط یک منبع خارجی تقویت می شود. منبع خارجی ولتاژ منبع تغذیه op-amp خواهد بود. به طور مشابه، جرثقیل نمی تواند باری را بالاتر از ارتفاع خود بلند کند (بپذیریم که نمی تواند :)). بنابراین، ولتاژ در خروجی آپ امپ نمی تواند از ولتاژ تغذیه تجاوز کند. در واقع، حتی کمی کمتر از ولتاژ تغذیه است. به عنوان مثال، برای LM324 ولتاژ تغذیه از 3 تا 32 ولت متغیر است.

حالا می دانیم که آپ امپ نیاز به برق خارجی دارد، بیایید این پایه ها را ترسیم کنیم

ضمناً ما عادت کرده ایم که منبع تغذیه ما تک قطبی +5 ولت و زمین باشد. در اینجا یک نکته ظریف وجود دارد، اگر نیاز به تقویت سیگنالی دارید که مقادیر منفی دارد،

سپس لازم است به -Upit یک منبع ولتاژ منفی و نه زمین متصل شود. اگر زمین را وصل کنید، معلوم می شود که هیچ منبع ولتاژی وجود ندارد و بخش "پایین" (منفی) سیگنال تقویت نمی شود، یعنی. بخشی از سیگنال "قطع" خواهد شد، بیشتر در مورد این در مثال.

به طور مشابه، اگر سیگنال را بیشتر از ولتاژ تغذیه تقویت کنید، در آن مکان هایی که سیگنال از ولتاژ تغذیه بیشتر می شود، سیگنال "قطع" می شود، یعنی. به جای موج سینوسی چیزی شبیه به این خواهیم دید

سوال اصلی باقی می ماند: چگونه سود را تنظیم کنیم؟ خیلی ساده - یک تقسیم کننده ولتاژ. اما ابتدا، اجازه دهید به نمادهای واقعی تر برویم. هر آپ امپ حداقل 5 پایه دارد - 2 منبع تغذیه، که در بالا ذکر شد، یک ورودی معکوس (-)، یک ورودی غیر معکوس (+) و یک خروجی.

بنابراین، بسته به اینکه سیگنال منبع به کدام ورودی عرضه می شود، دو نوع اتصال متمایز می شود: تقویت کننده غیر معکوس

بهره که برابر با K=(R4/R3)+1 است. در این مورد K=4. در این حالت، شکل سیگنال خروجی تغییر نمی کند.

و معکوس، با بهره K=-(R2/R1). برای این طرح K=3. سیگنال خروجی با ورودی خارج از فاز خواهد بود.

از حرف به عمل برویم. یک موج مربعی با فرکانس 1 کیلوهرتز به عنوان سیگنال منبع در نظر گرفته شد. سیگنال دارای مقادیر مثبت و منفی (وسط صفحه 0) است. دامنه سیگنال 50 میلی ولت

من op-amp (L324) را با استفاده از یک مدار تقویت کننده غیر معکوس متصل می کنم. منبع تغذیه تک قطبی است. خروجی op-amp سیگنالی به همان شکل اما با دامنه بزرگتر است. احتمالاً کاملاً مشخص نیست که چرا سیگنال چنین دامنه ای دارد و چرا به سمت بالا حرکت کرده است.

بیایید سعی کنیم آن را بفهمیم. دامنه سیگنال اصلی 50mV، R4=30k، R3=10k است، بیایید 50*(30/10+1)=200mV را در فرمول جایگزین کنیم، بسیار شبیه به آنچه در اسیلوسکوپ دیده می شود. چرا سیگنال به سمت بالا تغییر کرد؟ ما نقطه ضعف منبع تغذیه تک قطبی را به یاد می آوریم: همه چیز زیر 0 نمی تواند تقویت شود، بنابراین سیگنال در 0 قطع می شود.

حالا تصور کنید که اگر یک منبع ولتاژ منفی به پایه پاور مثلا -5 ولت وصل می شد، دامنه سیگنال دو برابر می شد!!! در نتیجه، حجم نیز به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

در واقع، این یک مقدمه کوچک است، قبل از شروع مطالعه آپ امپ، همه چیزهایی که در بالا گفته شد فقط یک قطره در اقیانوس است، اگر دوست داشتید، بنویسید، ما به تدریج به سایر کاربردهای آپ امپ، از جمله، تسلط خواهیم یافت. و طرح های عملی

در این مقاله در مورد تقویت کننده عملیاتی صحبت خواهیم کرد. نمونه ای از عملکرد و استفاده.

تقویت کننده عملیاتی– مدار تقویت کننده الکترونیکی مبتنی بر نیمه هادی ها، در طراحی یکپارچه، دارای دو ورودی متعادل - مستقیم و معکوس، با بهره بالا. طراحی یکپارچه شامل طراحی کامل تقویت کننده است که در یک بسته مدار مجتمع (IC) قرار دارد. استفاده از تقویت کننده های عملیاتی (OA) بسیار متنوع است - در تقویت کننده های سیگنال های مختلف، در ژنراتورهای سیگنال، در فیلترهای فرکانس در محدوده صوتی، در مدارهای نظارت بر مقادیر فیزیکی (دما، روشنایی، رطوبت، باد) و غیره.

ورودی جلوی آپ امپ با علامت "+" و ورودی معکوس با علامت "-" نشان داده می شود. باید بدانید که در ادبیات مختلف یک نام دیگر وجود دارد: ورودی معکوس با یک دایره نشان داده می شود. این یک علامت معمولی از علامت وارونگی است که در الکترونیک دیجیتال - عناصر منطقی نیز یافت می شود. ورودی مستقیم دایره ای در نام خود ندارد.

ترازوهای داروخانه نمی توانند نشان دهند که وزن بار یک کاسه چقدر با وزن بار کاسه دیگر تفاوت دارد. برای مشاهده تقریباً تفاوت بارها، گاهی اوقات در مقیاس های فنی-شیمیایی از خطوط شاقول مخصوص همراه با یک فلش استفاده می شود که در عین حال "حساسیت" ترازو را به بارهای کوچک کاهش می دهد. به طور مشابه، بازخورد منفی به op-amp وارد می شود تا حساسیت آن به سیگنال ورودی کاهش یابد - یک مقاومت فیدبک که خروجی را به ورودی معکوس op-amp متصل می کند، همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است.

مثال استفاده و عملکرد تقویت کننده عملیاتی

بیایید عملکرد یک تقویت‌کننده عملیاتی را با استفاده از مثالی از مداری که دمای هوا را کنترل می‌کند، یا جسم دیگری که یک ترمیستور به آن متصل است - یک عنصر رادیویی حساس به دما که با افزایش دما مقاومت خود را کاهش می‌دهد، در نظر بگیریم. مدار تقویت‌کننده عملیاتی که دما را اندازه‌گیری می‌کند و در صورت تجاوز از آستانه دمای مشخص، سیگنال می‌دهد در شکل نشان داده شده است.

ورودی های تقویت کننده عملیاتی به دو تقسیم کننده ولتاژ تغذیه مقاومتی متصل می شوند، فقط یکی از آنها از عناصر خطی - مقاومت ها ساخته شده است، و دومی حاوی یک عنصر غیر خطی است که مقاومت خود را بسته به دما تغییر می دهد. در مقاله تقسیم کننده ولتاژ می توانید متوجه شوید که تقسیم کننده ولتاژ چیست. با طراحی، این چهار مقاومت عملکرد یک پل اندازه گیری را انجام می دهند.

هنگامی که دما "نرمال" است، در نقطه میانی "A" تقسیم کننده R1 و R2 (ورودی آپ امپ معکوس) ولتاژ بیشتر از نقطه میانی "B" تقسیم کننده R3 و R4 است (ورودی آپامپ مستقیم). بنابراین، خروجی تقویت کننده عملیاتی یک سیگنال سطح پایین است - ولتاژ حداقل است، ترانزیستور بسته است و چراغ VL1 روشن نمی شود.

با افزایش دما، مقاومت مقاومت R2 کاهش می یابد، بنابراین ولتاژ در نقطه میانی "A" تقسیم کننده R1 و R2 نیز کاهش می یابد. هنگامی که با افزایش دما، مقاومت ترمیستور به مقداری کاهش می یابد که در آن ولتاژ در نقطه میانی "A" تقسیم کننده R1 و R2 (ورودی معکوس op-amp) کمتر از نقطه میانی "B" می شود. تقسیم کننده R3 و R4 (ورودی مستقیم op-amp)، سپس یک سیگنال سطح بالا در خروجی تقویت کننده عملیاتی ظاهر می شود - ولتاژ به حداکثر خود می رسد، ترانزیستور باز می شود و چراغ روشن می شود.

مدار کنترل دما که در شکل نشان داده شده است یک مدار کار واقعی است و وقتی به درستی مونتاژ شود بلافاصله کار می کند. آستانه دمای پاسخ با استفاده از مقاومت R4 تنظیم می شود. می توان آن را از باتری یا از یکسو کننده های برق تغذیه کرد. محدوده ولتاژ تغذیه می تواند از 6 تا 30 ولت باشد.

اگر ترمیستور R2 روی هر سطحی نصب شود، مثلاً رادیاتور برای خنک کردن ترانزیستور قدرتمند، و به جای لامپ، از یک فن معمولی کامپیوتر (کولر) با ولتاژ 12 ولت استفاده شود، می توان از مدار به عنوان استفاده کرد. یک دستگاه خنک کننده خودکار برای چیزی، به عنوان مثال، یک ترانزیستور قدرتمند. فن با رسیدن به دمای معینی شروع به کار می کند و پس از خنک شدن "شیء کنترلی" متوقف می شود.

برای کاهش حساسیت تقویت کننده عملیاتی، مانند خطوط لوله مخصوص در مقیاس های دارویی، از بازخورد منفی (NFB) استفاده می شود که بر روی یک مقاومت انجام می شود (در نمودار R5 است). یک مقاومت خروجی تقویت کننده را به ورودی معکوس متصل می کند. با افزایش ولتاژ خروجی تقویت کننده، ولتاژ خروجی از طریق یک مقاومت به ورودی منفی تقویت کننده منتقل می شود و باعث کاهش ولتاژ خروجی می شود. هرچه مقاومت مقاومت فیدبک منفی کمتر باشد، بازخورد بالاتر و در نتیجه بهره آپ امپ بدتر است. مقدار مقاومت فیدبک R5 برای نوع ریزمدار پیشنهادی در نمودار می تواند از 10 کیلو اهم تا 1.5 مگا اهم متغیر باشد. بازخورد منفی نمودار ولتاژ خروجی در مقابل ولتاژ ورودی را صاف تر می کند. این وابستگی در نمودار سمت چپ نشان داده شده است.

اگر از یک تقویت کننده عملیاتی برای کنترل رله های یک سیستم اتوماسیون یا سایر تجهیزاتی استفاده شود که نوسانات ولتاژ مکرر را "تحمل نمی کنند"، برای جلوگیری از سوئیچینگ مکرر یا "جهش" کنتاکت ها، بازخورد منفی (POS) نه منفی، بلکه مثبت می تواند مورد استفاده قرار گیرد. در این حالت، مقاومت فیدبک خروجی تقویت کننده را نه به ورودی معکوس، بلکه به مستقیم متصل می کند. سپس، با افزایش ولتاژ در خروجی تقویت کننده، ولتاژ خروجی از طریق یک مقاومت به ورودی مثبت تقویت کننده منتقل می شود و باعث می شود ولتاژ خروجی با سرعت بیشتری افزایش یابد. با این اتصال، عملیات "روشن کردن" و "خاموش" تقویت کننده عملیاتی با اختلاف ولتاژ بیشتر در تقسیم کننده های ولتاژ ورودی - عدم تعادل پل اندازه گیری - نسبت به بازخورد منفی رخ می دهد. الگوی سوئیچینگ تقویت کننده "تیز"تر می شود - هنگام "روشن شدن" جلوی تندتر و هنگام "خاموش شدن" کاهش شدیدی دارد. هرچه مقاومت مقاومت فیدبک مثبت کمتر باشد، بازخورد بالاتر و در نتیجه بهره آپ امپ بیشتر می شود. اما به خاطر داشته باشید که بازخورد مثبت بیش از حد باعث اعوجاج سیگنال خروجی و خود تحریکی آپ امپ می شود.

با بازخورد مثبت (POF)، یک عارضه جانبی ظاهر می شود - یک "حلقه هیسترزیس"، که در آن تقویت کننده با اختلاف بیشتری در ولتاژ ورودی روشن می شود و در مقایسه با تقویت کننده با بازخورد منفی، با اختلاف قابل توجهی کمتر خاموش می شود. هرچه POS قوی تر باشد، حلقه هیسترزیس مستطیلی تر است (نمودار سمت راست در شکل). وجود بازخورد مثبت قوی مدار را به یک ماشه اشمیت تبدیل می کند. بنابراین، این نوع بازخورد امکان پخش دما قابل توجهی را در یک سیستم کنترل خودکار دما فراهم می کند و برای مثال برای یک انکوباتور که در آن گسترش دما زیاد قابل قبول نیست، مناسب نیست.

همانطور که قبلاً نشان داده شد، آمپرهای عملیاتی می توانند از یک منبع تغذیه منفرد هدایت شوند، اما به طور کلی آنها برای کار بر روی یک منبع تغذیه دوگانه طراحی شده اند. منبع تغذیه دوقطبی در مدارهایی لازم است که تقویت کننده عملیاتی ولتاژهای مثبت و منفی را اندازه گیری می کند، یا ولتاژهای اندازه گیری شده قابل مقایسه با "صفر" هستند، به عنوان مثال در مدارهای تقویت کننده سیگنال هارمونیک. در مورد منبع تغذیه دوقطبی، ولتاژ خروجی تقویت کننده عملیاتی، بسته به سیگنال ورودی، می تواند از منبع تغذیه "-" تا منبع تغذیه "+" متفاوت باشد.

در انواع خاصی از تقویت کننده های عملیاتی با منبع تغذیه دوقطبی، می توان "توازن صفر" را تنظیم کرد - حالتی که در صورت عدم وجود سیگنال ورودی در هر دو ورودی، ولتاژ خروجی نه مثبت و نه منفی است، بلکه برابر با صفر است. . برای این منظور، پایه‌های مخصوص ریز مدارهای آپ امپ وجود دارد که در آن یک مقاومت پیرایش برای تنظیم تعادل صفر وصل شده است.

تمام تقویت کننده های عملیاتی که در حالت تقویت سیگنال های هارمونیک برای از بین بردن اعوجاج های غیرخطی کار می کنند، می توانند به عناصر اضافی - فیلترها که معمولاً از خازن ها و مقاومت ها تشکیل شده اند متصل شوند. هر نوع تقویت کننده عملیاتی مدار فیلتر مخصوص به خود را دارد. به عنوان یک قاعده، در کتاب های مرجع آورده شده است.

ما اکنون به ویژه برای شما در حال توسعه هستیم کارگاه تقویت کننده عملیاتیتا همه بتوانند کار با این نوع ریز مدار مفید را تمرین کنند.

یک تقویت کننده عملیاتی (op-amp) معمولاً تقویت کننده DC یکپارچه با ورودی دیفرانسیل و خروجی فشار کش نامیده می شود که برای کار با مدارهای بازخورد طراحی شده است. نام تقویت کننده به دلیل منطقه کاربردی اصلی آن است - انجام عملیات مختلف بر روی سیگنال های آنالوگ (جمع، تفریق، ادغام و غیره). در حال حاضر، آپ امپ ها به عنوان واحدهای چند منظوره در اجرای انواع دستگاه های الکترونیکی برای اهداف مختلف عمل می کنند. آنها برای تقویت، محدود کردن، ضرب، فیلتر فرکانس، تولید، تثبیت و غیره استفاده می شوند. سیگنال ها در دستگاه های پیوسته و پالسی.

لازم به ذکر است که آپ امپ های مدرن یکپارچه از نظر اندازه و قیمت با عناصر مجزای جداگانه، به عنوان مثال، ترانزیستورها کمی متفاوت است. بنابراین، پیاده سازی دستگاه های مختلف بر روی یک آپ امپ اغلب بسیار ساده تر از عناصر گسسته یا آی سی های تقویت کننده است.

یک آپ امپ ایده آل دارای بهره ولتاژ بی نهایت زیاد است ( K و op-amp=∞)، امپدانس ورودی بی نهایت بزرگ، امپدانس خروجی بی نهایت کوچک، بی نهایت بزرگ CMRR و باند فرکانس کاری بی نهایت گسترده. طبیعتاً در عمل نمی توان به هیچ یک از این ویژگی ها به طور کامل پی برد، اما می توان به درجه ای که برای بسیاری از زمینه ها کافی است نزدیک شد.

شکل 6.1 دو نسخه از نمادهای op-amp را نشان می دهد - ساده شده (a) و با پایانه های اضافی برای اتصال مدارهای قدرت و مدارهای تصحیح فرکانس (b).

شکل 6.1. نمادهای سیستم عامل

بر اساس الزامات برای ویژگی های یک آپ امپ ایده آل، می توان ساختار داخلی آن را که در شکل 6.2 ارائه شده است، ترکیب کرد.

شکل 6.2. بلوک دیاگرام op-amp

یک مدار الکتریکی ساده شده از یک آپمپ ساده، با اجرای بلوک دیاگرام شکل 6.2، در شکل 6.3 نشان داده شده است.

شکل 6.3. مدار عملیاتی ساده

این مدار شامل یک کنترل از راه دور ورودی (VT 1 و VT 2) با یک آینه جریان (VT 3 و VT 4)، مراحل میانی با OK (VT 5) و با OE (VT 6) و یک تقویت کننده جریان خروجی در ترانزیستورهای VT است. 7 و VT 8 . آپ امپ ممکن است شامل مدارهای تصحیح فرکانس (Ccor)، منبع تغذیه و مدارهای تثبیت حرارتی (VD 1، VD 2، و غیره)، IST و غیره باشد. منبع تغذیه دوقطبی امکان برقراری ارتباط گالوانیکی بین مراحل op-amp و پتانسیل صفر در ورودی و خروجی آن را در غیاب سیگنال فراهم می کند. برای به دست آوردن امپدانس ورودی بالا، کنترل از راه دور ورودی را می توان بر روی یک DC انجام داد. لازم به ذکر است که طیف گسترده ای از راه حل های مدار عملیات آمپر وجود دارد، اما اصول اولیه ساخت آنها به طور کامل در شکل 6.3 نشان داده شده است.

6.2. پارامترها و ویژگی های اصلی op-amp

پارامتر اصلی op-amp افزایش ولتاژ بدون فیدبک است K u op-amp، که بهره ولتاژ کل نیز نامیده می شود. در مناطق باس و میان رده گاهی اوقات مشخص می شود ک u Op-amp 0 و می تواند به چند ده و صدها هزار برسد.

پارامترهای مهم op-amp پارامترهای دقت آن است که توسط مرحله دیفرانسیل ورودی تعیین می شود. از آنجایی که پارامترهای دقت کنترل از راه دور در زیر بخش 5.5 در نظر گرفته شده است، در اینجا خود را به فهرست کردن آنها محدود می کنیم:

◆ ولتاژ افست صفر U سانتی متر;

◆ حساسیت دمایی ولتاژ افست صفر dU سانتی متر/dT;

◆ جریان بایاس Δ من ورودی;

◆ جریان ورودی متوسط من وارد d.

مدارهای ورودی و خروجی op-amp توسط ورودی نشان داده می شوند ورودی Rو آخر هفته ها R از آپ امپ خارج شدمقاومت های داده شده برای آپ امپ بدون مدارهای OOS. برای مدار خروجی پارامترهایی مانند حداکثر جریان خروجی نیز داده شده است من خروجی OU دارمو حداقل مقاومت بار آر nدقیقه و گاهی حداکثر ظرفیت بار. مدار ورودی آپ امپ ممکن است شامل ظرفیت بین ورودی ها و گذرگاه مشترک باشد. مدارهای معادل ساده شده مدارهای ورودی و خروجی op-amp در شکل 6.4 ارائه شده است.

شکل 6.4. یک ماکرومدل خطی ساده از یک op-amp

در بین پارامترهای op-amp، شایان ذکر است که CMRR و ضریب تضعیف تأثیر ناپایداری منبع تغذیه KOVNP=20lg·(Δ E/Δ U در). هر دوی این پارامترها در آپ امپ های مدرن دارای مقادیر (60...120) دسی بل هستند.

پارامترهای انرژی آپ امپ شامل ولتاژ منابع تغذیه ± E، جریان مصرفی (سکوت) است. من پیو مصرف برق معمولا، من پیبه یک دهم - ده ها میلی آمپر می رسد و مصرف برق به طور منحصر به فرد تعیین می شود من پی، واحد - ده ها میلی وات.

حداکثر پارامترهای مجاز op-amp عبارتند از:

◆ حداکثر ولتاژ سیگنال خروجی ممکن (تحریف نشده). تو بیرونحداکثر (معمولاً کمی کمتر از E)؛

◆ حداکثر اتلاف توان مجاز.

◆ محدوده دمای عملیاتی؛

◆ حداکثر ولتاژ تغذیه؛

◆ حداکثر ولتاژ دیفرانسیل ورودی و غیره

پارامترهای فرکانس شامل فرکانس قطع مطلق یا فرکانس بهره واحد است f T (اف 1) یعنی فرکانس که در آن K u op-amp=1. گاهی اوقات از مفهوم سرعت حرکت و زمان ته نشینی ولتاژ خروجی استفاده می شود که با پاسخ آپ امپ به ضربه افزایش ولتاژ در ورودی آن تعیین می شود. برای برخی از آپ امپ ها، پارامترهای اضافی نیز ارائه شده است که حوزه خاص کاربرد آنها را منعکس می کند.

ویژگی های دامنه (انتقال) op-amp در شکل 6.5 در قالب دو وابستگی ارائه شده است. تو بیرون=f(U در) برای ورودی های معکوس و غیر معکوس.

هنگامی که در هر دو ورودی op-amp U در= 0، سپس یک ولتاژ خطا در خروجی وجود خواهد داشت اوشتعیین شده توسط پارامترهای دقیق op-amp (در شکل 6.5 اوشبه دلیل اندازه کوچک آن نشان داده نشده است).

شکل 6.5. AH OU

خواص فرکانسی یک op-amp توسط پاسخ فرکانسی آن نشان داده می شود که در مقیاس لگاریتمی انجام می شود. K u op-amp=φ(log f). این پاسخ فرکانسی لگاریتمی (LAFC) نامیده می شود، شکل معمولی آن در شکل 6.6 نشان داده شده است (برای آپمپ K140UD10).

شکل 6.6. LFC و LFCH OU K140UD10

وابستگی به فرکانس K u op-ampرا می توان به صورت زیر نشان داد:

اینجا τ Vثابت زمانی op-amp، که در ام در=3 دسی بل فرکانس کوپلینگ (قطع) آپ امپ را تعیین می کند (شکل 6.6 را ببینید).

ω V= 1/τ V= 2π f in.

جایگزینی در عبارت for K u op-amp τ Vتوسط 1/ω V، ورودی LACHH را دریافت می کنیم:

در باس و میدرنج ک u Op-amp= 20 لیتر ک u Op-amp 0، یعنی LFC یک خط مستقیم موازی با محور فرکانس است. با مقداری تقریب، می توانیم فرض کنیم که در ناحیه HF کاهش می یابد ک u Op-ampبا سرعت 20 دسی بل در هر دهه (6 دسی بل در هر اکتاو) رخ می دهد. سپس برای ω>>ω Vمی توانید عبارت LAC را ساده کنید:

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

بنابراین، LFC در ناحیه HF با یک خط مستقیم با شیب به محور فرکانس 20 dB/dec نشان داده می شود. نقطه تقاطع خطوط مستقیم در نظر گرفته شده نشان دهنده LFC با فرکانس صرف ω مطابقت دارد V (f in). تفاوت بین LFC واقعی و ایده آل در فرکانس f inحدود 3 دسی بل است (شکل 6.6 را ببینید)، با این حال، برای راحتی تجزیه و تحلیل، این قابل تحمل است، و معمولاً چنین نمودارهایی نامیده می شوند. نمودارهای Bode .

لازم به ذکر است که نرخ فروپاشی LFC 20 dB/dec برای آپ امپ های اصلاح شده با اصلاح خارجی یا داخلی معمول است که اصول اولیه آن در زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

شکل 6.6 همچنین پاسخ فاز لگاریتمی (LPFC) را نشان می دهد که وابستگی تغییر فاز j سیگنال خروجی نسبت به سیگنال ورودی به فرکانس است. LFFC واقعی با نمونه ارائه شده بیش از 6 درجه متفاوت نیست. توجه داشته باشید که برای یک آپمپ واقعی j=45 درجه در فرکانس f in، و در فرکانس f T- 90 درجه بنابراین، تغییر فاز ذاتی سیگنال کاری در آپ امپ اصلاح شده در ناحیه HF می تواند به 90 درجه برسد.

پارامترها و ویژگی های آپ امپ که در بالا مورد بحث قرار گرفت، آن را در غیاب مدارهای OOS توصیف می کند. با این حال، همانطور که اشاره شد، op-amp تقریبا همیشه با مدارهای OOS استفاده می شود که به طور قابل توجهی بر همه نشانگرهای آن تأثیر می گذارد.

6.3. تقویت کننده معکوس

Op-amp ها بیشتر در تقویت کننده های معکوس و غیر معکوس استفاده می شوند. نمودار مدار ساده شده تقویت کننده معکوس کننده آپ امپ در شکل 6.7 نشان داده شده است.

شکل 6.7. تقویت کننده معکوس کننده آپ امپ

مقاومت R 1 نشان دهنده مقاومت داخلی منبع سیگنال است به عنوان مثال، با استفاده از R OS OU توسط ∥OOSN پوشانده می شود.

با آپمپ ایده آل، اختلاف ولتاژ در پایانه های ورودی به صفر می رسد و از آنجایی که ورودی غیر معکوس از طریق مقاومت R2 به باس مشترک متصل می شود، پتانسیل در نقطه آهمچنین باید تهی باشد ("صفر مجازی"، "زمین ظاهری"). در نتیجه می توانیم بنویسیم: من g=من os، یعنی به عنوان مثال/آر 1 =–تو بیرون/R os. از اینجا دریافت می کنیم:

K U inv = تو بیرون/به عنوان مثال = –R os/آر 1 ,

آن ها با آپ امپ ایده آل K U invبا نسبت مقادیر مقاومت های خارجی تعیین می شود و به خود آپ امپ بستگی ندارد.

برای یک آپ امپ واقعی، باید جریان ورودی آن را در نظر گرفت من ورودی، یعنی من g=من os+من ورودییا ( به عنوان مثال–U در)/آر 1 =(U در–تو بیرون)/R os+U در/ورودی U، جایی که U در- ولتاژ سیگنال در ورودی معکوس op-amp، به عنوان مثال. در نقطه آ. سپس برای یک آپ امپ واقعی دریافت می کنیم:

به راحتی می توان نشان داد که وقتی عمق OOS بیش از 10 است، یعنی. K u op-amp/K U inv=اف>10، خطای محاسباتی K U invدر مورد یک آپ امپ ایده آل، از 10٪ تجاوز نمی کند که برای اکثر موارد عملی کاملاً کافی است.

مقادیر مقاومت در دستگاه های آپ امپ نباید از چندین مگا اهم تجاوز کند، در غیر این صورت ممکن است عملکرد ناپایدار تقویت کننده به دلیل جریان های نشتی، جریان های ورودی آپمپ و غیره رخ دهد. اگر در نتیجه محاسبه، مقدار R osاز حداکثر مقدار توصیه شده فراتر می رود، پس توصیه می شود از یک زنجیره OOS T شکل استفاده کنید، که با مقادیر مقاومت متوسط، به آن اجازه می دهد عملکرد مشابه با مقاومت بالا را انجام دهد. R os(شکل 6.7b). در این صورت می توانید بنویسید:

در عمل اغلب اعتقاد بر این است که آر سیستم عامل 1 =آر سیستم عامل 2 >>آر سیستم عامل 3 و مقدار آر 1 معمولا داده می شود، بنابراین آر سیستم عامل 3 به سادگی تعیین می شود.

امپدانس ورودی تقویت کننده معکوس کننده Op-amp ورودی R invمقدار نسبتا کمی دارد که توسط OOS موازی تعیین می شود:

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

آن ها در بزرگ K u op-ampمقاومت ورودی با مقدار تعیین می شود آر 1 .

معکوس کردن امپدانس خروجی تقویت کننده R out invدر یک op-amp واقعی با صفر متفاوت است و به صورت تعریف می شود R out op ampو عمق حفاظت از محیط زیست F. برای F>10، می توانیم بنویسیم:

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

با استفاده از LFC آپ امپ، می توانید محدوده فرکانس تقویت کننده معکوس کننده را نشان دهید (شکل 6.6 را ببینید)، و

f OC = f T/K U inv.

در حد شما می توانید دریافت کنید K U inv=1، یعنی یک فالوور معکوس دریافت کنید در این حالت، حداقل امپدانس خروجی تقویت کننده op-amp را بدست می آوریم:

R بیرون = R out op amp/K u op-amp.

در یک تقویت کننده با استفاده از یک آپ امپ واقعی در خروجی تقویت کننده در U درولتاژ خطا = 0 همیشه وجود خواهد داشت اوش، تولید شده است U سانتی مترو Δ من ورودی. به منظور کاهش اوشسعی کنید مقاومت های معادل متصل به ورودی های op-amp را برابر کنید. گرفتن آر 2 =آر 1 ∥R os(شکل 6.7a را ببینید). اگر این شرط برای K U inv>10 را می توان نوشت:

اوش ≈ U cm K U inv + Δ من در R os.

نزول کردن اوشبا اعمال بایاس اضافی به ورودی غیر معکوس (با استفاده از یک تقسیم کننده اضافی) و کاهش مقادیر مقاومت های مورد استفاده امکان پذیر است.

بر اساس UPT معکوس در نظر گرفته شده، می توان با اتصال خازن های جداکننده به ورودی و خروجی، یک تقویت کننده AC ایجاد کرد که درجه بندی آنها بر اساس ضریب اعوجاج فرکانس مشخص تعیین می شود. M n(به بخش 2.5 مراجعه کنید).

6.4. تقویت کننده غیر معکوس

نمودار مدار ساده شده تقویت کننده آپ امپ غیر معکوس در شکل 6.8 نشان داده شده است.

شکل 6.8. تقویت کننده آپ امپ غیر معکوس

به راحتی می توان نشان داد که در یک تقویت کننده غیر معکوس، op-amp توسط POSN پوشانده شده است. از آنجا که U درو U OSبه ورودی های مختلف عرضه می شوند، سپس برای یک آپ امپ ایده آل می توانیم بنویسیم:

U در = U بیرون R 1 /(آر 1 + R os),

از آنجا که افزایش ولتاژ تقویت کننده غیر معکوس:

K U noninv = 1 + R os/آر 1 ,

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

برای تقویت کننده غیر معکوس مبتنی بر یک آپ امپ واقعی، عبارات به دست آمده در عمق فیدبک F> 10 معتبر هستند.

امپدانس ورودی یک تقویت کننده غیر معکوس ورودی R noninvبزرگ است و توسط OOS سازگار عمیق و ارزش بالا تعیین می شود ورودی R:

ورودی R noninv = ورودی R· اف = ورودی R· K U OU/K U noninv.

امپدانس خروجی تقویت کننده آپ امپ غیر معکوس مانند تقویت کننده معکوس تعیین می شود، زیرا در هر دو مورد، سیستم حفاظت از ولتاژ اعمال می شود:

R out غیر inv = R از آپ امپ خارج شد/اف = R از آپ امپ خارج شد/K U noninv/K U OU.

گسترش باند فرکانس کاری در یک تقویت کننده غیر معکوس به همان روشی که در یک تقویت کننده معکوس به دست می آید، یعنی.

f OC = f T/K U noninv.

برای کاهش خطای جریان در یک تقویت کننده غیر معکوس، مشابه تقویت کننده معکوس، باید شرایط زیر رعایت شود:

R g = آر 1 ∥R os.

یک تقویت کننده غیر معکوس اغلب برای بزرگ استفاده می شود R g(که به دلیل بزرگ بودن امکان پذیر است ورودی R noninvبنابراین، به دلیل محدودیت در مقدار مقادیر مقاومت، انجام این شرط همیشه امکان پذیر نیست.

وجود یک سیگنال حالت مشترک در ورودی معکوس (که از طریق مدار ارسال می شود: ورودی op-amp غیر معکوس ⇒ خروجی op-amp ⇒ R os⇒ معکوس کردن ورودی op-amp) منجر به افزایش می شود اوش، که از معایب آمپلی فایر مورد نظر است.

با افزایش عمق حفاظت از محیط زیست می توان به آن دست یافت K U noninv=1، یعنی به دست آوردن یک تکرار کننده غیر معکوس که مدار آن در شکل 6.9 نشان داده شده است.

شکل 6.9. دنبال کننده op-amp غیر معکوس

در اینجا 100% POSN به دست می آید، بنابراین این تکرار کننده دارای بالاترین امپدانس ورودی و حداقل خروجی است و مانند هر تکرار کننده، به عنوان مرحله تطبیق استفاده می شود. برای یک فالوور غیر معکوس، می توانید بنویسید:

اوش ≈ U سانتی متر + من در sr R g ≈ من در sr R g,

آن ها ولتاژ خطا می تواند به مقادیر بسیار زیادی برسد.

بر اساس UPT غیر معکوس در نظر گرفته شده، همچنین می توان با اتصال خازن های جداکننده به ورودی و خروجی، یک تقویت کننده AC ایجاد کرد که درجه بندی آنها بر اساس ضریب اعوجاج فرکانس مشخص تعیین می شود. M n(به بخش 2.5 مراجعه کنید).

علاوه بر تقویت کننده های معکوس و غیر معکوس مبتنی بر آپ امپ، گزینه های آپ امپ مختلفی نیز موجود است که در ادامه به برخی از آنها پرداخته می شود.

6.5. انواع یونیت های کنترل بر روی آپ امپ

تقویت کننده تفاوت (دیفرانسیل). ، که نمودار آن در شکل 6.10 نشان داده شده است.

شکل 6.10. تقویت کننده اختلاف Op-amp

تقویت کننده تفاضلی op-amp را می توان ترکیبی از گزینه های تقویت کننده معکوس و غیر معکوس در نظر گرفت. برای تو بیرونتقویت کننده تفاوت را می توان نوشت:

تو بیرون = K U inv U در 1 +K U noninv U در 2 آر 3 /(آر 2 + آر 3).

معمولا، آر 1 =آر 2 و آر 3 =R osاز این رو، آر 3 /آر 2 =R os/آر 1 =متر. با گسترش مقادیر فاکتورهای بهره، به دست می آوریم:

تو بیرون = متر(U در 2 – U در 1),

برای مورد خاص که آر 2 =آر 3 دریافت می کنیم:

تو بیرون = U در 2 – U در 1 .

آخرین عبارت به وضوح منشأ نام و هدف تقویت کننده مورد نظر را توضیح می دهد.

در یک تقویت کننده اختلاف مبتنی بر آپمپ، با قطبیت یکسان ولتاژهای ورودی، یک سیگنال حالت مشترک رخ می دهد که باعث افزایش خطای تقویت کننده می شود. بنابراین، در یک تقویت کننده تفاوت، مطلوب است که از یک آپ امپ با CMRR بزرگ استفاده شود. معایب تقویت کننده اختلاف در نظر گرفته شده شامل مقادیر مختلف مقاومت ورودی و دشواری در تنظیم بهره است. این مشکلات در دستگاه‌هایی که از چندین آپ امپ استفاده می‌کنند، برای مثال، در یک تقویت‌کننده اختلاف با دو تکرارکننده حذف می‌شوند (شکل 6.11).

شکل 6.11. تقویت کننده اختلاف تکرار کننده

این مدار متقارن است و با مقاومت های ورودی یکسان و ولتاژ خطای کم مشخص می شود، اما فقط برای یک بار متقارن کار می کند.

بر اساس op-amp می توان آن را انجام داد تقویت کننده لگاریتمی ، که نمودار شماتیک آن در شکل 6.12 نشان داده شده است.

شکل 6.12 تقویت کننده آپ امپلی فایر لگاریتمی

اتصال P-n دیود VD بایاس رو به جلو است. با فرض ایده آل بودن op-amp، می توانیم جریان ها را معادل سازی کنیم من 1 و من 2. با استفاده از عبارت مشخصه جریان-ولتاژ پیوند p-n ( من=من 0) نوشتن آسان است:

U در/آر= من 0 ·,

از جایی که پس از تغییر شکل می گیریم:

تو بیرون = φ Tلوگاریتم( U در/من 0 آر) = φ T(لوگاریتم U در-لوگاریتم من 0 آر),

که از آن نتیجه می شود که ولتاژ خروجی متناسب با لگاریتم ورودی است و عبارت ln من 0 آرنشان دهنده خطای لگاریتمی است. لازم به ذکر است که این عبارت از ولتاژهای نرمال شده به یک ولت استفاده می کند.

هنگام جایگزینی دیود VD و مقاومت R، دریافت می کنیم تقویت کننده آنتی لگ .

معکوس و غیر معکوس جمع کننده ها در آپ امپلی فایرها که تقویت کننده های جمع یا جمع کننده های آنالوگ نیز نامیده می شوند. شکل 6.13 یک نمودار شماتیک از جمع کننده معکوس با سه ورودی را نشان می دهد. این دستگاه نوعی تقویت کننده معکوس است که بسیاری از خواص آن در جمع کننده معکوس نیز نمایان می شود.

شکل 6.13. جمع کننده معکوس Op-amp

U در 1 /آر 1 + U در 2 /آر 2 + U در 3 /آر 3 = –تو بیرون/R os,

از عبارت به دست آمده به دست می آید که ولتاژ خروجی دستگاه مجموع ولتاژهای ورودی ضرب در بهره است. K U inv. در R os=آر 1 =آر 2 =آر 3 K U inv=1 و تو بیرون=U در 1 +U در 2 +U در 3 .

وقتی شرط برقرار شد آر 4 =R os∥آر 1 ∥آر 2 ∥آر 3، خطای فعلی کوچک است و با استفاده از فرمول قابل محاسبه است اوش=U سانتی متر(کی یو اوش+1)، جایی که کی یو اوش=R os/(آر 1 ∥آر 2 ∥آر 3) - ضریب تقویت سیگنال خطا که دارای مقدار بیشتر از K U inv.

جمع کننده غیر معکوس همانند یک جمع کننده معکوس اجرا می شود، اما باید از ورودی غیر معکوس op-amp به قیاس با یک تقویت کننده غیر معکوس استفاده کند.

هنگام تعویض مقاومت Roc با خازن C (شکل 6.14)، دستگاهی به نام یکپارچه ساز آنالوگ یا فقط یک ادغام کننده

شکل 6.14. یکپارچه ساز آنالوگ روی op-amp

با یک آپمپ ایده آل، جریان ها را می توان معادل سازی کرد من 1 و من 2 که از آن به شرح زیر است:

هرچه دقت ادغام بالاتر باشد، بیشتر است K u op-amp.

علاوه بر واحدهای کنترلی در نظر گرفته شده، در تعدادی از دستگاه های پیوسته از آپ امپ استفاده می شود که در ادامه به آنها پرداخته خواهد شد.

6.6. تصحیح پاسخ فرکانس

منظور ما از تصحیح ویژگی های فرکانس، تغییر LFC و LPFC برای به دست آوردن ویژگی های لازم از دستگاه های op-amp و بالاتر از همه، اطمینان از عملکرد پایدار است. یک op-amp معمولاً با مدارهای OOS استفاده می شود، اما تحت شرایط خاص، به دلیل تغییر فاز اضافی در اجزای فرکانس سیگنال، OOS می تواند به یک POS تبدیل شود و تقویت کننده پایداری خود را از دست می دهد. از آنجایی که OOS بسیار عمیق است ( βK U>>1)، اطمینان از تغییر فاز بین سیگنال های ورودی و خروجی برای اطمینان از عدم وجود تحریک بسیار مهم است.

قبلاً، در شکل 6.6، پاسخ LFC و LPFC برای op-amp تصحیح شده، به شکلی معادل پاسخ LFC و LPFC یک مرحله تقویت کننده منفرد نشان داده شده بود، که از آن می توان مشاهده کرد که حداکثر تغییر فاز φ<90° при K u op-amp> 1، و نرخ پوسیدگی بهره در ناحیه HF 20 دسی بل در دسی است. چنین تقویت کننده ای در هر عمق بازخورد پایدار است.

اگر آپ امپ از چند آبشار (مثلا سه آبشار) تشکیل شده باشد که هر کدام دارای نرخ واپاشی 20 دسی بل در دسی‌بلند و فاقد مدارهای تصحیح هستند، LFC و LPFC آن شکل پیچیده‌تری دارند (شکل 6.15) و شامل ناحیه ای از نوسانات ناپایدار است.

شکل 6.15. LFC و LPFC آپ امپ اصلاح نشده

برای اطمینان از عملکرد پایدار دستگاه های op-amp، از مدارهای اصلاح داخلی و خارجی استفاده می شود که با کمک آنها به یک تغییر فاز کلی با یک حلقه بازخورد باز کمتر از 135 درجه در حداکثر فرکانس کاری دست می یابند. در این مورد، به طور خودکار معلوم می شود که کاهش K u op-ampحدود 20 دسی بل در دسامبر است.

استفاده از آن به عنوان معیاری برای پایداری دستگاه های op-amp راحت است معیار بود ، به صورت زیر فرموله شده است: تقویت‌کننده با مدار بازخورد پایدار است اگر خط مستقیم بهره آن بر حسب دسی‌بل از LFC در قسمتی با رول آف 20 دسی‌بل در دسی‌بل عبور کند. بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت که مدارهای تصحیح فرکانس در op-amp باید نرخ فروپاشی را ارائه دهند K U inv(K U noninv) در HF حدود 20 دسی بل/دسامبر.

مدارهای تصحیح فرکانس را می توان یا در کریستال نیمه هادی قرار داد یا توسط عناصر خارجی ایجاد کرد. ساده ترین مدار تصحیح فرکانس با اتصال یک خازن C cor با مقدار کافی بزرگ به خروجی op-amp انجام می شود. لازم است که ثابت زمانی هسته τ=R out C corبزرگتر از 1/2π بود f in. در این حالت، سیگنال‌های فرکانس بالا در خروجی آپ امپ، هسته C شنت می‌شوند و باند فرکانس کاری باریک می‌شود که اکثر آنها کاملاً قابل توجه است، که یک اشکال قابل توجه در این نوع اصلاح است. LFC بدست آمده در این مورد در شکل 6.16 نشان داده شده است.

شکل 6.16. تصحیح فرکانس با خازن خارجی

رکود K u op-ampدر اینجا از 20 dB/dec تجاوز نخواهد کرد و خود آپ امپ با معرفی OOS پایدار خواهد بود، زیرا φ هرگز از 135 درجه تجاوز نخواهد کرد.

مدارهای اصلاحی از انواع یکپارچه (تصحیح تاخیر) و متمایز کننده (اصلاح پیشرفته) پیشرفته تر هستند. به طور کلی، یک تصحیح نوع یکپارچه، خود را مشابه عمل یک خازن اصلاحی (بار) نشان می دهد. مدار RC اصلاحی بین مراحل op-amp متصل می شود (شکل 6.17).

شکل 6.17. یکپارچه سازی تصحیح فرکانس نوع

مقاومت R 1 مقاومت ورودی مرحله op-amp است و خود مدار اصلاح شامل هسته R و هسته C است. ثابت زمانی این مدار باید بیشتر از ثابت زمانی هر یک از مراحل آپ امپ باشد. از آنجایی که مدار تصحیح ساده ترین مدار RC تک لینک است، شیب LFC آن 20 دسی بل در دسی است که عملکرد پایدار تقویت کننده را تضمین می کند. و در این حالت مدار تصحیح باند فرکانس کاری آمپلی فایر را باریک می کند، اما اگر تقویت کننده ناپایدار باشد باز هم باند وسیع چیزی نمی دهد.

عملکرد پایدار op-amp با باند نسبتاً گسترده با اصلاح نوع دیفرانسیل تضمین می شود. ماهیت این روش اصلاح LFC و LPFC این است که سیگنال های RF از داخل op-amp عبور می کنند و بخشی از آبشارها (یا عناصر) را دور می زنند که حداکثر را ارائه می دهند. ک u Op-amp 0، آنها در فاز تقویت یا تاخیر ندارند. در نتیجه، سیگنال های RF کمتر تقویت می شوند، اما تغییر فاز کوچک آنها منجر به از دست دادن پایداری تقویت کننده نمی شود. برای اجرای تصحیح نوع دیفرانسیل، یک خازن اصلاحی به پایانه های ویژه آپ امپ متصل می شود (شکل 6.18).

شکل 6.18. تصحیح فرکانس نوع دیفرانسیل

علاوه بر مدارهای اصلاحی در نظر گرفته شده، سایر مدارها نیز شناخته شده هستند (به عنوان مثال مراجعه کنید). هنگام انتخاب طرح های تصحیح و مقادیر عناصر آنها، باید به ادبیات مرجع (به عنوان مثال،) مراجعه کنید.