Kimutatták, hogy ha műveleti erősítőt használnak különböző kapcsolóáramkörökben, egyetlen műveleti erősítőn (op-amp) egy fokozat erősítése csak a visszacsatolási mélységtől függ. Ezért az adott áramkör erősítésének meghatározására szolgáló képletekben magának az úgynevezett „csupasz” műveleti erősítőnek az erősítését nem használják. Vagyis pontosan az a hatalmas együttható, amelyet a referenciakönyvek jeleznek.

Ekkor teljesen helyénvaló feltenni a kérdést: „Ha a végeredmény (erősítés) nem ettől a hatalmas „referencia” együtthatótól függ, akkor mi a különbség a több ezerszeres erősítésű op-erősítő és a ugyanaz az op-amp, de több százezres, sőt milliós nyereséggel?

A válasz nagyon egyszerű. Mindkét esetben az eredmény ugyanaz lesz, a kaszkád erősítését az OOS elemek határozzák meg, de a második esetben (nagy nyereségű op-amp) az áramkör stabilabban, pontosabban működik, az ilyenek teljesítménye áramkörök sokkal magasabb. Nem ok nélkül osztják az op-erősítőket általános célú műveleti erősítőkre és nagy pontosságú, precíziós erősítőkre.

Ahogy már említettük, a szóban forgó erősítők „működőképes” elnevezésüket abban a távoli időben kapták, amikor főleg analóg számítógépekben (AVM) végzett matematikai műveletek végrehajtására használták őket. Ezek voltak az összeadás, kivonás, szorzás, osztás, négyzetesítés és sok más függvény műveletei.

Ezeket az özönvíz előtti op-erősítőket vákuumcsövekből, majd később diszkrét tranzisztorokból és egyéb rádiókomponensekből készítették. Természetesen még a tranzisztoros op-erősítők méretei is elég nagyok voltak ahhoz, hogy amatőr tervekben is felhasználják őket.

És csak azután, hogy az integrált elektronika vívmányainak köszönhetően az op-erősítők egy közönséges kis teljesítményű tranzisztor méretűvé váltak, indokolttá vált ezeknek az alkatrészeknek a használata a háztartási berendezésekben és az amatőr áramkörökben.

Mellesleg, a modern op-erősítők, még a meglehetősen jó minőségűek is, nem sokkal magasabbak, mint két vagy három tranzisztor. Ez az állítás az általános célú műveleti erősítőkre vonatkozik. A precíziós erősítők valamivel drágábbak lehetnek.

Az op-amp áramkörökkel kapcsolatban érdemes azonnal megjegyezni, hogy mindegyiket úgy tervezték, hogy bipoláris áramforrásról táplálják. Ez a mód a legismertebb az op-erősítők számára, lehetővé téve, hogy ne csak a váltakozó feszültségű jeleket, például a szinuszhullámot erősítse, hanem az egyenáramú jeleket vagy egyszerűen a feszültséget is.

Ennek ellenére gyakran az op-amp áramkörök egypólusú forrásból táplálkoznak. Igaz, ebben az esetben nem lehet növelni az állandó feszültséget. De gyakran előfordul, hogy erre egyszerűen nincs szükség. Az egypólusú tápegységgel rendelkező áramkörökről később lesz szó, de most folytassuk a bipoláris tápegységgel működő op-erősítők bekapcsolására szolgáló áramköröket.

A legtöbb műveleti erősítő tápfeszültsége leggyakrabban ±15 V-on belül van. De ez egyáltalán nem jelenti azt, hogy ezt a feszültséget ne lehetne kicsit csökkenteni (magasabb nem ajánlott). Sok műveleti erősítő nagyon stabilan működik ±3 V-tól kezdve, néhány modell pedig ±1,5 V-tól is. Ezt a lehetőséget a műszaki dokumentáció (Adatlap) jelzi.

Feszültség átjátszó

Az áramkör kialakítását tekintve ez a legegyszerűbb op-amp eszköz, áramkörét az 1. ábra mutatja.

1. ábra Műveleti erősítő feszültségkövető áramköre

Könnyen belátható, hogy egy ilyen áramkör létrehozásához egyetlen alkatrészre sem volt szükség, kivéve magát az op-amp-ot. Igaz, az ábra nem mutatja a tápcsatlakozást, de ilyen diagramok mindig megtalálhatók. Csak annyit szeretnék megjegyezni, hogy a műveleti erősítő táp érintkezői (például a KR140UD708 op-amp esetében ezek a 7-es és 4-es érintkezők) és a közös vezetéket 0,01...0,5 kapacitással kell bekötni. µF.

Céljuk, hogy az op-amp működését stabilabbá tegyék, megszabaduljanak az áramkör öngerjesztésétől a tápáramkörök mentén. A kondenzátorokat a lehető legközelebb kell csatlakoztatni a mikroáramkör tápcsatlakozóihoz. Néha több mikroáramkörből álló csoportonként egy kondenzátor van csatlakoztatva. Ugyanazok a kondenzátorok láthatók a digitális mikroáramkörökkel ellátott kártyákon, rendeltetésük ugyanaz.

Az ismétlő erősítés egyenlő az egységgel, vagy másképpen fogalmazva, nincs nyereség. Akkor miért van szükségünk egy ilyen rendszerre? Itt nagyon helyénvaló megjegyezni, hogy van egy tranzisztor áramkör - egy emitter követő, amelynek fő célja a különböző bemeneti ellenállású kaszkádok összehangolása. Az ilyen kaszkádokat (repeatereket) pufferkaszkádoknak is nevezik.

Az átjátszó bemeneti impedanciája egy műveleti erősítőhöz a műveleti erősítő bemeneti impedanciájának és erősítésének szorzataként kerül kiszámításra. Például az említett UD708-nál a bemeneti impedancia körülbelül 0,5 MOhm, az erősítés legalább 30 000, és talán több is. Ha ezeket a számokat megszorozzuk, a bemeneti ellenállás 15 GOhm, ami összevethető a nem túl jó minőségű szigetelés, például a papír ellenállásával. Ilyen magas eredményt nem valószínű, hogy egy hagyományos emitterkövetővel sikerül elérni.

Annak érdekében, hogy a leírások ne keltsenek kételyeket, az alábbiakban a Multisim szimulátor programban szereplő összes leírt áramkör működését bemutató ábrák láthatók. Természetesen mindezek az áramkörök összeszerelhetők kenyérsütőtáblákon, de monitor képernyőjén sem lehet rosszabb eredményt elérni.

Valójában itt még egy kicsit jobb is: nem kell felmászni valahol a polcra ahhoz, hogy ellenállást vagy mikroáramkört cserélj. Itt minden, még a mérőműszerek is benne vannak a programban és egérrel vagy billentyűzettel „elérhetők”.

A 2. ábrán a Multisim programban készült átjátszó áramkör látható.

2. ábra.

Az áramkör kutatása meglehetősen egyszerű. Az átjátszó bemenetére 1 KHz frekvenciájú és 2 V amplitúdójú szinuszos jel kerül a funkcionális generátorból, a 3. ábrán látható módon.

3. ábra.

Az átjátszó bemeneti és kimeneti jelét oszcilloszkóp figyeli: a bemeneti jel kék, a kimeneti sugár piros sugárként jelenik meg.

4. ábra.

A figyelmes olvasó kérdezheti, miért kétszer akkora a kimenő (piros) jel, mint a bemeneti kék? Minden nagyon egyszerű: az oszcilloszkóp csatornáinak azonos érzékenysége mellett mindkét azonos amplitúdójú és fázisú szinusz egyesül, egymás mögé bújva.

Ahhoz, hogy mindkettőt egyszerre lássuk, csökkentenünk kellett az egyik csatorna, jelen esetben a bemenet érzékenységét. Ennek eredményeként a kék szinusz pontosan fele akkora lett a képernyőn, és nem rejtőzött a piros mögött. Bár hasonló eredmény eléréséhez egyszerűen eltolja a nyalábokat az oszcilloszkóp vezérlőivel, így a csatornák érzékenysége változatlan marad.

Mindkét szinusz az időtengelyhez képest szimmetrikusan helyezkedik el, ami azt jelzi, hogy a jel állandó összetevője nulla. Mi történik, ha egy kis DC komponenst adunk a bemeneti jelhez? A virtuális generátor lehetővé teszi a szinuszhullám eltolását az Y tengely mentén, próbáljuk meg 500mV-tal feljebb tolni.

5. ábra.

Hogy mi sült ki ebből, azt a 6. ábra mutatja.

6. ábra.

Észrevehető, hogy a bemeneti és a kimeneti szinuszok fél volttal megemelkedtek anélkül, hogy egyáltalán változtak volna. Ez azt jelzi, hogy az átjátszó pontosan továbbította a jel DC komponensét. De leggyakrabban megpróbálnak megszabadulni ettől az állandó komponenstől, és nullával egyenlővé tenni, ami elkerüli az áramköri elemek, például a szakaszok közötti szétkapcsoló kondenzátorok használatát.

Az átjátszó persze jó, sőt szép is: egy plusz alkatrészre sem volt szükség (bár vannak átjátszó áramkörök kisebb „adalékokkal”), de nem kaptak nyereséget. Akkor ez milyen erősítő? Az erősítő elkészítéséhez elegendő néhány részletet hozzáadni, ennek módját később ismertetjük.

Invertáló erősítő

Ahhoz, hogy invertáló erősítőt készítsünk egy műveleti erősítőből, elegendő csak két ellenállást hozzáadni. Hogy ebből mi sült ki, azt a 7. ábra mutatja.

7. ábra Invertáló erősítő áramkör

Egy ilyen erősítő erősítését a K=-(R2/R1) képlet alapján számítjuk ki. A mínusz jel nem azt jelenti, hogy az erősítő rossznak bizonyult, hanem csak azt, hogy a kimeneti jel fázisban ellentétes lesz a bemeneti jellel. Nem véletlenül hívják az erősítőt invertáló erősítőnek. Itt célszerű lenne visszahívni az OE-vel az áramkör szerint bekötött tranzisztort. Ott is a tranzisztor kollektorának kimeneti jele nincs fázisban a bázisra adott bemeneti jellel.

Itt érdemes emlékezni arra, hogy mennyi erőfeszítést kell tennie, hogy tiszta, torzításmentes szinuszhullámot kapjon a tranzisztor kollektorán. Ennek megfelelően kell kiválasztani a tranzisztor alján lévő előfeszítést. Ez általában meglehetősen bonyolult, és sok paramétertől függ.

Op-erősítő használatakor elegendő egyszerűen kiszámítani az ellenállások ellenállását a képlet szerint, és megkapni a megadott erősítést. Kiderült, hogy egy áramkör felállítása műveleti erősítővel sokkal egyszerűbb, mint több tranzisztor fokozat beállítása. Ezért nem kell attól tartani, hogy a séma nem működik, nem fog működni.

8. ábra.

Itt minden ugyanaz, mint az előző ábrákon: a bemeneti jel kék, az erősítő utáni jel pedig piros színnel jelenik meg. Minden megfelel a K=-(R2/R1) képletnek. A kimeneti jel fázison kívül van a bemenettel (ami a képlet mínusz előjelének felel meg), és a kimeneti jel amplitúdója pontosan kétszerese a bemenetnek. Ami igaz az (R2/R1)=(20/10)=2 arányra is. Ahhoz, hogy az erősítés például 10 legyen, elegendő az R2 ellenállás ellenállását 100 KOhm-ra növelni.

Valójában az invertáló erősítő áramköre valamivel bonyolultabb lehet; ez a lehetőség a 9. ábrán látható.

9. ábra.

Itt megjelent egy új rész - az R3 ellenállás (inkább egyszerűen eltűnt az előző áramkörből). Célja egy valódi op-amp bemeneti áramainak kompenzálása, hogy csökkentse az egyenáramú komponens hőmérsékleti instabilitását a kimeneten. Ennek az ellenállásnak az értékét az R3=R1*R2/(R1+R2) képlet szerint választjuk meg.

A modern, rendkívül stabil műveleti erősítők lehetővé teszik a nem invertáló bemenet közvetlen csatlakoztatását a közös vezetékre, R3 ellenállás nélkül. Bár ennek az elemnek a jelenléte nem tesz semmi rosszat, a jelenlegi gyártási léptékben, amikor mindent megtakarítanak, inkább nem telepítik ezt az ellenállást.

Az invertáló erősítő kiszámításának képlete a 10. ábrán látható. Miért az ábrán? Igen, csak az áttekinthetőség kedvéért, egy szövegsorban nem tűnnének olyan ismerősnek és érthetőnek, nem lennének annyira feltűnőek.

10. ábra.

Az erősítési tényezőt korábban említettük. Itt csak a nem invertáló erősítő bemeneti és kimeneti impedanciáira érdemes figyelni. Úgy tűnik, hogy a bemeneti ellenállással minden világos: megegyezik az R1 ellenállás ellenállásával, de a kimeneti ellenállást a 11. ábrán látható képlet alapján kell kiszámítani.

A „K” betű az op-amp referencia-együtthatóját jelöli. Itt kérem, számolja ki, hogy mekkora lesz a kimeneti ellenállás. Az eredmény meglehetősen kicsi lesz, még egy átlagos UD7 típusú op-amp esetében is, amelynek K” értéke nem több, mint 30 000. Ebben az esetben ez jó: végül is minél kisebb a kaszkád kimeneti impedanciája (ez nem csak az op-amp kaszkádokra vonatkozik), minél erősebb a terhelés, ésszerű feltételek mellett természetesen korlátok között csatlakozhat ehhez a kaszkádhoz.

Külön megjegyzést kell fűzni a kimeneti ellenállás számítási képletének nevezőjében szereplő mértékegységhez. Tegyük fel, hogy az R2/R1 arány például 100. Pontosan ezt az arányt kapjuk 100-as invertáló erősítő erősítés esetén. Kiderül, hogy ha ezt az egységet eldobjuk, akkor semmi sem változik. . Valójában ez nem igaz.

Tegyük fel, hogy az R2 ellenállás ellenállása nulla, mint az átjátszó esetében. Ekkor egy nélkül az egész nevező nullára változik, és a kimeneti ellenállás is nulla lesz. És ha később ez a nulla valahol a képlet nevezőjébe kerül, hogyan kell elosztani vele? Ezért egyszerűen lehetetlen megszabadulni ettől a jelentéktelennek tűnő egységtől.

Nem lehet mindent egy cikkben leírni, még egy meglehetősen nagyot sem. Ezért mindent, ami nem fért bele a következő cikkbe, ki kell térni. Leírjuk a nem invertáló erősítőt, a differenciálerősítőt és az egytápfeszültségű erősítőt. A műveleti erősítők tesztelésére szolgáló egyszerű áramkörök leírását is megadjuk.

Eddig az egyes diszkrét alkatrészekből - tranzisztorokból, diódákból, ellenállásokból - összeállított erősítőket tekintettük. Az integrált áramköri technológia segítségével mindezen szükséges különálló komponensek egyetlen monolitikus IC-vé alakíthatók. Jelenleg ezt a technológiát használják műveleti erősítők (op-erősítők) gyártására. Eredetileg bizonyos matematikai műveletek elvégzésére tervezték őket (innen ered a név), de gyorsan alkalmazásra találtak az elektronikus áramkörök széles skálájában.

Az ideális op-amp egy ideális erősítő végtelenül nagy erősítéssel, végtelenül széles sávszélességgel és teljesen lapos frekvencia-átvitellel, végtelen bemeneti impedanciával, nulla kimeneti impedanciával és nulla eltolódás nélkül. A gyakorlatban a műveleti erősítő a következő tulajdonságokkal rendelkezik:

1) nagyon magas nyereség (50 000 felett);

2) nagyon széles sávszélesség és lapos frekvenciaválasz;

3) nagyon nagy bemeneti impedancia;

4) nagyon alacsony kimeneti impedancia;

5) nagyon gyenge nulla eltolódás.

Rizs. 31.1.

ábrán. A 31.1. ábra a műveleti erősítő szimbólumát mutatja. Az op-erősítőnek két bemenete van: egy invertáló bemenet (-), amelynél a jel fázison kívül van a kimeneti jellel, és egy nem invertáló bemenet (+), amelynél a jel fázisban van a kimeneti jellel.

Alkalmazások

A műveleti erősítők alkalmazási köre rendkívül széles. Használható invertáló, nem invertáló, összegző és differenciálerősítők, például feszültségkövető, integrátor és komparátor. A műveleti erősítőhöz csatlakoztatott külső komponensek határozzák meg annak konkrét alkalmazását. Néhány ilyen alkalmazást az alábbiakban tárgyalunk.

ábrán. A 31.2. ábra egy műveleti erősítő használatát mutatja invertáló erősítőként. Mivel az op-erősítő nagyon nagy (majdnem végtelen) erősítéssel rendelkezik, a kimenetén a jel nagyon kis bemeneti jellel jön létre. Ez azt jelenti, hogy az op-amp invertáló bemenete (P pont) virtuális (képzetes) földnek tekinthető, azaz közel nulla potenciálú pontnak. A kívánt szintű műveleti erősítés eléréséhez egy nagyon mély negatív csatolást vezetünk be egy visszacsatoló ellenálláson keresztül R oc. Az invertáló erősítő erősítését (31.2. ábra) a képlet segítségével számíthatjuk ki

A negatív előjel azt jelzi, hogy a bemeneti jel invertálódik az erősítés során.

Rizs. 31.2.

Példa

hinni R 1 = 1 kOhm és R oc = 2,2 kOhm, számítsa ki az invertáló erősítő erősítését és kimeneti feszültségét, ha a bemenetére 50 mV feszültség kerül.

Megoldás

Nyereség

Kimeneti feszültség = -2,2 50 mV = -110 mV.

Az összegző erősítő (31.3. ábra) egy kimeneti feszültséget állít elő, melynek értéke arányos a bemeneti feszültségek összegével V 1 és V 2 . Bemeneti feszültséghez V 1 nyereség G V= - R oc / R 1, és a bemeneti feszültséghez V 2 G V= - R oc / R 1 .

Például ha R oc = R 1 = R 2, akkor mindkét bemenet erősítése -5 kOhm / 5 k0m = -1. Hadd V 1 = 1 V és V 2 = 2 V, majd a hozzá tartozó kimeneti feszültséghez való hozzájárulás V 1 értéke 1 (-1) = -1 V, és a hozzá tartozó hozzájárulás V 2 értéke 2 (-1) = -2 V. Ezért a teljes kimeneti feszültség az V ki = -1 - 2 = -3 V.

1. példa

ábrán látható összegző műveleti erősítő bemeneteire. 31,4, feszültség van rákapcsolvaV 1 = 20 mV és V 2 = -10 mV. Számítsa ki a kimeneti feszültségetV ki .

Rizs. 31.3.

Rizs. 31.4.

Megoldás

Kimeneti feszültség a V 1 = -5/1 · 20 = -100 mV.

Kimeneti feszültség aV 2 = -5/5 · (-10) = +10 mV.

Ezért a teljes kimeneti feszültség V ki = -100 + 10 = -90 mV.

Ebben az esetben a műveleti erősítőt 100%-ban negatív visszacsatolás hajtja (31.5. ábra), és nettó nyeresége 1. Vegye figyelembe, hogy a feszültségkövető kimeneti és bemeneti jelei fázisban vannak.

Offset feszültség

Nulla bemeneti jel esetén az ideális op-amp kimeneti jele nulla. A gyakorlatban ez nem így van: a műveleti erősítő kimenetén nullától eltérő jel (áram vagy feszültség) nulla bemeneti jel esetén is van. Annak érdekében, hogy nulla bemeneti jel mellett zéró kimeneti jelet érjünk el, olyan nagyságú és polaritású bemeneti előfeszítő áramot vagy előfeszítő feszültséget kell a műveleti erősítő bemenetére alkalmazni, hogy a bemeneti előfeszítő jelnek megfelelő kimeneti jel törölje az eredeti zavaró kimeneti jelet. .

A bemeneti előfeszítő áramot általában egy kiegészítő ellenállás segítségével állítják be Rábrán látható módon, az op-amp nem invertáló bemenetére csatlakozik. 31.6.

Rizs. 31.5. Feszültség átjátszó. Rizs. 31.6

Ennek az ellenállásnak az optimális ellenállását a képlet határozza meg

Általában, ha az erősítés nagyobb, mint négy, az ellenállás értékei R 2 és R 1 azonosnak lett kiválasztva. Az ellenállások bemutatása R 2 nem változtatja meg az invertáló erősítő erősítését, továbbra is egyenlő marad - R oc / R 1 . Amint később látni fogjuk, egyes IC-k tűket biztosítanak a műveleti erősítő kimenetének nulla feszültségre állításához.

Nem invertáló erősítő

Ebben az esetben a bemeneti jel az op-erősítő nem invertáló bemenetére kerül, amint az az ábrán látható. 31.7.

Gyakran emlékszem az első ismerkedésemre egy műveleti erősítővel (op-amp). Mindig is tudtam, hogy ezek a titokzatos háromszögek az ábrákon egész életemben hasznosak lesznek. A működési elvük tanulmányozásával töltött hosszú álmatlan éjszakák azonban nem vezettek semmire. Sok cikk van erről a témáról, de számomra úgy tűnik, hogy az alapok nem egyértelműek. Megpróbálom kicsit más irányból megközelíteni, és eloszlatni az OU szörnyű titkait.

Próbáljuk kitalálni, milyen „műveleteket” erősít a műveleti erősítőnk.

Probléma: van egy jelforrás, például egy mikrofon vagy egy gitár hangszedő. Ha a mikrofon közvetlenül csatlakozik a fejhallgatóhoz, akkor valószínűleg nem fog hallani semmit, legjobb esetben is alig észrevehető hang lesz.

Képzeljünk el mikrofon helyett egy olyan embert, aki nehéz födémet próbál felemelni, ezt természetesen nem tudja megtenni, és a mikrofon sem tudja lendíteni a hangszórót. De ha ez a személy egy kis erőt használ a daru működtetéséhez, akkor bármilyen terhet képes felemelni a daru teherbírásán belül. Azok. a csap ebben az esetben egy erősítő. A daru teherbírásának analógja az erősítő teljesítménye. A nyereség jelentésének egyértelműnek kell lennie a képen. A jel frekvenciája és alakja változatlan marad, csak az amplitúdó változik.

Most már tudjuk, hogy ahhoz, hogy hangot halljon a hangszórókból, erősítőre van szüksége. Bár nem tudjuk, hogyan működik, és mi van benne, azt már tudjuk, hogy kell lenniük olyan lábaknak, amelyekre az Uin-t erősíteni akarjuk, valamint olyan lábaknak, amelyekről eltávolítják az Uout erősített jelet.

A kérdés az, hogy milyen feszültségre lehet a jelet erősíteni? Azt mondod: „220 V-ot akarok 1 000 000 V-ra erősíteni”, de ez nem lehetséges, miért? Mivel az eredeti jelet külső forrás erősíti. A külső forrás az op-amp tápfeszültség lesz. Hasonlóképpen a daru sem tud a magassága fölé emelni a terhet (egyezzünk meg abban, hogy nem :)). Ezért az op-amp kimenet feszültsége nem haladhatja meg a tápfeszültséget. A valóságban még valamivel kisebb is, mint a tápfeszültség. Például az LM324 esetében a tápfeszültség 3 és 32 V között van.

Most már tudjuk, hogy a műveleti erősítő külső tápot igényel, rajzoljuk meg ezeket a lábakat

Egyébként megszoktuk, hogy a tápunk unipoláris +5V és földelt. Itt van egy finom megjegyzés, ha olyan jelet kell erősíteni, amelynek negatív értékei vannak,

akkor az -Upithoz negatív feszültségforrást kell csatlakoztatni, nem a földet. Ha csatlakoztatja a földet, akkor kiderül, hogy nincs feszültségforrás, és a jel „alsó” (negatív) része nem erősödik, pl. a jel egy része „le lesz vágva”, erről bővebben a példában.

Hasonlóképpen, ha a jelet a tápfeszültségnél jobban erősíti, akkor azokon a helyeken, ahol a jel meghaladja a tápfeszültséget, a jel „lekapcsol”, azaz. szinuszhullám helyett valami ilyesmit fogunk látni

A fő kérdés továbbra is az: hogyan kell beállítani az erősítést? Nagyon egyszerűen - feszültségosztó. De először térjünk át a valódibb jelölésekre. Minden op-erősítőnek legalább 5 lába van - 2 tápegység, amit fentebb említettünk, egy invertált bemenet (-), egy nem invertált bemenet (+) és egy kimenet.

Ezért attól függően, hogy a forrásjel melyik bemenetre kerül, kétféle csatlakozást különböztetünk meg: nem invertáló erősítő

Az erősítés, amely egyenlő K=(R4/R3)+1. Ebben az esetben K=4. Ebben az esetben a kimeneti jel alakja nem változik.

És invertálás, erősítéssel K=-(R2/R1). Ennél a sémánál K=3. A kimeneti jel fázison kívül lesz a bemenettel.

Térjünk át a szavakról a tettekre. Forrásjelként 1 kHz frekvenciájú négyszöghullámot vettünk. A jelnek pozitív és negatív értékei is vannak (a képernyő 0 közepe). Jel amplitúdója 50mV.

Az op-amp-ot (L324) nem invertáló erősítő áramkörrel csatlakoztatom. A tápegység egypólusú. Az op-amp kimenete azonos alakú, de nagyobb amplitúdójú jel. Valószínűleg nem teljesen világos, hogy a jel miért ilyen amplitúdójú, és miért tolódott felfelé.

Próbáljuk meg kitalálni. Az eredeti jel amplitúdója 50mV, R4=30k, R3=10k, a képletbe cseréljük be az 50*(30/10+1)=200mV-ot, nagyon hasonló az oszcilloszkópon láthatóhoz. Miért tolódott felfelé a jel? Emlékeztetünk az unipoláris tápegység hátrányára: 0 alatt mindent nem lehet felerősíteni, így a jel 0-nál megszakad.

Most képzeld el, hogy ha a tápcsapra negatív feszültségforrást kötnének mondjuk -5V, akkor a jel amplitúdója megduplázódna!!! Következésképpen a mennyiség is jelentősen megnőne.

Valójában ez egy kis előszó, mielőtt elkezdené tanulmányozni az op erősítőt, minden, ami fent van, csak csepp a tengerben, ha tetszett, írjon, fokozatosan elsajátítjuk az op erősítő egyéb alkalmazásait is, pl. és gyakorlati sémák.

Ebben a cikkben a műveleti erősítőről fogunk beszélni. Működési és használati példa.

Műveleti erősítő– félvezető alapú elektronikus erősítő áramkör, integrált kivitelben, két szimmetrikus bemenettel - közvetlen és inverz, nagy erősítéssel. Az integrált kialakítás magában foglalja a teljes erősítő kialakítást, amely egyetlen integrált áramkör (IC) csomagban van elhelyezve. A műveleti erősítők (OA) felhasználása nagyon változatos - különféle jelek erősítőiben, jelgenerátorokban, hangtartományban lévő frekvenciaszűrőkben, fizikai mennyiségek (hőmérséklet, megvilágítás, páratartalom, szél) monitorozására szolgáló áramkörökben stb.

Az op-amp előremenő bemenetét egy „+”, az inverz bemenetet pedig „-” jel jelzi. Tudnia kell, hogy a különféle szakirodalomban van egy másik elnevezés is: az inverz bemenetet kör jelzi. Ez az inverziós jel tipikus megjelölése, amely a digitális elektronikában - logikai elemekben is megtalálható. A közvetlen bemenet jelölésében nincs kör.

A gyógyszertári mérlegek nem képesek megmutatni, hogy egy tál töltésének súlya mennyiben tér el egy másik tál töltésének súlyától. A terhelések közötti különbségek durván megfigyeléséhez a műszaki-kémiai mérlegekben néha speciális függővezetékeket használnak, nyíllal kombinálva, amelyek egyúttal csökkentik a mérleg kis terhelésekre való „érzékenységét”. Hasonlóképpen negatív visszacsatolást vezetnek be az op-amp-ba, hogy csökkentsék annak érzékenységét a bemeneti jelre - egy visszacsatoló ellenállás, amely összeköti a kimenetet az op-amp inverz bemenetével, amint az a fenti ábrán látható.

Példa a műveleti erősítő használatára és működésére

Tekintsük egy műveleti erősítő működését egy olyan áramkör példáján, amely szabályozza a levegő hőmérsékletét, vagy más olyan tárgyat, amelyre termisztor van csatlakoztatva - egy hőmérséklet-érzékeny rádióelem, amely csökkenti az ellenállását a hőmérséklet emelkedésével. Az ábrán látható egy műveleti erősítő áramkör, amely méri a hőmérsékletet és jelez, ha egy meghatározott hőmérsékleti küszöböt túllép.

A műveleti erősítő bemenetei két rezisztív tápfeszültségosztóra csatlakoznak, ezek közül csak az egyik lineáris elemekből - ellenállásokból -, a második pedig egy nemlineáris elemet tartalmaz, amely a hőmérséklettől függően változtatja ellenállását. A Feszültségosztó cikkből megtudhatja, mi az a feszültségosztó. Ez a négy ellenállás kialakítása szerint mérőhíd funkcióját tölti be.

Ha a hőmérséklet „normális”, az R1 és R2 osztó „A” felezőpontjában (inverz műveleti erősítő bemenet) a feszültség nagyobb, mint az R3 és R4 osztó „B” felezőpontjában (közvetlen op-amp bemenet). ), ezért a műveleti erősítő kimenete alacsony szintű jel – a feszültség minimális, a tranzisztor zárva van, és a VL1 lámpa nem világít.

A hőmérséklet emelkedésével az R2 ellenállás ellenállása csökken, ezért az R1 és R2 osztó „A” felezőpontjában a feszültség is csökken. Amikor a hőmérséklet emelkedésével a termisztor ellenállása olyan értékre csökken, amelynél a feszültség az R1 és R2 osztó „A” felezőpontjában (az op-erősítő inverz bemenete) alacsonyabb lesz, mint a „B” felezőpontnál. az R3 és R4 osztó (az op-amp közvetlen bemenete), akkor a műveleti erősítő kimenetén magas szintű jel jelenik meg - a feszültség eléri a maximumot, a tranzisztor kinyílik és a lámpa világít.

Az ábrán látható hőmérséklet-szabályozó áramkör egy valódi működő áramkör, és helyes összeszerelés esetén azonnal működik. A reakcióhőmérséklet küszöbértékét az R4 ellenállással lehet beállítani. Akár akkumulátorról, akár egyenirányítóról táplálható. A tápfeszültség tartománya 6 és 30 volt között lehet.

Ha az R2 termisztort bármilyen felületre, például egy nagy teljesítményű tranzisztor hűtésére szolgáló radiátorra szerelik fel, és izzó helyett egy 12 voltos feszültségű közönséges számítógépes ventilátort (hűtőt) használnak, akkor az áramkör használható automatikus hűtőberendezés valamihez, például egy erős tranzisztorhoz. A ventilátor elindul, ha elér egy bizonyos hőmérsékletet, és leáll, miután a „vezérlő objektum” lehűlt.

A műveleti erősítő érzékenységének csökkentése érdekében, mint a gyógyszeripari mérlegek speciális függővezetékei, negatív visszacsatolást (NFB) használnak, amelyet egy ellenálláson hajtanak végre (a diagramban ez R5). Egy ellenállás köti össze az erősítő kimenetét az inverz bemenettel. Ahogy az erősítő kimeneti feszültsége növekszik, a kimeneti feszültség egy ellenálláson keresztül az erősítő negatív bemenetére kerül, ami a kimeneti feszültség csökkenését okozza. Minél kisebb a negatív visszacsatoló ellenállás ellenállása, annál nagyobb a visszacsatolás, és ezért annál rosszabb az op-amp erősítése. Az R5 visszacsatoló ellenállás értéke a diagramban javasolt mikroáramkör típusához 10 kiloohmtól 1,5 megaohmig terjedhet. A negatív visszacsatolás laposabbá teszi a kimeneti feszültség és a bemeneti feszültség grafikonját. Ezt a függést a bal oldali grafikon mutatja.

Ha egy műveleti erősítőt használnak egy automatizálási rendszer reléjének vezérlésére, vagy más olyan berendezésre, amely „nem tolerálja” a gyakori feszültségingadozásokat, akkor a gyakori kapcsolások vagy az érintkezők „pattogásának” elkerülése érdekében nem negatív, hanem pozitív visszacsatolás (POS) lehetséges. használva lenni. Ebben az esetben a visszacsatoló ellenállás az erősítő kimenetét nem az inverz bemenethez köti, hanem a közvetlenhez. Ezután, ahogy az erősítő kimenetén a feszültség növekszik, a kimeneti feszültség egy ellenálláson keresztül az erősítő pozitív bemenetére kerül, így az még gyorsabban növeli a kimeneti feszültséget. Ezzel a kapcsolattal a műveleti erősítő „bekapcsolása” és „kikapcsolása” is nagyobb feszültségkülönbséggel történik a bemeneti feszültségosztókon - a mérőhíd kiegyensúlyozatlansága -, mint negatív visszacsatolás esetén. Az erősítő kapcsolási mintája „élesebbé” válik - „bekapcsoláskor” meredekebb eleje van, „kikapcsoláskor” pedig meredek csökkenése van. Minél kisebb a pozitív visszacsatolási ellenállás ellenállása, annál nagyobb a visszacsatolás, és ezért annál nagyobb az op-amp nyeresége. De ne feledje, hogy a túlzott pozitív visszacsatolás a kimeneti jel torzulását és az op-erősítő öngerjesztését okozza.

Pozitív visszacsatolás (POF) esetén megjelenik egy mellékhatás - egy „hiszterézis hurok”, amelyben az erősítő nagyobb bemeneti feszültségkülönbséggel kapcsol be, és lényegesen kisebb különbséggel kapcsol ki, mint egy negatív visszacsatolású erősítőhöz. Minél erősebb a POS, annál téglalap alakú a hiszterézis hurok (az ábrán a jobb oldali grafikon). Az erős pozitív visszacsatolás jelenléte az áramkört Schmitt triggerré változtatja. Ezért ez a fajta visszacsatolás jelentős hőmérséklet-eloszlást tesz lehetővé egy automatikus hőmérséklet-szabályozó rendszerben, és nem alkalmas például inkubátorba, ahol nem megengedett a nagy hőmérséklet-szórás.

A műveleti erősítők egyetlen tápegységről is meghajthatók, amint azt korábban bemutattuk, de általában úgy tervezték, hogy kettős tápegységről működjenek. Bipoláris tápellátás szükséges azokban az áramkörökben, amelyekben a műveleti erősítő pozitív és negatív feszültséget is mér, vagy a mért feszültségek „nullához” hasonlíthatók, például harmonikus jelerősítő áramkörökben. Bipoláris tápegység esetén a műveleti erősítő kimeneti feszültsége a bemeneti jeltől függően a „-” táptól a „+” tápegységig változhat.

Bizonyos típusú bipoláris tápellátású műveleti erősítőkben lehetőség van a „nulla egyensúly” beállítására - olyan állapotra, amikor mindkét bemeneten nincs bemeneti jel, a kimeneti feszültség nem pozitív vagy negatív, hanem nullával egyenlő. . Erre a célra az op-amp mikroáramkörök speciális érintkezői vannak, amelyekhez egy trimmező ellenállás van csatlakoztatva a nulla egyensúly szabályozására.

Minden műveleti erősítő, amely a harmonikus jelek erősítésének módjában működik a nemlineáris torzítások kiküszöbölése érdekében, további elemekhez - szűrőkhöz - csatlakoztatható, amelyek általában kondenzátorokból és ellenállásokból állnak. Minden típusú műveleti erősítőnek saját szűrőáramköre van. Általában a kézikönyvekben szerepel.

Most kifejezetten az Ön számára fejlesztünk műveleti erősítő műhely hogy mindenki gyakorolhassa a munkát ezzel a hasznos mikroáramkörrel.

A műveleti erősítőt (op-amp) általában integrált DC erősítőnek nevezik, differenciális bemenettel és push-pull kimenettel, amelyet visszacsatoló áramkörökkel való együttműködésre terveztek. Az erősítő neve az eredeti alkalmazási területnek köszönhető - különféle műveletek végrehajtása analóg jeleken (összeadás, kivonás, integráció stb.). Jelenleg az op-erősítők többfunkciós egységként szolgálnak különféle elektronikus eszközök megvalósításában különféle célokra. Erősítésre, korlátozásra, szorzásra, frekvenciaszűrésre, generálásra, stabilizálásra stb. jelek folyamatos és impulzusos készülékekben.

Meg kell jegyezni, hogy a modern monolit op-erősítők méretükben és árában kissé eltérnek az egyes diszkrét elemektől, például a tranzisztoroktól. Ezért a különféle eszközök megvalósítása egy műveleti erősítőn gyakran sokkal egyszerűbb, mint a diszkrét elemeken vagy az erősítő IC-ken.

Egy ideális op-erősítő végtelenül nagy feszültségerősítéssel rendelkezik ( K és op-amp=∞), végtelenül nagy bemeneti impedancia, végtelenül kicsi kimeneti impedancia, végtelenül nagy CMRR és végtelenül széles működési frekvenciasáv. Természetesen a gyakorlatban ezen tulajdonságok egyike sem valósítható meg maradéktalanul, de sok területre elegendő mértékben megközelíthető.

A 6.1. ábra a műveleti erősítő szimbólumok két változatát mutatja - leegyszerűsítve (a) és további kivezetésekkel a tápáramkörök és a frekvenciakorrekciós áramkörök csatlakoztatására (b).

6.1. ábra. OS szimbólumok

Az ideális op-erősítő jellemzőire vonatkozó követelmények alapján lehetséges szintetizálni annak belső szerkezetét, amelyet a 6.2. ábra mutat be.

6.2. ábra. Az op-amp blokkvázlata

Egy egyszerű műveleti erősítő egyszerűsített elektromos áramköre, amely megvalósítja a 6.2. ábra blokkvázlatát, a 6.3. ábrán látható.

6.3. ábra. Egyszerű op-amp áramkör

Ez az áramkör tartalmaz egy bemeneti távirányítót (VT 1 és VT 2) áramtükörrel (VT 3 és VT 4), közbenső fokozatokat OK-val (VT 5) és OE-vel (VT 6), valamint egy kimeneti áramerősítőt a VT tranzisztoron. 7 és VT 8 . Az op-amp tartalmazhat frekvenciakorrekciós áramköröket (Ccor), tápegységet és hőstabilizáló áramköröket (VD 1, VD 2 stb.), IST-t stb. A bipoláris tápegység lehetővé teszi a galvanikus kommunikációt az op-amp fokozatai és a bemeneti és kimeneti nulla potenciálok között, jel hiányában. A nagy bemeneti impedancia elérése érdekében a bemeneti távirányító egyenáramról is működtethető. Megjegyzendő, hogy az op-amp áramköri megoldások széles választéka létezik, de felépítésük alapelveit a 6.3. ábra eléggé szemlélteti.

6.2. Az op-amp fő paraméterei és jellemzői

Az op-amp fő paramétere a visszacsatolás nélküli feszültségerősítés K u op-amp, amit teljes feszültségerősítésnek is neveznek. A mély- és középtartományban néha kijelölik K u Op-amp 0 és több tíz- és százezret is elérhet.

Az op-amp fontos paraméterei a pontossági paraméterek, amelyeket a bemeneti differenciálfokozat határoz meg. Mivel az 5.5 alfejezetben a távirányító pontossági paramétereit vettük figyelembe, itt ezek felsorolására szorítkozunk:

◆ nulla eltolási feszültség U cm;

◆ nulla eltolási feszültség hőmérséklet-érzékenysége dU cm/dT;

◆ előfeszítő áram Δ beírom;

◆ átlagos bemeneti áram beírtam sz.

Az op-amp bemeneti és kimeneti áramköreit a bemenet képviseli R bemenetés hétvégéken R ki a műveleti erősítőből az OOS áramkörök nélküli op-erősítőkhöz megadott ellenállások. A kimeneti áramkörhöz olyan paraméterek is megadva vannak, mint a maximális kimeneti áram Kiírom az OU-tés minimális terhelési ellenállás R n min és néha a maximális teherbírás. A műveleti erősítő bemeneti áramköre tartalmazhat kapacitást a bemenetek és a közös busz között. Az op-amp bemeneti és kimeneti áramköreinek egyszerűsített ekvivalens áramköreit a 6.4. ábra mutatja be.

6.4. ábra. Egy műveleti erősítő egyszerű lineáris makromodellje

Az op-amp paraméterei közül érdemes megemlíteni a CMRR-t és az áramforrás instabilitási hatásának csillapítási együtthatóját KOVNP=20lg·(Δ E/Δ U be). A modern op-erősítők mindkét paraméterének értéke (60...120) dB között van.

Az op-amp energia paraméterei között szerepel a tápegységek feszültsége ±E, az áramfelvétel (nyugalmi állapotban) I Pés energiafogyasztás. Általában, I P tized - tíz milliampert tesz ki, és az energiafogyasztás egyedileg meghatározott I P, mértékegységek - több tíz milliwatt.

Az op-amp maximálisan megengedett paraméterei a következők:

◆ maximális lehetséges (torzításmentes) kimeneti jelfeszültség U ki max (általában valamivel kisebb, mint E);

◆ legnagyobb megengedett teljesítménydisszipáció;

◆ üzemi hőmérséklet tartomány;

◆ maximális tápfeszültség;

◆ maximális bemeneti differenciálfeszültség stb.

A frekvenciaparaméterek közé tartozik az abszolút vágási frekvencia vagy az egységnyi erősítési frekvencia f T (F 1), azaz frekvencián, amelyen K u op-amp=1. Néha az elfordulási sebesség és a kimeneti feszültség beállási idejének fogalmát használják, amelyet az op-erősítő válasza a bemeneti feszültséglökés hatására határoz meg. Egyes műveleti erősítők esetében további paraméterek is rendelkezésre állnak, amelyek tükrözik az adott alkalmazási területet.

Az op-erősítő amplitúdó (átviteli) karakterisztikáját a 6.5. ábra mutatja be két függőség formájában. U ki=f(U be) invertáló és nem invertáló bemenetekhez.

Amikor az op-amp mindkét bemenetén U be=0, akkor hibafeszültség lesz jelen a kimeneten U osh, amelyet az op-amp precíziós paraméterei határoznak meg (6.5. ábra). U osh kis mérete miatt nem látható).

6.5. ábra. AH OU

Az op-erősítő frekvenciatulajdonságait a frekvenciaválasza reprezentálja, logaritmikus skálán, K u op-amp=φ(log f). Ezt a frekvenciamenetet logaritmikusnak (LAFC) hívják, tipikus formáját a 6.6. ábra mutatja (a K140UD10 műveleti erősítő esetében).

6.6. ábra. LFC és LFCH OU K140UD10

Frekvenciafüggőség K u op-amp a következőképpen ábrázolható:

Itt τ V az op-amp időállandója, amely a M in=3 dB határozza meg a műveleti erősítő csatolási (vágási) frekvenciáját (lásd 6.6. ábra);

ω V= 1/τ V= 2π f in.

Cseréje a for kifejezésben K u op-amp τ V 1/ω-vel V, a LACHH bejegyzést kapjuk:

Mély és középhangon K u Op-amp=20 lg K u Op-amp 0, azaz Az LFC a frekvenciatengellyel párhuzamos egyenes. Némi közelítéssel feltételezhetjük, hogy a HF régióban a csökkenés K u Op-amp 20 dB/dekád (6 dB/oktáv) sebességgel fordul elő. Ekkor ω>>ω esetén V leegyszerűsítheti a LAC kifejezést:

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

Így az LFC-t a HF régióban egy egyenes vonal képviseli, amelynek meredeksége a frekvenciatengelyhez képest 20 dB/dec. Az LFC-t reprezentáló figyelembe vett egyenesek metszéspontja megfelel az ω konjugációs frekvenciának V (f in). A különbség a valós és az ideális LFC között frekvencián f in körülbelül 3 dB (lásd a 6.6. ábrát), azonban az elemzés megkönnyítése érdekében ez megengedett, és az ilyen grafikonokat általában ún. Bode diagramok .

Megjegyzendő, hogy a 20 dB/dec LFC csillapítási arány jellemző a külső vagy belső korrekciós korrigált op-erősítőkre, amelyek alapelveit az alábbiakban tárgyaljuk.

A 6.6. ábra a logaritmikus fázisválaszt (LPFC) is mutatja, amely a kimeneti jel j fáziseltolásának a bemeneti jelhez viszonyított frekvenciától való függése. A valódi LFFC legfeljebb 6°-kal tér el a bemutatotttól. Ne feledje, hogy valódi műveleti erősítő esetén j=45° frekvencián f in, és frekvencián f T-90°. Így a munkajel belső fáziseltolása a korrigált op-ampban a HF tartományban elérheti a 90°-ot.

Az op-amp fentebb tárgyalt paraméterei és jellemzői OOS áramkörök hiányában írják le. Azonban, amint megjegyeztük, az op-erősítőket szinte mindig OOS-áramkörökkel használják, ami jelentősen befolyásolja annak összes mutatóját.

6.3. Invertáló erősítő

Az op-erősítőket leggyakrabban invertáló és nem invertáló erősítőkben használják. Az op-amp invertáló erősítő egyszerűsített kapcsolási rajza a 6.7. ábrán látható.

6.7. ábra. Op amp invertáló erősítő

Az R1 ellenállás a jelforrás belső ellenállását jelenti Például, az R os segítségével az OU-t lefedi ∥OOSN.

Ideális op-amp esetén a feszültségkülönbség a bemeneti kapcsokon nullára hajlik, és mivel a nem invertáló bemenet az R2 ellenálláson keresztül csatlakozik a közös buszhoz, a pontban a potenciál a nullának is kell lennie („virtuális nulla”, „látszólagos föld”). Ennek eredményeként a következőket írhatjuk: I g=I os, azaz Például/R 1 =–U ki/R os. Innen kapjuk:

K U bev = U ki/Például = –R os/R 1 ,

azok. ideális op erősítővel K U bev a külső ellenállások értékének aránya határozza meg, és nem függ magától az op-amp-tól.

Egy igazi op-amp esetében figyelembe kell venni a bemeneti áramát beírom, azaz I g=I os+beírom vagy ( Például–U be)/R 1 =(U be–U ki)/R os+U be/U bemenet, Ahol U be- jelfeszültség az op-amp invertáló bemenetén, pl. azon a ponton a. Akkor egy igazi op-amp kapunk:

Könnyen kimutatható, hogy ha az OOS mélysége több mint 10, pl. K u op-amp/K U bev=F>10, számítási hiba K U bev egy ideális op-amp esetében nem haladja meg a 10%-ot, ami a legtöbb gyakorlati esetre elég.

Az op-amp eszközök ellenállásértékei nem haladhatják meg a több megaohmot, különben az erősítő instabil működése fordulhat elő szivárgási áramok, op-amp bemeneti áramok stb. Ha a számítás eredményeként az érték R os meghaladja az ajánlott maximális értéket, akkor célszerű T-alakú OOS láncot használni, amely mérsékelt ellenállásértékek mellett lehetővé teszi az egyenértékű nagy ellenállás funkciójának ellátását R os(6.7b ábra) . Ebben az esetben a következőket írhatja:

A gyakorlatban gyakran azt feltételezik R OS 1 =R OS 2 >>R OS 3 és az érték R 1-et szoktak adni, tehát R OS 3 nagyon egyszerűen meghatározható.

Op-amp invertáló erősítő bemeneti impedanciája R bemenet bev viszonylag kis értéket határoz meg párhuzamos OOS:

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

azok. szabadlábon K u op-amp a bemeneti ellenállást az érték határozza meg R 1 .

Invertálja az erősítő kimeneti impedanciáját R ki bev egy valódi műveleti erősítőben különbözik a nullától, és így van meghatározva R out op amp, és a környezetvédelem mélysége F. F>10-re írhatjuk:

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

A műveleti erősítő LFC-jével ábrázolhatja az invertáló erősítő frekvenciatartományát (lásd 6.6. ábra), ill.

f OC = f T/K U bev.

Az elérhető limiten belül K U bev=1, azaz kap egy invertáló követőt. Ebben az esetben megkapjuk az op-amp erősítő minimális kimeneti impedanciáját:

R ki = R out op amp/K u op-amp.

Erősítőben valódi műveleti erősítőt használva az erősítő kimenetén at U be=0 hibafeszültség mindig jelen lesz U osh, generált U cmés Δ beírom. Annak érdekében, hogy csökkentsük U osh törekedjünk az op-amp bemeneteire kapcsolt egyenértékű ellenállások kiegyenlítésére, pl. vesz R 2 =R 1 ∥R os(Lásd a 6.7a ábrát). Ha ez a feltétel teljesül a K U bev>10 írható:

U osh ≈ U cm K U bev + Δ I in R os.

Csökken U osh lehetséges a nem invertáló bemenet további torzításával (további osztó használatával) és a használt ellenállások értékének csökkentésével.

A figyelembe vett invertáló UPT alapján lehetőség van AC erősítő létrehozására elválasztó kondenzátorok bemenetére és kimenetére történő csatlakoztatásával, amelyek névlegességét egy adott frekvencia torzítási tényező alapján határozzuk meg. M n(lásd a 2.5. alfejezetet).

6.4. Nem invertáló erősítő

A 6.8. ábrán egy nem invertáló műveleti erősítő egyszerűsített kapcsolási rajza látható.

6.8. ábra. Nem invertáló op-amp erősítő

Könnyen kimutatható, hogy egy nem invertáló erősítőben az op-amp-ot lefedi a POSN. Mert a U beÉs U os Különböző bemenetekre vannak ellátva, akkor ideális op-erősítőhöz írhatjuk:

U be = U ki R 1 /(R 1 + R os),

honnan a nem invertáló erősítő feszültségerősítése:

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

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

Valódi műveleti erősítőn alapuló, nem invertáló erősítő esetén a kapott kifejezések F>10 visszacsatolási mélységnél érvényesek.

Nem invertáló erősítő bemeneti impedanciája R bemenet noninv nagy, és a mély konzisztens OOS és a magas érték határozza meg R bemenet:

R bemenet noninv = R bemenet· F = R bemenet· K U OU/K U noninv.

A nem invertáló műveleti erősítő kimeneti impedanciája úgy van meghatározva, mint az invertáló erősítőké, mert mindkét esetben a feszültségvédelmi rendszer érvényes:

R ki nem bev = R ki a műveleti erősítőből/F = R ki a műveleti erősítőből/K U noninv/K U OU.

A működési frekvenciasáv kiterjesztése nem invertáló erősítőben ugyanúgy történik, mint az invertáló erősítőnél, azaz.

f OC = f T/K U noninv.

Az invertáló erősítőhöz hasonló, nem invertáló erősítő áramhibájának csökkentése érdekében a következő feltételnek kell teljesülnie:

R g = R 1 ∥R os.

Nem invertáló erősítőt gyakran használnak nagy R g(ami a nagy méret miatt lehetséges R bemenet noninv), ezért ennek a feltételnek a teljesítése az ellenállásértékek értékére vonatkozó korlátozások miatt nem mindig lehetséges.

Közös módú jel jelenléte az invertáló bemeneten (az áramkörön keresztül: nem invertáló op-amp bemenet ⇒ op-amp kimenet ⇒ R os⇒ az op-amp bemenetének invertálása) növekedéshez vezet U osh, ami a szóban forgó erősítő hátránya.

A környezetvédelem mélységének növelésével el lehet érni K U noninv=1, azaz nem invertáló átjátszó beszerzése, melynek áramkörét a 6.9. ábra mutatja.

6.9. ábra. Nem invertáló op-amp követő

Itt 100% POSN érhető el, így ennek az átjátszónak van a legnagyobb bemeneti és minimális kimeneti impedanciája, és mint minden átjátszót, illesztő fokozatként használják. Nem invertáló követő esetén a következőket írhatja:

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

azok. A hibafeszültség elég nagy értékeket is elérhet.

A figyelembe vett nem invertáló UPT alapján lehetőség van AC erősítő létrehozására is úgy, hogy a be- és kimenetre elválasztó kondenzátorokat kapcsolunk, melyek névlegességét egy adott frekvencia torzítási tényező alapján határozzuk meg. M n(lásd a 2.5. alfejezetet).

A műveleti erősítőkön alapuló invertáló és nem invertáló erősítők mellett különféle op-amp opciók állnak rendelkezésre, amelyek közül néhányat az alábbiakban tárgyalunk.

6.5. A műveleti erősítő vezérlőegységeinek típusai

differenciális (differenciális) erősítő , melynek diagramja a 6.10.

6.10. ábra. Op-amp különbségi erősítő

Az op-amp differenciális erősítőt invertáló és nem invertáló erősítő opciók kombinációjának tekinthetjük. Mert U ki differencia erősítő írható:

U ki = K U inv U in 1 +K U noninv U in 2 R 3 /(R 2 + R 3).

Általában, R 1 =R 2 és R 3 =R os, ennélfogva, R 3 /R 2 =R os/R 1 =m. Az erősítési tényezők értékeit kibővítve a következőket kapjuk:

U ki = m(U be 2 – U be 1),

Arra a speciális esetre, amikor R 2 =R 3 kapjuk:

U ki = U be 2 – U be 1 .

Az utolsó kifejezés egyértelműen megmagyarázza a szóban forgó erősítő nevének és céljának eredetét.

Az op-amp alapú különbségi erősítőben azonos polaritású bemeneti feszültség mellett közös módusú jel keletkezik, ami növeli az erősítő hibáját. Ezért a különbségi erősítőben kívánatos nagy CMRR-rel rendelkező op-erősítőt használni. A figyelembe vett különbségi erősítő hátrányai közé tartozik a bemeneti ellenállások eltérő értéke és az erősítés beállításának nehézsége. Ezek a nehézségek kiküszöbölhetők a több műveleti erősítőt használó eszközökben, például két átjátszós differenciálerősítőben (6.11. ábra).

6.11. ábra. Átjátszó különbségi erősítő

Ez az áramkör szimmetrikus, és azonos bemeneti ellenállásokkal és alacsony hibafeszültséggel rendelkezik, de csak szimmetrikus terhelés esetén működik.

Az op-amp alapján kivitelezhető logaritmikus erősítő , melynek sematikus diagramja a 6.12.

6.12 ábra Logaritmikus műveleti erősítő

A VD dióda P-n átmenete előre előfeszített. Feltételezve, hogy az op-amp ideális, egyenlőségjelet tehetünk az áramok között én 1 és én 2. A p-n átmenet áram-feszültség karakterisztikájának kifejezésével ( én=én 0 ), könnyű leírni:

U be/R= én 0 ·,

ahonnan az átalakítások után kapjuk:

U ki = φ T ln( U be/én 0 R) = φ T(ln U be– ln én 0 R),

amiből az következik, hogy a kimeneti feszültség arányos a bemenet logaritmusával, és az ln tag én 0 R a logaritmus hibáját jelenti. Meg kell jegyezni, hogy ez a kifejezés egy voltra normalizált feszültségeket használ.

A VD dióda és az R ellenállás cseréjekor azt kapjuk antilog erősítő .

Invertáló és nem invertáló összeadók műveleti erősítőkön, amelyeket összegző erősítőknek vagy analóg összeadóknak is neveznek. A 6.13. ábra egy három bemenettel rendelkező invertáló összeadó sematikus diagramját mutatja. Ez az eszköz egyfajta invertáló erősítő, amelynek számos tulajdonsága az invertáló összeadóban is megnyilvánul.

6.13. ábra. Op-amp invertáló összeadó

U be 1 /R 1 + U be 2 /R 2 + U be 3 /R 3 = –U ki/R os,

A kapott kifejezésből az következik, hogy a készülék kimeneti feszültsége a bemeneti feszültségek összege szorozva az erősítéssel K U bev. Nál nél R os=R 1 =R 2 =R 3 K U bev=1 és U ki=U be 1 +U be 2 +U be 3 .

Amikor a feltétel teljesül R 4 =R os∥R 1 ∥R 2 ∥R 3, az aktuális hiba kicsi, és a képlet segítségével kiszámítható U osh=U cm(K U osh+1), hol K U osh=R os/(R 1 ∥R 2 ∥R 3) - hibajel-erősítési tényező, amelynek nagyobb az értéke, mint K U bev.

Nem invertáló összeadó Ugyanúgy van megvalósítva, mint egy invertáló összeadó, de a műveleti erősítő nem invertáló bemenetét kell használnia a nem invertáló erősítőhöz hasonlóan.

Ha a Roc ellenállást C kondenzátorra cseréljük (6.14. ábra), akkor az ún. analóg integrátor vagy csak egy integrátor.

6.14. ábra. Analóg integrátor az op-ampon

Ideális op-amp esetén az áramok egyenlővé tehetők én 1 és én 2, amelyből az következik:

Minél nagyobb az integrációs pontosság, annál nagyobb K u op-amp.

A figyelembe vett vezérlőegységeken kívül számos folyamatos eszközben is használatosak a műveleti erősítők, amelyekről az alábbiakban lesz szó.

6.6. Frekvencia válasz korrekció

A frekvenciakarakterisztikák korrekciója alatt az LFC és LPFC megváltoztatását értjük, hogy az op-amp eszközöktől megkapjuk a szükséges tulajdonságokat, és mindenekelőtt a stabil működést biztosítsuk. Általában op-erősítőt használnak az OOS áramkörökhöz, azonban bizonyos körülmények között a jel frekvenciakomponenseinek további fáziseltolásai miatt az OOS POS-vé alakulhat, és az erősítő elveszti stabilitását. Mivel az OOS nagyon mély ( βK U>>1), különösen fontos a bemeneti és a kimeneti jelek közötti fáziseltolás biztosítása, hogy ne legyen gerjesztés.

Korábban a 6.6. ábrán a korrigált műveleti erősítő LFC és LPFC válaszát mutattuk be olyan formában, amely megegyezik egy erősítő fokozat LFC és LPFC válaszával, amelyből látható, hogy a maximális fáziseltolódás φ<90° при K u op-amp>1, és az erősítési csillapítás mértéke a HF régióban 20 dB/dec. Egy ilyen erősítő a visszacsatolás bármely mélységében stabil.

Ha a műveleti erősítő több (például három) kaszkádból áll, amelyek mindegyikének a csillapítási sebessége 20 dB/dec, és nem tartalmaz korrekciós áramköröket, akkor az LFC és az LPFC összetettebb alakú (6.15. ábra) instabil rezgések tartományát tartalmazzák.

6.15. ábra. LFC és LPFC nem korrigált op-amp

Az op-amp eszközök stabil működésének biztosítására belső és külső korrekciós áramköröket alkalmaznak, amelyek segítségével a maximális működési frekvencián 135°-nál kisebb nyitott visszacsatoló hurokkal teljes fáziseltolódást érnek el. Ebben az esetben automatikusan kiderül, hogy a visszaesés K u op-amp körülbelül 20 dB/dec.

Kényelmes az op-amp eszközök stabilitásának kritériumaként használni Bode-kritérium , a következőképpen fogalmazva: "Egy visszacsatoló áramkörrel rendelkező erősítő akkor stabil, ha a decibelben kifejezett erősítésének egyenes vonala keresztezi az LFC-t egy 20 dB/dec gördülési szakaszban." Így arra a következtetésre juthatunk, hogy az op-amp frekvenciakorrekciós áramköreinek biztosítaniuk kell a csillapítási sebességet K U bev(K U noninv) HF-en körülbelül 20 dB/dec.

Frekvenciajavító áramkörök beépíthetők a félvezető kristályba, vagy külső elemekkel hozhatók létre. A legegyszerűbb frekvenciakorrekciós áramkört egy kellően nagy értékű Ccor kondenzátor csatlakoztatásával hajtják végre az op-amp kimenetére. Szükséges, hogy az időállandó τ mag=R ki C kor nagyobb volt, mint 1/2π f in. Ebben az esetben a nagyfrekvenciás jelek az op-amp kimenetén C magra söntölődnek, és a működési frekvenciasáv szűkül, legtöbbjük meglehetősen jelentősen, ami az ilyen típusú korrekciók jelentős hátránya. Az ebben az esetben kapott LFC-t a 6.16. ábra mutatja.

6.16. ábra. Frekvenciakorrekció külső kondenzátorral

Recesszió K u op-amp itt nem haladja meg a 20 dB/dec értéket, és maga az op-amp is stabil lesz az OOS bevezetésével, mivel a φ soha nem haladja meg a 135°-ot.

Az integráló (lag korrekció) és a differenciáló (fejlett korrekció) típusú korrekciós áramkörök fejlettebbek. Általában az integráló típusú korrekció a korrekciós (terhelési) kapacitás hatásához hasonlóan nyilvánul meg. A korrekciós RC áramkör a műveleti erősítő fokozatok közé csatlakozik (6.17. ábra).

6.17. ábra. Integráló típusú frekvenciakorrekció

Az R 1 ellenállás az op-amp fokozat bemeneti ellenállása, maga a korrekciós áramkör pedig R magot és C magot tartalmaz. Ennek az áramkörnek az időállandójának nagyobbnak kell lennie, mint bármely műveleti erősítő fokozat időállandója. Mivel a korrekciós áramkör a legegyszerűbb egylinkes RC áramkör, LFC meredeksége 20 dB/dec, ami garantálja az erősítő stabil működését. És ebben az esetben a korrekciós áramkör leszűkíti az erősítő működési frekvenciasávját, de a széles sáv még mindig nem ad semmit, ha az erősítő instabil.

A viszonylag széles sávú op-erősítő stabil működését differenciál típusú korrekció biztosítja. Ennek az LFC és LPFC korrekciós módszernek a lényege, hogy az RF jelek áthaladnak az op-amp belsejében, megkerülve a maximumot biztosító kaszkádok (vagy elemek) egy részét. K u Op-amp 0, nem erősítik vagy késleltetik a fázist. Ennek eredményeként az RF jelek kevésbé erősödnek, de kis fáziseltolásuk nem vezet az erősítő stabilitásának elvesztéséhez. A differenciál típusú korrekció megvalósításához egy korrekciós kondenzátort kell csatlakoztatni az op-amp speciális kivezetéseihez (6.18. ábra).

6.18. ábra. Differenciál típusú frekvencia korrekció

A figyelembe vett korrekciós áramkörökön kívül mások is ismertek (lásd például). A korrekciós sémák és elemeik értékének kiválasztásakor hivatkozzon a referencia irodalomra (például).