Çeşitli anahtarlama devrelerinde bir işlemsel yükselteç kullanıldığında, tek bir işlemsel yükselteçteki (op-amp) bir aşamanın kazancının yalnızca geri besleme derinliğine bağlı olduğu gösterilmiştir. Bu nedenle, belirli bir devrenin kazancını belirleme formüllerinde, tabiri caizse "çıplak" op-amp'in kazancı kullanılmaz. Yani, tam olarak referans kitaplarında belirtilen devasa katsayı.

O zaman şu soruyu sormak oldukça uygundur: "Nihai sonuç (kazanç) bu devasa "referans" katsayısına bağlı değilse, o zaman kazancı birkaç bin kat olan bir op-amp ile aynı op-amp, ancak birkaç yüz bin ve hatta milyonlarca kazançla mı?

Cevap oldukça basit. Her iki durumda da sonuç aynı olacaktır, kademenin kazancı OOS elemanları tarafından belirlenecektir, ancak ikinci durumda (yüksek kazançlı op-amp) devre daha kararlı, daha doğru çalışır, böyle bir performansın performansı devreler çok daha yüksektir. Op-amp'lerin genel amaçlı op-amp'ler ve yüksek hassasiyetli, hassas olanlara ayrılması sebepsiz değildir.

Daha önce de belirtildiği gibi, söz konusu amplifikatörler "operasyonel" adını, esas olarak analog bilgisayarlarda (AVM'ler) matematiksel işlemleri gerçekleştirmek için kullanıldıkları o uzak zamanda aldılar. Bunlar toplama, çıkarma, çarpma, bölme, kare alma ve daha birçok fonksiyon işlemleriydi.

Bu tufan öncesi op-amp'ler, vakum tüpleri ve daha sonra ayrı transistörler ve diğer radyo bileşenleri kullanılarak yapıldı. Doğal olarak transistörlü op-amp'lerin boyutları bile amatör tasarımlarda kullanılabilecek kadar büyüktü.

Ve ancak entegre elektroniklerin başarıları sayesinde, op-amp'ler sıradan bir düşük güçlü transistörün boyutuna geldikten sonra, bu parçaların ev aletlerinde ve amatör devrelerde kullanımı haklı çıktı.

Bu arada, oldukça yüksek kalitede bile modern op-amp'lerin fiyatı iki veya üç transistörden çok daha yüksek değildir. Bu ifade genel amaçlı op amplifikatörler için geçerlidir. Hassas amplifikatörler biraz daha pahalıya mal olabilir.

Op-amp devreleriyle ilgili olarak, hepsinin bipolar bir güç kaynağından güç alacak şekilde tasarlandığını hemen belirtmekte fayda var. Bu mod, bir op-amp için en "tanıdık" moddur ve yalnızca sinüs dalgası gibi alternatif voltaj sinyallerini değil aynı zamanda doğru akım sinyallerini veya basitçe voltajı da yükseltmesine olanak tanır.

Ancak yine de çoğu zaman op-amp devrelerine tek kutuplu bir kaynaktan güç sağlanır. Doğru, bu durumda sabit voltajı artırmak mümkün değildir. Ancak çoğu zaman bunun gerekli olmadığı da olur. Tek kutuplu güç kaynağına sahip devrelere daha sonra değineceğiz ancak şimdilik iki kutuplu güç kaynağına sahip op-amp'leri açmak için kullanılan devrelere devam edelim.

Çoğu op amp'in besleme voltajı çoğunlukla ±15V dahilindedir. Ancak bu, bu voltajın biraz daha düşük hale getirilemeyeceği anlamına gelmez (daha yüksek olması önerilmez). Pek çok op-amp ±3V'den başlayarak çok kararlı bir şekilde çalışır ve bazı modeller ±1,5V'a bile ulaşır. Bu olasılık teknik belgelerde (Veri Sayfası) belirtilmiştir.

Gerilim tekrarlayıcı

Devre tasarımı açısından en basit op-amp cihazı olup devresi Şekil 1'de gösterilmektedir.

Şekil 1. İşlemsel yükselteç voltaj takipçisi devresi

Böyle bir devre oluşturmak için op-amp dışında tek bir parçaya ihtiyaç duyulmadığını görmek kolaydır. Doğru, şekil güç bağlantısını göstermiyor, ancak bu tür diyagramlar her zaman bulunur. Not etmek istediğim tek şey, op-amp güç pinleri arasına (örneğin, KR140UD708 op-amp için bunlar 7 ve 4 numaralı pinlerdir) ve ortak kablonun 0,01...0,5 kapasiteyle bağlanması gerektiğidir. uF.

Amaçları, op-amp'in çalışmasını daha kararlı hale getirmek, güç devreleri boyunca devrenin kendi kendine uyarılmasından kurtulmaktır. Kondansatörler, mikro devrenin güç pinlerine mümkün olduğunca yakın bağlanmalıdır. Bazen birkaç mikro devreden oluşan grup başına bir kapasitör bağlanır. Aynı kapasitörler dijital mikro devreli kartlarda da görülebilir, amaçları aynıdır.

Tekrarlayıcı kazancı bire eşittir veya başka bir deyişle kazanç yoktur. O halde neden böyle bir şemaya ihtiyacımız var? Burada, asıl amacı farklı giriş dirençlerine sahip basamakları eşleştirmek olan bir yayıcı takipçisi olan bir transistör devresi olduğunu hatırlamak oldukça uygundur. Bu tür basamaklara (tekrarlayıcılara) aynı zamanda tampon basamakları da denir.

Bir tekrarlayıcının bir op-amp'e giriş empedansı, op-amp'in giriş empedansı ve kazancının çarpımı olarak hesaplanır. Örneğin bahsedilen UD708 için giriş empedansı yaklaşık 0,5 MOhm, kazanç ise en az 30.000 ve belki daha fazladır. Bu sayılar çarpılırsa giriş direnci 15 GOhm olur ve bu da kağıt gibi çok kaliteli olmayan yalıtımın direnciyle karşılaştırılabilir. Bu kadar yüksek bir sonucun geleneksel bir emitör takipçisi ile elde edilmesi pek olası değildir.

Açıklamaların şüphe yaratmamasını sağlamak için aşağıda Multisim simülatör programında açıklanan tüm devrelerin çalışmasını gösteren şekiller verilecektir. Elbette tüm bu devreler devre tahtaları üzerine monte edilebilir ancak bir monitör ekranında daha kötü sonuçlar elde edilemez.

Aslında burası biraz daha iyi: Bir direnci veya mikro devreyi değiştirmek için bir yerdeki rafa tırmanmanıza gerek yok. Burada her şey, hatta ölçüm cihazları bile programın içindedir ve fare veya klavye kullanılarak "ulaşılabilir".

Şekil 2 Multisim programında yapılan tekrarlayıcı devreyi göstermektedir.

Şekil 2.

Devreyi araştırmak oldukça basittir. Şekil 3'te gösterildiği gibi, fonksiyonel jeneratörden tekrarlayıcı girişine 1 KHz frekanslı ve 2V genlikli sinüzoidal bir sinyal sağlanır.

Figür 3.

Tekrarlayıcının giriş ve çıkışındaki sinyal bir osiloskop tarafından gözlemlenir: giriş sinyali mavi ışın olarak, çıkış ışını ise kırmızı olarak görüntülenir.

Şekil 4.

Dikkatli okuyucu neden çıkış (kırmızı) sinyalinin giriş mavi sinyalinden iki kat daha büyük olduğunu sorabilir? Her şey çok basit: Osiloskop kanallarının aynı hassasiyetiyle, aynı genliğe ve faza sahip her iki sinüzoid birleşerek birbirinin arkasına saklanır.

Her ikisini de aynı anda görebilmek için kanallardan birinin, bu durumda girişin hassasiyetini azaltmak zorunda kaldık. Sonuç olarak, mavi sinüzoid ekranda tam olarak yarı boyuta ulaştı ve kırmızı olanın arkasına saklanmayı bıraktı. Bununla birlikte, benzer bir sonuç elde etmek için, kanalların hassasiyetini aynı bırakarak osiloskop kontrollerini kullanarak ışınları kolayca değiştirebilirsiniz.

Her iki sinüzoid de zaman eksenine göre simetrik olarak yerleştirilmiştir; bu, sinyalin sabit bileşeninin sıfır olduğunu gösterir. Giriş sinyaline küçük bir DC bileşeni eklerseniz ne olur? Sanal jeneratör, sinüs dalgasını Y ekseni boyunca kaydırmanıza izin verir.Hadi bunu 500mV kadar yukarı kaydırmaya çalışalım.

Şekil 5.

Bunun sonucunda ortaya çıkan şey Şekil 6'da gösterilmektedir.

Şekil 6.

Giriş ve çıkış sinüzoidlerinin hiç değişmeden yarım volt kadar arttığı dikkat çekicidir. Bu, tekrarlayıcının sinyalin DC bileşenini doğru bir şekilde ilettiğini gösterir. Ancak çoğu zaman bu sabit bileşenden kurtulmaya ve onu sıfıra eşitlemeye çalışırlar, bu da kademeler arası dekuplaj kapasitörleri gibi devre elemanlarının kullanımını önler.

Tekrarlayıcı elbette iyi ve hatta güzel: tek bir ek parçaya ihtiyaç yoktu (küçük "katkı maddeleri" içeren tekrarlayıcı devreler olmasına rağmen), ancak herhangi bir kazanç elde etmediler. O zaman bu nasıl bir amplifikatör? Bir amplifikatör oluşturmak için yalnızca birkaç ayrıntı eklemeniz gerekir; bunun nasıl yapılacağı daha sonra tartışılacaktır.

Ters amplifikatör

Bir op-amp'ten evirici bir amplifikatör yapmak için yalnızca iki direnç eklemek yeterlidir. Bunun sonucunda ortaya çıkan şey Şekil 7'de gösterilmektedir.

Şekil 7. Ters çevirici amplifikatör devresi

Böyle bir amplifikatörün kazancı K=-(R2/R1) formülü kullanılarak hesaplanır. Eksi işareti, amplifikatörün kötü olduğu anlamına gelmez, yalnızca çıkış sinyalinin giriş sinyalinin tersi fazda olacağı anlamına gelir. Amplifikatörün ters çevirici amplifikatör olarak adlandırılması boşuna değildir. Burada OE ile devreye göre bağlanan transistörü hatırlamak yerinde olacaktır. Burada da transistörün toplayıcısındaki çıkış sinyali, tabana uygulanan giriş sinyaliyle faz dışıdır.

Transistörün toplayıcısında temiz, bozulmamış bir sinüs dalgası elde etmek için ne kadar çaba harcamanız gerektiğini hatırlamaya değer yer burasıdır. Transistörün tabanındaki polariteyi buna göre seçmek gerekir. Bu genellikle oldukça karmaşıktır ve birçok parametreye bağlıdır.

Bir op-amp kullanırken dirençlerin direncini formüle göre hesaplamak ve belirtilen kazancı elde etmek yeterlidir. Bir op-amp kullanarak bir devre kurmanın, birkaç transistör aşaması kurmaktan çok daha basit olduğu ortaya çıktı. Dolayısıyla planın işe yaramayacağından, işe yaramayacağından korkmanıza gerek yok.

Şekil 8.

Buradaki her şey önceki şekillerdekiyle aynı: giriş sinyali mavi renkte, amplifikatörden sonraki sinyal ise kırmızı renkte gösteriliyor. Her şey K=-(R2/R1) formülüne karşılık gelir. Çıkış sinyali giriş ile faz dışıdır (bu formüldeki eksi işaretine karşılık gelir) ve çıkış sinyalinin genliği girişin tam olarak iki katıdır. Bu aynı zamanda (R2/R1)=(20/10)=2 oranı için de geçerlidir. Kazancı (örneğin 10) elde etmek için R2 direncinin direncini 100KOhm'a çıkarmak yeterlidir.

Aslında evirici amplifikatör devresi biraz daha karmaşık olabilir; bu seçenek Şekil 9'da gösterilmektedir.

Şekil 9.

Burada yeni bir parça ortaya çıktı - direnç R3 (daha ziyade önceki devreden kayboldu). Amacı, çıkıştaki DC bileşeninin sıcaklık dengesizliğini azaltmak için gerçek bir op-amp'in giriş akımlarını telafi etmektir. Bu direncin değeri R3=R1*R2/(R1+R2) formülüne göre seçilir.

Modern oldukça kararlı op-amp'ler, evirmeyen girişin, R3 direnci olmadan doğrudan ortak kabloya bağlanmasına olanak tanır. Bu elemanın varlığı kötü bir şey yapmayacak olsa da, mevcut üretim ölçeğinde her şeyden tasarruf ettiklerinde bu direnci takmamayı tercih ediyorlar.

Çevirici amplifikatörün hesaplanmasına yönelik formüller Şekil 10'da gösterilmektedir. Neden şekilde? Evet, açıklık getirmek gerekirse, bir metin satırında o kadar tanıdık ve anlaşılır görünmezler, o kadar fark edilmezler.

Şekil 10.

Kazanç faktöründen daha önce bahsedilmişti. Burada dikkat edilmesi gereken tek şey, evirici olmayan amplifikatörün giriş ve çıkış empedanslarıdır. Giriş direnciyle ilgili her şey açık görünüyor: R1 direncinin direncine eşit olduğu ortaya çıkıyor, ancak çıkış direncinin Şekil 11'de gösterilen formül kullanılarak hesaplanması gerekecek.

“K” harfi op-amp'in referans katsayısını belirtir. Burada lütfen çıkış direncinin neye eşit olacağını hesaplayın. Sonuç, K" değeri 30.000'den fazla olmayan ortalama bir UD7 tipi op-amp için bile oldukça küçük bir rakam olacaktır. Bu durumda bu iyidir: sonuçta, kademenin çıkış empedansı ne kadar düşük olursa (bu yalnızca op-amp basamakları için geçerli değildir), yük ne kadar güçlü olursa, makul şartlarda elbette sınırlar dahilinde bu kademeye bağlanabilirsiniz.

Çıkış direncini hesaplamak için formülün paydasındaki birime özel dikkat gösterilmelidir. R2/R1 oranının örneğin 100 olduğunu varsayalım. Bu tam olarak evirici amplifikatör kazancının 100 olması durumunda elde edilecek orandır. Görünüşe göre bu birim atılırsa pek bir şey değişmez. . Aslında, bu doğru değil.

Tekrarlayıcıda olduğu gibi R2 direncinin direncinin sıfır olduğunu varsayalım. Daha sonra, biri olmadan tüm payda sıfıra döner ve çıkış direnci eşit derecede sıfır olur. Ve eğer daha sonra bu sıfır formülün paydasında bir yerde biterse, ona bölünmesini nasıl emredersiniz? Bu nedenle, görünüşte önemsiz olan bu birimden kurtulmak kesinlikle imkansızdır.

Oldukça büyük bir makale bile olsa, her şeyi tek bir makaleye yazamazsınız. Bu nedenle bir sonraki makaleye sığmayan her şeyin ele alınması gerekecektir. Evirmeyen bir amplifikatörün, bir diferansiyel amplifikatörün ve tek beslemeli bir amplifikatörün bir açıklaması olacaktır. Op-amp'leri test etmek için basit devrelerin bir açıklaması da verilecektir.

Şimdiye kadar, transistörler, diyotlar, dirençler gibi ayrı ayrı bileşenlerden oluşan amplifikatörleri düşündük. Entegre devre teknolojisi kullanılarak, bu gerekli ayrı bileşenlerin tümü tek bir monolitik entegre devre halinde oluşturulabilir. Şu anda işlemsel yükselteçlerin (op-amp'ler) üretiminde kullanılan bu teknolojidir. Başlangıçta belirli matematiksel işlemleri (dolayısıyla adı) gerçekleştirmek için tasarlanmışlardı, ancak çok çeşitli elektronik devrelerde hızla kullanım alanı buldular.

İdeal bir op-amp, sonsuz yüksek kazanç, sonsuz geniş bant genişliği ve tamamen düz frekans tepkisi, sonsuz giriş empedansı, sıfır çıkış empedansı ve sıfır sapma olmayan ideal bir amplifikatördür. Pratikte bir işlemsel yükselteç aşağıdaki özelliklere sahiptir:

1) çok yüksek kazanç (50000'in üzerinde);

2) çok geniş bant genişliği ve düz frekans tepkisi;

3) çok yüksek giriş empedansı;

4) çok düşük çıkış empedansı;

5) çok zayıf sıfır kayma.

Pirinç. 31.1.

İncirde. Şekil 31.1 işlemsel yükseltecin sembolünü göstermektedir. Op-amp'in iki girişi vardır: bir evirici giriş (-), çıkış sinyali ile faz dışı olan sinyal ve evirici olmayan bir giriş (+), çıkış sinyali ile aynı fazda olan sinyal.

Uygulamalar

Op-amp uygulamalarının aralığı son derece geniştir. Ters çevirme, ters çevirmeme, toplama ve toplama olarak kullanılabilir. gerilim takipçisi, entegratör ve karşılaştırıcı gibi diferansiyel yükselteçler. Op-amp'a bağlı harici bileşenler, onun özel uygulamasını belirler. Bu uygulamalardan bazıları aşağıda tartışılmaktadır.

İncirde. Şekil 31.2, bir op-amp'in evirici bir yükselteç olarak kullanımını göstermektedir. Op-amp'in kazancı çok büyük (neredeyse sonsuz) olduğundan, çıkışındaki sinyal çok küçük bir giriş sinyaliyle üretilir. Bu, op-amp'in evirici girişinin (P noktası) sanal (hayali) bir zemin, yani neredeyse sıfır potansiyele sahip bir nokta olarak kabul edilebileceği anlamına gelir. Gerekli seviyede op-amp kazancını elde etmek için, bir geri besleme direnci aracılığıyla çok derin bir negatif bağlantı uygulanır. R oc. Çevirici amplifikatörün kazancı (Şekil 31.2) aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir

Negatif bir işaret, giriş sinyalinin güçlendirildikçe ters çevrildiğini gösterir.

Pirinç. 31.2.

Örnek

İnanmak R 1 = 1 kOhm ve R OC = 2,2 kOhm, girişine 50 mV'luk bir voltaj uygulanırsa, evirici amplifikatörün kazanç ve çıkış voltajını hesaplayın.

Çözüm

Kazanmak

Çıkış voltajı = -2,2 50 mV = -110 mV.

Toplama amplifikatörü (Şekil 31.3), değeri giriş voltajlarının toplamı ile orantılı olan bir çıkış voltajı üretir. V 1 ve V 2 . Giriş voltajı için V 1 kazanç G v= - R OC / R 1 ve giriş voltajı için V 2 G v= - R OC / R 1 .

Örneğin, eğer R oc = R 1 = R 2 ise her iki girişin kazancı da -5 kOhm / 5 k0m = -1 olur. İzin vermek V 1 = 1V ve V 2 = 2 V, daha sonra ilgili çıkış voltajına katkı V 1, 1 (-1) = -1 V'dir ve bununla ilişkili katkı V 2, 2 (-1) = -2 V'dir. Bu nedenle toplam çıkış voltajı Vçıkış = -1 - 2 = -3 V.

örnek 1

Şekil 2'de gösterilen toplama op-amp'inin girişlerine. 31.4, voltaj uygulanırV 1 = 20 mV ve V 2 = -10 mV. Çıkış voltajını hesaplayınV dışarı .

Pirinç. 31.3.

Pirinç. 31.4.

Çözüm

Çıkış voltajı V 1 = -5/1 · 20 = -100 mV.

Çıkış voltajıV 2 = -5/5 · (-10) = +10mV.

Bu nedenle toplam çıkış voltajı Vçıkış = -100 + 10 = -90 mV.

Bu durumda, op-amp %100 negatif geri besleme ile sürülür (Şekil 31.5) ve net kazancı 1'dir. Gerilim takipçisinin çıkış ve giriş sinyallerinin aynı fazda olduğuna dikkat edin.

Ofset gerilimi

Sıfır giriş sinyali ile ideal bir op-amp'in çıkış sinyali sıfırdır. Uygulamada durum böyle değildir: sıfır giriş sinyali olsa bile op-amp'in çıkışında sıfır olmayan bir sinyal (akım veya voltaj) mevcuttur. Sıfır giriş sinyali ile sıfır çıkış sinyali elde etmek için, giriş öngerilim sinyaline karşılık gelen çıkış sinyalinin orijinal müdahale eden çıkış sinyalini iptal etmesi için op amp girişine bu büyüklükte ve polaritede bir giriş öngerilim akımı veya öngerilim voltajı uygulanır. .

Giriş öngerilim akımı genellikle ek bir direnç kullanılarak ayarlanır RŞekil 2'de gösterildiği gibi op-amp'in evirici olmayan girişine bağlanmıştır. 31.6.

Pirinç. 31.5. Gerilim tekrarlayıcı. Pirinç. 31.6

Bu direncin optimum direnci formülle belirlenir.

Tipik olarak kazanç dörtten büyükse direnç değerleri R 2 ve R 1 tanesi aynı olacak şekilde seçilmiştir. Direnç Giriş R 2, evirici amplifikatörün kazancını değiştirmez, yine de eşit kalır - R OC / R 1 . Daha sonra göreceğimiz gibi, bazı IC'ler op amp çıkışını sıfır voltaja ayarlamak için pinler sağlar.

Ters çevirmeyen amplifikatör

Bu durumda giriş sinyali, Şekil 2'de gösterildiği gibi op-amp'in evirmeyen girişine uygulanır. 31.7.

İşlemsel yükselteç (op-amp) ile ilk tanıştığımı sık sık hatırlıyorum. Diyagramlardaki bu gizemli üçgenlerin hayatım boyunca işime yarayacağını her zaman biliyordum. Ancak çalışma prensiplerini incelemek için geçirilen uzun uykusuz geceler hiçbir şeye yol açmadı. Bu konuyla ilgili pek çok makale var, ancak bana öyle geliyor ki temel bilgiler açık değil. Konuya biraz farklı bir yönden yaklaşmaya çalışacağım ve OU'nun korkunç sırlarını ortadan kaldıracağım.

İşlemsel yükselticimizin hangi "işlemleri" güçlendirdiğini anlamaya çalışalım.

Sorun: Bir sinyal kaynağı var, örneğin bir mikrofondan veya gitar alıcısından gelen bir sinyal. Mikrofon doğrudan kulaklıklara bağlıysa, büyük olasılıkla hiçbir şey duymayacaksınız, en iyi ihtimalle zar zor algılanabilen bir ses olacaktır.

Mikrofon yerine ağır bir levhayı kaldırmaya çalışan bir insanı düşünelim, doğal olarak bunu yapamıyor, mikrofon da hoparlörü sallayamıyor. Ancak bu kişi vinci çalıştırmak için biraz kuvvet kullanırsa vincin kaldırma kapasitesi dahilindeki her türlü yükü kaldırabilecektir. Onlar. bu durumda musluk bir amplifikatördür. Vincin kaldırma kapasitesinin benzeri amplifikatörün gücüdür. Kazancın anlamı resimden açıkça anlaşılmalıdır. Sinyalin frekansı ve şekli aynı kalır, yalnızca genliği değişir.

Artık hoparlörlerden ses duyabilmek için bir amplifikatöre ihtiyacınız olduğunu biliyoruz. Nasıl çalıştığını ve içinde ne olduğunu bilmesek de, Uin'i yükseltmek istediğimiz sinyalin sağlandığı bacakların yanı sıra güçlendirilmiş Uout sinyalinin kaldırıldığı bacakların olması gerektiğini zaten biliyoruz.

Soru şu: Sinyal hangi voltaja yükseltilebilir? “220V’u 1.000.000V’a yükseltmek istiyorum” diyorsunuz ama bu mümkün değil, neden? Çünkü orijinal sinyal harici bir kaynak tarafından güçlendirilmektedir. Harici kaynak op-amp besleme voltajı olacaktır. Aynı şekilde vinç de kendi yüksekliğinin üzerindeki bir yükü kaldıramaz (kaldıramayacağını kabul edelim :)). Bu nedenle op-amp çıkışındaki voltaj, besleme voltajını aşamaz. Gerçekte, besleme voltajından biraz daha düşüktür. Örneğin LM324 için besleme voltajı 3 ile 32V arasında değişmektedir.

Artık op amp'in harici güce ihtiyaç duyduğunu biliyoruz, hadi bu bacakları çizelim

Bu arada güç kaynağımızın tek kutuplu +5V ve toprak olmasına alışkınız. Burada ince bir nokta var; eğer negatif değerleri olan bir sinyali yükseltmeniz gerekiyorsa,

o zaman -Upit'e toprağa değil negatif bir voltaj kaynağına bağlanmak gerekir. Toprağı bağlarsanız, voltaj kaynağının olmadığı ve sinyalin "düşük" (negatif) kısmının yükseltilmeyeceği, yani. sinyalin bir kısmı “kesilecektir”, bununla ilgili daha fazla bilgiyi örnekte bulabilirsiniz.

Benzer şekilde, sinyali besleme voltajından daha fazla yükseltirseniz, sinyalin besleme voltajını aştığı yerlerde sinyal "kesilecektir", yani. sinüs dalgası yerine buna benzer bir şey göreceğiz

Asıl soru hala devam ediyor: Kazanç nasıl ayarlanır? Çok basit - bir voltaj bölücü. Ama önce daha gerçek gösterimlere geçelim. Herhangi bir op-amp'in en az 5 ayağı vardır - yukarıda belirtildiği gibi 2 güç kaynağı, bir ters çevrilmiş giriş (-), bir ters çevrilmemiş giriş (+) ve bir çıkış.

Bu nedenle, kaynak sinyalinin hangi girişe sağlandığına bağlı olarak iki tür bağlantı ayırt edilir: evirmeyen amplifikatör

Kazanç, K=(R4/R3)+1'e eşittir. Bu durumda K=4. Bu durumda çıkış sinyalinin şekli değişmez.

Ve kazanç K=-(R2/R1) ile ters çevriliyor. Bu şema için K=3. Çıkış sinyali giriş ile faz dışı olacaktır.

Sözlerden eyleme geçelim. Kaynak sinyali olarak 1 kHz frekansına sahip bir kare dalga alındı. Sinyalin hem pozitif hem de negatif değerleri vardır (0 ekranının ortası). Sinyal genliği 50mV.

Op-amp'i (L324) evirmeyen bir amplifikatör devresi kullanarak bağlarım. Güç kaynağı tek kutupludur. Op-amp'in çıkışı aynı şekle sahip ancak daha büyük genliğe sahip bir sinyaldir. Muhtemelen sinyalin neden bu kadar büyük olduğu ve neden yukarı doğru kaydığı tamamen açık değildir.

Hadi anlamaya çalışalım. Orijinal sinyalin genliği 50mV, R4=30k, R3=10k, osiloskopta görülene çok benzer şekilde formüle 50*(30/10+1)=200mV koyalım. Sinyal neden yukarı doğru kaydı? Tek kutuplu güç kaynağının dezavantajını hatırlıyoruz: 0'ın altındaki her şey yükseltilemez, dolayısıyla sinyal 0'da kesilir.

Şimdi, güç pinine -5V gibi negatif bir voltaj kaynağı bağlanırsa, sinyal genliğinin iki katına çıkacağını hayal edin!!! Sonuç olarak hacim de önemli ölçüde artacaktır.

Aslında bu küçük bir önsöz, op amp'i incelemeye başlamadan önce, yukarıda söylenen her şey okyanusta sadece bir damla, beğendiyseniz yazın, yavaş yavaş op amp'in diğer uygulamalarında ustalaşacağız. ve pratik planlar.

Bu yazımızda işlemsel yükselteçlerden bahsedeceğiz. Çalıştırma ve kullanım örneği.

Operasyonel amplifikatör– entegre tasarımlı, iki dengeli girişe sahip, yüksek kazançlı, doğrudan ve ters, yarı iletkenlere dayalı bir elektronik amplifikatör devresi. Entegre tasarım, tek bir entegre devre (IC) paketinde yer alan eksiksiz bir amplifikatör tasarımını ifade eder. İşlemsel yükselteçlerin (OA) kullanımı çok çeşitlidir - çeşitli sinyallerin yükselticilerinde, sinyal üreteçlerinde, ses aralığındaki frekans filtrelerinde, fiziksel büyüklükleri (sıcaklık, aydınlatma, nem, rüzgar) vb. izlemek için devrelerde.

Op-amp'in ileri girişi "+" işaretiyle, ters girişi ise "-" işaretiyle gösterilir. Çeşitli literatürde başka bir tanımın daha olduğunu bilmelisiniz: ters giriş bir daire ile gösterilir. Bu, dijital elektronik - mantık elemanlarında da bulunan ters çevirme işaretinin tipik bir tanımıdır. Doğrudan girişin tanımında daire yoktur.

Eczane terazileri bir kasenin yükünün ağırlığının diğer bir kasenin yükünün ağırlığından ne kadar farklı olduğunu gösteremez. Yüklerdeki farkı kabaca gözlemlemek için, bazen teknik-kimyasal ölçeklerde, aynı zamanda ölçeklerin küçük yüklere karşı "hassasiyetini" azaltan bir okla birleştirilmiş özel tesisat hatları kullanılır. Benzer şekilde, giriş sinyaline duyarlılığını azaltmak için op-amp'e negatif geri besleme eklenir - yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi çıkışı op-amp'in ters girişine bağlayan bir geri besleme direnci.

İşlemsel yükseltecin kullanımı ve çalışması örneği

Havanın sıcaklığını kontrol eden bir devre örneğini veya üzerine bir termistörün bağlandığı başka bir nesneyi (sıcaklık arttıkça direncini azaltan sıcaklığa duyarlı bir radyo elemanı) kullanarak bir operasyonel amplifikatörün çalışmasını düşünelim. Şekilde, belirli bir sıcaklık eşiği aşıldığında sıcaklığı ve sinyalleri ölçen bir işlemsel yükselteç devresi gösterilmektedir.

İşlemsel yükselticinin girişleri iki dirençli besleme voltajı bölücüye bağlanır, bunlardan yalnızca biri doğrusal elemanlardan - dirençlerden yapılmıştır ve ikincisi sıcaklığa bağlı olarak direncini değiştiren doğrusal olmayan bir eleman içerir. Gerilim bölücünün ne olduğunu Gerilim bölücü makalesinde öğrenebilirsiniz. Tasarım gereği bu dört direnç bir ölçüm köprüsünün işlevini yerine getirir.

Sıcaklık "normal" olduğunda, R1 ve R2 bölücünün "A" orta noktasında (ters op-amp girişi) voltaj, R3 ve R4 bölücünün (doğrudan op-amp girişi) "B" orta noktasından daha yüksektir ), bu nedenle işlemsel yükseltecin çıkışı düşük seviyeli bir sinyaldir; voltaj minimumdur, transistör kapalıdır ve VL1 ışığı yanmaz.

Sıcaklık arttıkça, R2 direncinin direnci azalır, dolayısıyla R1 ve R2 bölücünün “A” orta noktasındaki voltaj da azalır. Sıcaklık arttıkça, termistörün direnci, bölücü R1 ve R2'nin "A" orta noktasındaki voltajın (op-amp'in ters girişi) "B" orta noktasından daha düşük olacağı bir değere düştüğünde bölücü R3 ve R4 (op-amp'in doğrudan girişi), ardından işlemsel yükselticinin çıkışında yüksek seviyeli bir sinyal görünecektir - voltaj maksimuma ulaşacak, transistör açılacak ve ışık yanacaktır.

Şekilde gösterilen sıcaklık kontrol devresi gerçek bir çalışma devresi olup, doğru monte edildiğinde hemen çalışır. Tepki sıcaklığı eşiği R4 direnci kullanılarak ayarlanır. Pillerden veya güç redresörlerinden çalıştırılabilir. Besleme voltajı aralığı 6 ila 30 volt arasında olabilir.

Termistör R2 herhangi bir yüzeye, örneğin güçlü bir transistörü soğutmak için bir radyatöre monte edilirse ve bir ampul yerine 12 volt voltajlı sıradan bir bilgisayar fanı (soğutucu) kullanılırsa, devre şu şekilde kullanılabilir: güçlü bir transistör gibi bir şey için otomatik soğutma cihazı. Fan, belirli bir sıcaklığa ulaşıldığında çalışacak ve “kontrol nesnesi” soğuduktan sonra duracaktır.

İşlemsel yükselticinin hassasiyetini azaltmak için, farmasötik terazilerdeki özel çekül hatları gibi, bir direnç üzerinde gerçekleştirilen negatif geri besleme (NFB) kullanılır (şemada R5'tir). Bir direnç amplifikatör çıkışını ters girişe bağlar. Amplifikatörün çıkış voltajı arttıkça, çıkış voltajı bir direnç üzerinden amplifikatörün negatif girişine geçirilir ve çıkış voltajının düşmesine neden olur. Negatif geri besleme direncinin direnci ne kadar düşük olursa, geri besleme o kadar yüksek olur ve dolayısıyla op-amp'in kazancı o kadar kötü olur. Diyagramda önerilen mikro devre tipi için geri besleme direnci R5'in değeri 10 kiloohm ile 1,5 megaohm arasında değişebilir. Negatif geri besleme, çıkış voltajının giriş voltajına karşı grafiğini daha düz hale getirir. Bu bağımlılık soldaki grafikte gösterilmektedir.

Bir otomasyon sisteminin rölelerini veya sık voltaj dalgalanmalarını "tolere etmeyen" diğer ekipmanı kontrol etmek için bir operasyonel amplifikatör kullanılıyorsa, o zaman sık sık anahtarlamayı veya kontakların "sıçramasını" önlemek için negatif değil, pozitif geri besleme (POS) yapılabilir. Kullanılacak. Bu durumda, geri besleme direnci amplifikatörün çıkışını ters girişe değil doğrudan girişe bağlar. Daha sonra amplifikatörün çıkışındaki voltaj arttıkça, çıkış voltajı bir direnç aracılığıyla amplifikatörün pozitif girişine aktarılır ve çıkış voltajının daha da hızlı artmasına neden olur. Bu bağlantıyla, işlemsel yükselticinin hem "açılması" hem de "kapatılması" işlemi, giriş voltajı bölücüleri arasında negatif geri beslemeye göre daha büyük bir voltaj farkıyla - ölçüm köprüsünün dengesizliğiyle - gerçekleşir. Amplifikatörün anahtarlama düzeni daha "keskin" hale gelir - "açıldığında" daha dik bir cepheye ve "kapanırken" dik bir düşüşe sahiptir. Pozitif geri besleme direncinin direnci ne kadar düşük olursa, geri besleme o kadar yüksek olur ve dolayısıyla op-amp'in kazancı da o kadar büyük olur. Ancak aşırı pozitif geri beslemenin, çıkış sinyalinin bozulmasına ve op-amp'in kendi kendine uyarılmasına neden olduğunu unutmayın.

Pozitif geri besleme (POF) ile bir yan etki ortaya çıkar - amplifikatörün giriş voltajlarında daha büyük bir farkla açıldığı ve negatif geri beslemeli bir amplifikatöre kıyasla önemli ölçüde daha küçük bir farkla kapandığı bir "histerezis döngüsü". POS ne kadar güçlü olursa, histerezis döngüsü o kadar dikdörtgen olur (şekilde sağdaki grafik). Güçlü pozitif geri beslemenin varlığı devreyi Schmitt tetikleyicisine dönüştürür. Bu nedenle, bu tür bir geri bildirim, otomatik sıcaklık kontrol sisteminde önemli bir sıcaklık yayılımına izin verir ve örneğin büyük bir sıcaklık yayılımına izin verilmeyen bir inkübatör için uygun değildir.

Op-amp'ler daha önce gösterildiği gibi tek bir güç kaynağından çalıştırılabilir, ancak genel olarak ikili bir güç kaynağıyla çalışacak şekilde tasarlanmıştır. İşlemsel yükselticinin hem pozitif hem de negatif gerilimleri ölçtüğü devrelerde veya örneğin harmonik sinyal yükseltici devrelerinde ölçülen gerilimlerin "sıfır" ile karşılaştırılabilir olduğu devrelerde iki kutuplu güç kaynağı gereklidir. Bipolar güç kaynağı durumunda, işlemsel yükselticinin çıkış voltajı, giriş sinyaline bağlı olarak "-" güç kaynağından "+" güç kaynağına kadar değişebilir.

Bipolar güç kaynağına sahip bazı işlemsel yükselteç türlerinde, "sıfır dengeyi" ayarlamak mümkündür - her iki girişte de bir giriş sinyali olmadığında, çıkış voltajının ne pozitif ne de negatif olduğu, ancak sıfıra eşit olduğu bir durum . Bu amaçla, sıfır dengesini düzenlemek için bir kesme direncinin bağlandığı op-amp mikro devrelerinin özel pinleri vardır.

Doğrusal olmayan bozulmaları ortadan kaldırmak için harmonik sinyalleri yükseltme modunda çalışan tüm operasyonel amplifikatörler, genellikle kapasitörler ve dirençlerden oluşan filtreler gibi ek elemanlara bağlanabilir. Her işlemsel yükselteç tipinin kendi filtre devresi vardır. Kural olarak referans kitaplarında verilmektedir.

Artık sizin için özel olarak gelişiyoruz işlemsel yükselteç atölyesi böylece herkes bu kullanışlı mikro devre türüyle çalışma pratiği yapabilir.

Operasyonel amplifikatöre (op-amp), genellikle diferansiyel girişi ve geri besleme devreleriyle çalışmak üzere tasarlanmış bir itme-çekme çıkışı olan entegre bir DC amplifikatörü denir. Amplifikatörün adı, orijinal uygulama alanından kaynaklanmaktadır - analog sinyaller üzerinde çeşitli işlemler gerçekleştirmek (toplama, çıkarma, entegrasyon vb.). Şu anda op-amp'ler, çeşitli elektronik cihazların çeşitli amaçlarla uygulanmasında çok işlevli birimler olarak hizmet vermektedir. Amplifikasyon, sınırlama, çarpma, frekans filtreleme, üretim, stabilizasyon vb. için kullanılırlar. Sürekli ve darbeli cihazlarda sinyaller.

Modern monolitik op-amp'lerin, transistörler gibi ayrı ayrı elemanlardan boyut ve fiyat açısından biraz farklı olduğu unutulmamalıdır. Bu nedenle, çeşitli cihazların bir op-amp'e uygulanması, genellikle ayrı elemanlardan veya amplifikasyon IC'lerinden çok daha basittir.

İdeal bir op-amp'in sonsuz büyük bir voltaj kazancı vardır ( K ve op-amp=∞), sonsuz büyük giriş empedansı, sonsuz küçük çıkış empedansı, sonsuz büyük CMRR ve sonsuz geniş çalışma frekansı bandı. Doğal olarak pratikte bu özelliklerin hiçbiri tam olarak gerçekleşemeyebilir ancak birçok alanda yeterli düzeyde yaklaşılabilir.

Şekil 6.1, op-amp simgelerinin iki versiyonunu göstermektedir - basitleştirilmiş (a) ve güç devrelerini ve frekans düzeltme devrelerini bağlamak için ek terminallerle (b).

Şekil 6.1. İşletim sistemi sembolleri

İdeal bir op-amp'in özelliklerine ilişkin gereksinimlere dayanarak, Şekil 6.2'de gösterilen iç yapısını sentezlemek mümkündür.

Şekil 6.2. Op-amp'in blok şeması

Şekil 6.2'deki blok diyagramı uygulayan basit bir op-amp'in basitleştirilmiş elektrik devresi Şekil 6.3'te gösterilmektedir.

Şekil 6.3. Basit op-amp devresi

Bu devre, bir akım aynasına (VT 3 ve VT 4) sahip bir giriş uzaktan kumandası (VT 1 ve VT 2), OK (VT 5) ve OE (VT 6) ile ara aşamalar ve VT transistörleri üzerinde bir çıkış akımı yükseltici içerir. 7 ve VT 8 . Op-amp, frekans düzeltme devreleri (Ccor), güç kaynağı ve termal stabilizasyon devreleri (VD 1, VD 2 vb.), IST vb. içerebilir. Bipolar güç kaynağı, bir sinyal olmadığında op-amp'in aşamaları ile giriş ve çıkışlarındaki sıfır potansiyeller arasında galvanik iletişime izin verir. Yüksek giriş empedansı elde etmek için giriş uzaktan kontrolü bir DC üzerinde gerçekleştirilebilir. Çok çeşitli op-amp devre çözümlerinin bulunduğuna dikkat edilmelidir, ancak bunların yapım temel prensipleri Şekil 6.3'te oldukça ayrıntılı olarak gösterilmektedir.

6.2. Op-amp'in ana parametreleri ve özellikleri

Op-amp'in ana parametresi geri beslemesiz voltaj kazancıdır Ku op-amp Toplam voltaj kazancı da denir. Bas ve orta aralık bölgelerinde bazen belirtilir k u Op-amp 0 ve birkaç on ve yüzbinlere ulaşabilir.

Op-amp'in önemli parametreleri, giriş diferansiyel aşaması tarafından belirlenen doğruluk parametreleridir. Uzaktan kumandanın doğruluk parametreleri alt bölüm 5.5'te dikkate alındığından, burada kendimizi bunları listelemekle sınırlıyoruz:

◆ sıfır ofset gerilimi U cm;

◆ sıfır ofset voltajının sıcaklık hassasiyeti dU cm/dT;

◆ önyargı akımı Δ ben giriyorum;

◆ ortalama giriş akımı evlenmeyi giriyorum.

Op-amp'in giriş ve çıkış devreleri giriş ile temsil edilir R girişi ve hafta sonları R op amp dışında OOS devreleri olmayan op-amp'ler için verilen dirençler. Çıkış devresi için maksimum çıkış akımı gibi parametreler de verilmiştir. OU çıktısını alıyorum ve minimum yük direnci R N minimum ve bazen maksimum yük kapasitesi. Op-amp'in giriş devresi, girişler ile ortak veri yolu arasındaki kapasitansı içerebilir. Op-amp'in giriş ve çıkış devrelerinin basitleştirilmiş eşdeğer devreleri Şekil 6.4'te sunulmaktadır.

Şekil 6.4. Bir op-amp'in basit doğrusal makro modeli

Op-amp'in parametreleri arasında CMRR ve güç kaynağının kararsızlığının etkisinin zayıflama katsayısı KOVNP=20lg·(Δ e/Δ Sen içeridesin). Modern op-amp'lerdeki bu parametrelerin her ikisinin de değerleri (60...120) dB dahilindedir.

Op-amp'in enerji parametreleri, güç kaynaklarının voltajını ±E, akım tüketimini (hareketsiz) içerir. ben P ve güç tüketimi. Genellikle, ben P onda biri - onlarca miliamper değerindedir ve güç tüketimi benzersiz bir şekilde belirlenir ben P, birimler - onlarca miliwatt.

Op-amp'in izin verilen maksimum parametreleri şunları içerir:

◆ mümkün olan maksimum (bozulmamış) çıkış sinyali voltajı Sen dışarıdasın max (genellikle E'den biraz daha az);

◆ izin verilen maksimum güç kaybı;

◆ çalışma sıcaklığı aralığı;

◆ maksimum besleme voltajı;

◆ maksimum giriş diferansiyel voltajı vb.

Frekans parametreleri mutlak kesme frekansını veya birlik kazanç frekansını içerir fT (F 1), yani. hangi sıklıkta Ku op-amp=1. Bazen, op-amp'in girişindeki voltaj dalgalanmasının etkisine verdiği tepkiyle belirlenen çıkış voltajının dönüş hızı ve yerleşme süresi kavramı kullanılır. Bazı op-amp'ler için, kendi özel uygulama alanlarını yansıtan ek parametreler de sağlanmaktadır.

Op-amp'in genlik (transfer) özellikleri, Şekil 6.5'te iki bağımlılık şeklinde sunulmaktadır. Sen dışarıdasın=F(Sen içeridesin) evirici ve evirici olmayan girişler için.

Op-amp'in her iki girişindeyken Sen içeridesin=0 ise çıkışta bir hata voltajı mevcut olacaktır sen op-amp'in hassas parametreleri tarafından belirlenir (Şekil 6.5'te) sen Boyutu küçük olduğundan gösterilmemiştir.)

Şekil 6.5. ah sen

Bir op-amp'in frekans özellikleri, logaritmik bir ölçekte gerçekleştirilen frekans tepkisi ile temsil edilir. Ku op-amp=φ(günlük F). Bu frekans tepkisine logaritmik (LAFC) adı verilir ve tipik biçimi Şekil 6.6'da gösterilmektedir (K140UD10 op amp için).

Şekil 6.6. LFC ve LFCH DÜ K140UD10

Frekans bağımlılığı Ku op-ampşu şekilde temsil edilebilir:

burada τ V op-amp'in zaman sabiti, M girişi=3 dB, op-amp'in bağlantı (kesme) frekansını belirler (bkz. Şekil 6.6);

ω V= 1/τ V= 2π f içeri.

İfadesinde değiştirme Ku op-amp τ V 1/ω kadar V LACHH girişini alıyoruz:

Bas ve orta aralıkta k u Op-amp=20lg k u Op-amp 0, yani LFC, frekans eksenine paralel düz bir çizgidir. Bazı yaklaşımlarla HF bölgesinde azalmanın olduğunu varsayabiliriz. k u Op-amp On yılda 20 dB (oktav başına 6 dB) oranında meydana gelir. Daha sonra ω>>ω için V LAC ifadesini basitleştirebilirsiniz:

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

Böylece HF bölgesindeki LFC, frekans eksenine eğimi 20 dB/dec olan düz bir çizgiyle temsil edilir. LFC'yi temsil eden dikkate alınan düz çizgilerin kesişme noktası, ω konjugasyon frekansına karşılık gelir. V (f içeri). Frekansta gerçek ve ideal LFC arasındaki fark f içeri yaklaşık 3 dB'dir (bkz. Şekil 6.6), ancak analiz kolaylığı açısından bu tolere edilir ve bu tür grafiklere genellikle Bode diyagramları .

Temel prensipleri aşağıda tartışılacak olan, harici veya dahili düzeltmeli düzeltilmiş op-amp'ler için 20 dB/dec'lik LFC bozunma oranının tipik olduğu unutulmamalıdır.

Şekil 6.6 ayrıca çıkış sinyalinin giriş sinyaline göre faz kaymasının j frekansa bağımlılığı olan logaritmik faz yanıtını (LPFC) gösterir. Gerçek LFFC, sunulandan 6°'den fazla farklılık göstermez. Gerçek bir op-amp için frekansta j=45° olduğuna dikkat edin. f içeri ve frekansta fT- 90°. Böylece HF bölgesindeki düzeltilmiş op-amp'teki çalışma sinyalinin içsel faz kayması 90°'ye ulaşabilir.

Yukarıda tartışılan op-amp'in parametreleri ve özellikleri, onu OOS devrelerinin yokluğunda tanımlamaktadır. Bununla birlikte, belirtildiği gibi, op-amp'ler neredeyse her zaman OOS devreleriyle birlikte kullanılır ve bu, tüm göstergelerini önemli ölçüde etkiler.

6.3. Ters amplifikatör

Op-amp'ler çoğunlukla evirici ve evirici olmayan amplifikatörlerde kullanılır. Bir op-amp evirici amplifikatörün basitleştirilmiş devre şeması Şekil 6.7'de gösterilmektedir.

Şekil 6.7. Op amp çevirici amplifikatör

Direnç R1, sinyal kaynağının iç direncini temsil eder Örneğin, R os aracılığıyla OU ∥OOSN kapsamındadır.

İdeal bir op-amp ile giriş terminallerindeki voltaj farkı sıfıra yönelir ve evirmeyen giriş, R2 direnci aracılığıyla ortak baraya bağlı olduğundan, noktadaki potansiyel A aynı zamanda null (“sanal sıfır”, “görünür zemin”) olmalıdır. Sonuç olarak şunu yazabiliriz: ben=ben yani Örneğin/R 1 =–Sen dışarıdasın/R os. Buradan şunu anlıyoruz:

KU env = Sen dışarıdasın/Örneğin = –R os/R 1 ,

onlar. ideal op amp ile KU env harici dirençlerin değerlerinin oranı ile belirlenir ve op-amp'in kendisine bağlı değildir.

Gerçek bir op-amp için giriş akımını hesaba katmak gerekir. ben giriyorum yani ben=ben+ben giriyorum veya ( Örneğin–Sen içeridesin)/R 1 =(Sen içeridesin–Sen dışarıdasın)/R os+Sen içeridesin/U girişi, Nerede Sen içeridesin- op-amp'in evirici girişindeki sinyal voltajı, yani. noktada A. O zaman gerçek bir op-amp için şunu elde ederiz:

OOS derinliği 10'dan fazla olduğunda bunu göstermek kolaydır; Ku op-amp/KU env=F>10, hesaplama hatası KU envİdeal bir op-amp durumunda %10'u aşmaz ki bu çoğu pratik durum için oldukça yeterlidir.

Op-amp cihazlarındaki direnç değerleri birkaç megohm'u geçmemelidir, aksi takdirde kaçak akımlar, op-amp giriş akımları vb. nedeniyle amplifikatörün dengesiz çalışması meydana gelebilir. Hesaplama sonucunda değer ortaya çıkarsa R osÖnerilen maksimum değeri aşarsa, orta direnç değerlerine sahip eşdeğer bir yüksek direnç işlevini yerine getirmesine izin veren T şeklinde bir OOS zinciri kullanılması tavsiye edilir. R os(Şekil 6.7b) . Bu durumda şunu yazabilirsiniz:

Uygulamada sıklıkla varsayılır ki R işletim sistemi 1 =R işletim sistemi 2 >>R işletim sistemi 3 ve değer R Genellikle 1 verilir, bu nedenle R işletim sistemi 3 oldukça basit bir şekilde belirlenir.

Op-amp ters çevirici amplifikatör giriş empedansı R girişi ters paralel OOS tarafından belirlenen nispeten küçük bir değere sahiptir:

R girişi ters = R 1 +(R os/Ku op-amp + 1)∥R girişi≈ R 1 ,

onlar. genel olarak Ku op-amp giriş direnci değere göre belirlenir R 1 .

Amplifikatörün çıkış empedansını ters çevirme R çıkış girişi gerçek bir op-amp'te sıfırdan farklıdır ve şu şekilde tanımlanır: R çıkışı op amp ve çevre koruma derinliği F. F>10 için şunu yazabiliriz:

R çıkış girişi = R çıkışı op amp/F = R çıkışı op amp/KU env/Ku op-amp.

Op-amp'in LFC'sini kullanarak evirici amplifikatörün frekans aralığını temsil edebilirsiniz (bkz. Şekil 6.6) ve

fOC = fT/KU env.

Alabileceğiniz limitte KU env=1, yani ters bir takipçi edinin. Bu durumda op-amp amplifikatörünün minimum çıkış empedansını elde ederiz:

R dışarı = R çıkışı op amp/Ku op-amp.

Amplifikatörün çıkışında gerçek bir op-amp kullanan bir amplifikatörde Sen içeridesin=0 hata voltajı her zaman mevcut olacaktır sen, oluşturuldu U cm ve Δ ben giriyorum. Azaltmak için sen op-amp'in girişlerine bağlı eşdeğer dirençleri eşitlemeye çalışın, yani. almak R 2 =R 1 ∥R os(Bkz. Şekil 6.7a). Bu koşul yerine getirilirse KU env>10 yazılabilir:

sen ≈ U cm K U ters + Δ Ben R os'dayım.

Azaltmak sen Ters çevirmeyen girişe ek önyargı uygulayarak (ek bir bölücü kullanarak) ve kullanılan dirençlerin değerlerini azaltarak mümkündür.

Dikkate alınan ters UPT'ye dayanarak, derecelendirmeleri belirli bir frekans bozulma faktörüne göre belirlenen giriş ve çıkışa ayırıcı kapasitörler bağlayarak bir AC amplifikatörü oluşturmak mümkündür. Mn(bkz. alt bölüm 2.5).

6.4. Ters çevirmeyen amplifikatör

Evirmeyen bir op-amp amplifikatörünün basitleştirilmiş devre şeması Şekil 6.8'de gösterilmektedir.

Şekil 6.8. Ters çevirmeyen op-amp amplifikatörü

Evirici olmayan bir amplifikatörde op-amp'in POSN tarafından kapsandığını göstermek kolaydır. Çünkü Sen içeridesin Ve U'lar farklı girişlere sağlanıyorsa, ideal bir op-amp için şunu yazabiliriz:

Sen içeridesin = Sen R'den çıktın 1 /(R 1 + R os),

dolayısıyla evirici olmayan amplifikatörün voltaj kazancı:

KU hayır = 1 + R os/R 1 ,

KU hayır = 1 + |KU env|.

Gerçek bir op-amp'e dayalı evirmeyen bir amplifikatör için elde edilen ifadeler, F>10 geri besleme derinliğinde geçerlidir.

Evirmeyen bir amplifikatörün giriş empedansı R girişi noninv büyüktür ve derin, tutarlı OOS ve yüksek değerle belirlenir R girişi:

R girişi noninv = R girişi· F = R girişi· K U OU/KU hayır.

Evirici olmayan bir op-amp amplifikatörünün çıkış empedansı, evirici bir amplifikatör için olduğu gibi belirlenir, çünkü her iki durumda da voltaj koruma sistemi geçerlidir:

Yatırım dışı çıkış = R op amp dışında/F = R op amp dışında/KU hayır/K U OU.

Evirici olmayan bir amplifikatörde çalışma frekansı bandının genişletilmesi, evirici bir amplifikatörde olduğu gibi elde edilir;

fOC = fT/KU hayır.

Evirici olmayan bir amplifikatörde, evirici bir amplifikatöre benzer şekilde akım hatasını azaltmak için aşağıdaki koşulun karşılanması gerekir:

R g = R 1 ∥R os.

Evirici olmayan bir amplifikatör genellikle büyük uygulamalar için kullanılır. R g(büyük olması nedeniyle mümkündür) R girişi noninv), dolayısıyla direnç değerlerinin değerindeki kısıtlamalar nedeniyle bu koşulun karşılanması her zaman mümkün değildir.

Evirici girişte ortak mod sinyalinin varlığı (devre aracılığıyla iletilir: evirici olmayan op-amp girişi ⇒ op-amp çıkışı ⇒ R os⇒ op-amp'in girişinin ters çevrilmesi) bir artışa yol açar sen Bu, söz konusu amplifikatörün bir dezavantajıdır.

Çevre korumanın derinliğini artırarak aşağıdaki sonuçlara ulaşmak mümkündür: KU hayır=1, yani devresi Şekil 6.9'da gösterilen, evirmeyen bir tekrarlayıcı elde etmek.

Şekil 6.9. Ters çevirmeyen op-amp takipçisi

Burada %100 POSN elde edilir, dolayısıyla bu tekrarlayıcı en yüksek giriş ve minimum çıkış empedansına sahiptir ve herhangi bir tekrarlayıcı gibi eşleştirme aşaması olarak kullanılır. Ters çevirmeyen bir takipçi için şunu yazabilirsiniz:

sen ≈ U cm + Ben sr Rg'deyim ≈ Ben sr Rg'deyim,

onlar. Hata voltajı oldukça büyük değerlere ulaşabilir.

Dikkate alınan ters çevirmeyen UPT'ye dayanarak, derecelendirmeleri belirli bir frekans bozulma faktörüne göre belirlenen, ayırma kapasitörlerini giriş ve çıkışa bağlayarak bir AC amplifikatörü oluşturmak da mümkündür. Mn(bkz. alt bölüm 2.5).

Op-amp'lere dayalı evirici ve evirici olmayan amplifikatörlere ek olarak, bazıları aşağıda tartışılacak olan çeşitli op-amp seçenekleri mevcuttur.

6.5. Op amp üzerindeki kontrol ünitesi türleri

fark (diferansiyel) yükseltici Diyagramı Şekil 6.10'da gösterilmiştir.

Şekil 6.10. Op-amp fark amplifikatörü

Bir op-amp fark amplifikatörü, evirici ve evirici olmayan amplifikatör seçeneklerinin bir kombinasyonu olarak düşünülebilir. İçin Sen dışarıdasın fark yükselticisi yazılabilir:

Sen dışarıdasın = KU inv U in 1 +KU noninv U in 2 R 3 /(R 2 + R 3).

Genellikle, R 1 =R 2 ve R 3 =R os, buradan, R 3 /R 2 =R os/R 1 =M. Kazanç faktörlerinin değerlerini genişleterek şunu elde ederiz:

Sen dışarıdasın = M(Sen içeridesin 2 – Sen içeridesin 1),

Özel durum için R 2 =R 3 elde ederiz:

Sen dışarıdasın = Sen içeridesin 2 – Sen içeridesin 1 .

Son ifade, söz konusu amplifikatörün isminin kökenini ve amacını net bir şekilde açıklamaktadır.

Giriş voltajlarının aynı polaritesine sahip bir op-amp tabanlı fark amplifikatöründe, amplifikatör hatasını artıran bir ortak mod sinyali meydana gelir. Bu nedenle, bir fark amplifikatöründe büyük CMRR'ye sahip bir op-amp kullanılması arzu edilir. Dikkate alınan fark amplifikatörünün dezavantajları, farklı giriş direnç değerlerini ve kazancı ayarlamanın zorluğunu içerir. Bu zorluklar, birkaç op-amp kullanan cihazlarda, örneğin iki tekrarlayıcılı bir fark amplifikatöründe ortadan kaldırılır (Şekil 6.11).

Şekil 6.11. Tekrarlayıcı fark amplifikatörü

Bu devre simetriktir ve aynı giriş dirençleri ve düşük hata voltajı ile karakterize edilir, ancak yalnızca simetrik bir yük için çalışır.

Op-amp'e dayanarak gerçekleştirilebilir logaritmik amplifikatör şematik diyagramı Şekil 6.12'de gösterilmiştir.

Şekil 6.12 Logaritmik op-amp amplifikatörü

VD diyotunun P-n bağlantısı ileri yönde öngerilimlidir. Op-amp'in ideal olduğunu varsayarak akımları eşitleyebiliriz BEN 1 ve BEN 2. P-n bağlantısının akım-gerilim karakteristiği için ifadenin kullanılması ( BEN=BEN 0), yazmak kolaydır:

Sen içeridesin/R= BEN 0 ·,

dönüşümlerden sonra nereden alıyoruz:

Sen dışarıdasın = φT In( Sen içeridesin/BEN 0 R) = φT(in Sen içeridesin–n BEN 0 R),

buradan çıkış voltajının girişin logaritmasıyla orantılı olduğu ve ln teriminin takip ettiği sonucu çıkar. BEN 0 R logaritma hatasını temsil eder. Bu ifadenin bir volta normalize edilmiş voltajları kullandığına dikkat edilmelidir.

Diyot VD'yi ve direnç R'yi değiştirirken, şunu elde ederiz: antilog amplifikatör .

Ters çevirme ve ters çevirmeme toplayıcılar op-amp'lerde toplama yükselteçleri veya analog toplayıcılar olarak da adlandırılır. Şekil 6.13, üç girişi olan bir ters çevirici toplayıcının şematik diyagramını göstermektedir. Bu cihaz, özelliklerinin çoğu aynı zamanda ters çevirici toplayıcıda da ortaya çıkan bir tür ters çevirici amplifikatördür.

Şekil 6.13. Op-amp ters çevirici toplayıcı

Sen içeridesin 1 /R 1 + Sen içeridesin 2 /R 2 + Sen içeridesin 3 /R 3 = –Sen dışarıdasın/R os,

Ortaya çıkan ifadeden, cihazın çıkış voltajının, giriş voltajlarının toplamı ile kazanç çarpımı olduğu anlaşılmaktadır. KU env. Şu tarihte: R os=R 1 =R 2 =R 3 KU env=1 ve Sen dışarıdasın=Sen içeridesin 1 +Sen içeridesin 2 +Sen içeridesin 3 .

Koşul karşılandığında R 4 =R os∥R 1 ∥R 2 ∥R 3, mevcut hata küçüktür ve formül kullanılarak hesaplanabilir sen=U cm(K U osh+1), nerede K U osh=R os/(R 1 ∥R 2 ∥R 3) - daha büyük bir değere sahip olan hata sinyali amplifikasyon faktörü KU env.

Ters çevirmeyen toplayıcı Ters çevirici toplayıcıyla aynı şekilde uygulanır, ancak ters çevirici olmayan bir amplifikatöre benzetilerek op-amp'in ters çevirmeyen girişini kullanmalıdır.

Direnç Roc'u kapasitör C ile değiştirirken (Şekil 6.14), adı verilen bir cihaz elde ederiz. analog entegratör veya sadece bir entegratör.

Şekil 6.14. Op-amp'te analog entegratör

İdeal bir op-amp ile akımlar eşitlenebilir BEN 1 ve BEN 2, buradan şu sonuç çıkıyor:

Entegrasyon doğruluğu ne kadar yüksek olursa, o kadar büyük olur Ku op-amp.

Dikkate alınan kontrol ünitelerine ek olarak, aşağıda tartışılacak olan bir dizi sürekli cihazda op amp'ler kullanılmaktadır.

6.6. Frekans tepkisi düzeltmesi

Frekans özelliklerinin düzeltilmesiyle, op-amp cihazlardan gerekli özelliklerin elde edilmesi ve her şeyden önce kararlı çalışmanın sağlanması için LFC ve LPFC'nin değiştirilmesini kastediyoruz. Genellikle OOS devrelerinde bir op-amp kullanılır, ancak belirli koşullar altında sinyalin frekans bileşenlerindeki ek faz kaymaları nedeniyle OOS bir POS'a dönüşebilir ve amplifikatör stabilitesini kaybeder. OOS çok derin olduğundan ( βK U>>1), herhangi bir uyarım olmadığından emin olmak için giriş ve çıkış sinyalleri arasında bir faz kaymasının sağlanması özellikle önemlidir.

Daha önce, Şekil 6.6'da düzeltilmiş op-amp için LFC ve LPFC tepkisi, tek amplifikatör kademesinin LFC ve LPFC tepkisine eşdeğer biçimde gösterilmişti; buradan maksimum faz kaymasının φ olduğu görülebiliyordu.<90° при Ku op-amp>1 ve HF bölgesindeki kazanç azalma oranı 20 dB/dec'tir. Böyle bir amplifikatör herhangi bir geri besleme derinliğinde kararlıdır.

Op-amp, her biri 20 dB/dec bozunma oranına sahip olan ve düzeltme devreleri içermeyen birkaç basamaktan (örneğin üç) oluşuyorsa, LFC ve LPFC'si daha karmaşık bir şekle sahip olur (Şekil 6.15) ve kararsız salınımların olduğu bir bölge içerir.

Şekil 6.15. Düzeltilmemiş op-amp'in LFC ve LPFC'si

Op-amp cihazlarının kararlı çalışmasını sağlamak için, maksimum çalışma frekansında 135°'den daha az bir açık geri besleme döngüsü ile toplam faz kayması elde etmelerini sağlayan dahili ve harici düzeltme devreleri kullanılır. Bu durumda, otomatik olarak düşüşün ortaya çıktığı ortaya çıkıyor. Ku op-amp yaklaşık 20dB/dec'tir.

Op-amp cihazlarının kararlılığı için bir kriter olarak kullanılması uygundur Bode kriteri aşağıdaki gibi formüle edilmiştir: "Geri besleme devresine sahip bir amplifikatör, desibel cinsinden kazancının düz çizgisi, 20 dB/dec'lik bir düşüşle LFC'yi keserse stabildir." Böylece, op-amp'teki frekans düzeltme devrelerinin bozunma oranını sağlaması gerektiği sonucuna varabiliriz. KU env(KU hayır) HF'de yaklaşık 20 dB/dec.

Frekans düzeltme devreleri yarı iletken kristalin içine yerleştirilebilir veya harici elemanlar tarafından oluşturulabilir. En basit frekans düzeltme devresi, yeterince büyük bir değere sahip bir kapasitör C'nin op-amp çıkışına bağlanmasıyla gerçekleştirilir. Zaman sabitinin olması gerekiyor τ çekirdek=R out C cor 1/2π'den büyüktü f içeri. Bu durumda, op-amp çıkışındaki yüksek frekanslı sinyaller C çekirdeğine şöntlenecek ve çalışma frekansı bandı, çoğu oldukça önemli ölçüde daralacaktır ki bu, bu tür düzeltmenin önemli bir dezavantajıdır. Bu durumda elde edilen LFC, Şekil 6.16'da gösterilmektedir.

Şekil 6.16. Harici kapasitörle frekans düzeltme

Durgunluk Ku op-amp burada 20 dB/dec'i geçmeyecek ve φ hiçbir zaman 135°'yi geçmeyeceği için op-amp'in kendisi OOS'un kullanıma sunulmasıyla kararlı hale gelecektir.

Bütünleştirme (gecikme düzeltme) ve farklılaştırma (gelişmiş düzeltme) türlerinin düzeltici devreleri daha gelişmiştir. Genel olarak, entegre tipte bir düzeltme, kendisini düzeltici (yük) kapasitans eylemine benzer şekilde gösterir. Düzeltme RC devresi op-amp aşamaları arasına bağlanır (Şekil 6.17).

Şekil 6.17. Tip frekans düzeltmesinin entegre edilmesi

Direnç R1, op-amp aşamasının giriş direncidir ve düzeltme devresinin kendisi R çekirdeği ve C çekirdeği içerir. Bu devrenin zaman sabiti herhangi bir op-amp aşamasının zaman sabitinden büyük olmalıdır. Düzeltme devresi en basit tek bağlantılı RC devresi olduğundan LFC eğimi 20 dB/dec'dir, bu da amplifikatörün kararlı çalışmasını garanti eder. Ve bu durumda, düzeltme devresi amplifikatörün çalışma frekans bandını daraltır, ancak geniş bant, amplifikatör kararsızsa yine de hiçbir şey vermez.

Op-amp'in nispeten geniş bir bantla kararlı çalışması, diferansiyel tip düzeltme ile sağlanır. LFC ve LPFC'yi düzeltmeye yönelik bu yöntemin özü, RF sinyallerinin, maksimum sağlayan basamakların (veya elemanların) bir kısmını atlayarak op-amp'in içinden geçmesidir. k u Op-amp 0, fazda amplifiye edilmez veya geciktirilmezler. Sonuç olarak, RF sinyalleri daha az güçlendirilecek, ancak bunların küçük faz kaymaları amplifikatör stabilitesinin kaybına yol açmayacak. Diferansiyel tipte düzeltmeyi uygulamak için op-amp'in özel terminallerine bir düzeltme kapasitörü bağlanır (Şekil 6.18).

Şekil 6.18. Diferansiyel tip frekans düzeltmesi

Dikkate alınan düzeltici devrelere ek olarak, diğerleri de bilinmektedir (örneğin bakınız). Düzeltme şemalarını ve elemanlarının değerlerini seçerken referans literatüre başvurmalısınız (örneğin).