Amplificatorul operațional ideal este un amplificator non-inversător. Amplificator operațional

Un amplificator operațional (op-amp) este de obicei numit un amplificator DC integrat cu o intrare diferențială și o ieșire push-pull, proiectat să funcționeze cu circuite de feedback. Denumirea amplificatorului se datorează zonei sale originale de aplicare - efectuând diverse operații pe semnale analogice (adunare, scădere, integrare etc.). În prezent, amplificatoarele operaționale servesc ca unități multifuncționale în implementarea unei varietăți de dispozitive electronice pentru diverse scopuri. Sunt folosite pentru amplificare, limitare, multiplicare, filtrare în frecvență, generare, stabilizare etc. semnale în dispozitive continue și pulsate.

Trebuie remarcat faptul că amplificatoarele operaționale monolitice moderne diferă ușor în dimensiune și preț de elementele individuale individuale, de exemplu, tranzistoarele. Prin urmare, implementarea diferitelor dispozitive pe un op-amp este adesea mult mai simplă decât pe elemente discrete sau pe circuite integrate de amplificare.

Un amplificator operațional ideal are un câștig de tensiune infinit de mare ( K și op-amp=∞), impedanță de intrare infinit mare, impedanță de ieșire infinit mică, CMRR infinit de mare și bandă de frecvență de operare infinită. Desigur, în practică, niciuna dintre aceste proprietăți nu poate fi pe deplin realizată, dar pot fi abordate într-un grad suficient pentru multe zone.

Figura 6.1 prezintă două versiuni de simboluri op-amp - simplificate (a) și cu terminale suplimentare pentru conectarea circuitelor de putere și a circuitelor de corecție a frecvenței (b).

Figura 6.1. Simboluri OS

Pe baza cerințelor pentru caracteristicile unui amplificator operațional ideal, este posibilă sintetizarea structurii sale interne, prezentată în Figura 6.2.

Figura 6.2. Schema bloc a amplificatorului operațional

Un circuit electric simplificat al unui amplificator operațional simplu, implementând schema bloc din Figura 6.2, este prezentat în Figura 6.3.

Figura 6.3. Circuit simplu op-amp

Acest circuit conține o telecomandă de intrare (VT 1 și VT 2) cu oglindă de curent (VT 3 și VT 4), trepte intermediare cu OK (VT 5) și cu OE (VT 6) și un amplificator de curent de ieșire pe tranzistoarele VT 7 și VT 8 . Op-amp-ul poate conține circuite de corecție a frecvenței (Ccor), circuite de alimentare și de stabilizare termică (VD 1, VD 2 etc.), IST etc. Sursa de alimentare bipolară permite comunicarea galvanică între treptele amplificatorului operațional și potențialul zero la intrările și la ieșire, în absența unui semnal. Pentru a obține o impedanță mare de intrare, telecomanda de intrare poate fi efectuată pe un DC. Trebuie remarcat faptul că există o mare varietate de soluții de circuite op-amp, dar principiile de bază ale construcției lor sunt destul de complet ilustrate în Figura 6.3.

6.2. Principalii parametri și caracteristici ale amplificatorului operațional

Parametrul principal al amplificatorului operațional este câștigul de tensiune fără feedback K u op-amp, numit și câștig total de tensiune. În regiunile bas și midrange este uneori desemnat K u Op-amp 0 și poate ajunge la câteva zeci și sute de mii.

Parametrii importanți ai amplificatorului operațional sunt parametrii de precizie, determinați de treapta diferențială de intrare. Deoarece parametrii de precizie ai telecomenzii au fost luați în considerare în subsecțiunea 5.5, aici ne limităm la a-i enumera:

◆ tensiune offset de zero U cm;

◆ sensibilitatea la temperatură a tensiunii de compensare zero dU cm/dT;

◆ curent de polarizare Δ am introdus;

◆ curent mediu de intrare am introdus miercuri.

Circuitele de intrare și de ieșire ale amplificatorului operațional sunt reprezentate de intrare Intrare R si weekenduri R din amplificatorul operațional rezistențe date pentru amplificatoare operaționale fără circuite OOS. Pentru circuitul de ieșire sunt indicați și parametri precum curentul maxim de ieșire Am iesire amplificatorși rezistență minimă la sarcină R n min și uneori capacitatea maximă de încărcare. Circuitul de intrare al amplificatorului operațional poate include capacitatea între intrări și magistrala comună. Circuitele echivalente simplificate ale circuitelor de intrare și ieșire ale amplificatorului operațional sunt prezentate în Figura 6.4.

Figura 6.4. Un macromodel liniar simplu al unui amplificator operațional

Dintre parametrii amplificatorului operațional, este de remarcat CMRR și coeficientul de atenuare a influenței instabilității sursei de alimentare KOVNP=20lg·(Δ E/Δ U in). Ambii acești parametri în amplificatoarele operaționale moderne au valorile lor în intervalul (60...120) dB.

Parametrii de energie ai amplificatorului operațional includ tensiunea surselor de alimentare ±E, consumul de curent (în repaus) eu Pși consumul de energie. De obicei, eu P se ridică la zecimi - zeci de miliamperi, iar consumul de energie este determinat în mod unic eu P, unități - zeci de miliwați.

Parametrii maximi admiși ai amplificatorului operațional includ:

◆ tensiune maximă posibilă (nedistorsionată) a semnalului de ieșire Ieși max (de obicei puțin mai mic decât E);

◆ puterea disipată maximă admisă;

◆ intervalul de temperatură de funcționare;

◆ tensiunea maximă de alimentare;

◆ tensiune diferenţială maximă de intrare etc.

Parametrii de frecvență includ frecvența de tăiere absolută sau frecvența de amplificare unitară f T (F 1), adică frecventa la care K u op-amp=1. Uneori este utilizat conceptul de viteză de înclinare și timpul de stabilire a tensiunii de ieșire, determinat de răspunsul amplificatorului operațional la impactul unei supratensiuni la intrarea sa. Pentru unele amplificatoare operaționale, sunt furnizați și parametri suplimentari care reflectă domeniul lor specific de aplicare.

Caracteristicile de amplitudine (transfer) ale amplificatorului operațional sunt prezentate în Figura 6.5 sub forma a două dependențe Ieși=f(U in) pentru intrări inversoare și neinversoare.

Când la ambele intrări ale amplificatorului operațional U in=0, atunci o tensiune de eroare va fi prezentă la ieșire U osh, determinată de parametrii de precizie ai amplificatorului operațional (în Figura 6.5 U osh nu este afișat din cauza dimensiunilor sale mici).

Figura 6.5. AH OU

Proprietățile de frecvență ale unui amplificator operațional sunt reprezentate de răspunsul său în frecvență, realizat pe o scară logaritmică, K u op-amp=φ(log f). Acest răspuns în frecvență se numește logaritmic (LAFC), forma sa tipică este prezentată în Figura 6.6 (pentru amplificatorul operațional K140UD10).

Figura 6.6. LFC și LFCH OU K140UD10

Dependenta de frecventa K u op-amp poate fi reprezentat ca:

Aici τ V constanta de timp a amplificatorului operațional, care la M in=3 dB determină frecvența de cuplare (cutoff) a amplificatorului operațional (vezi Figura 6.6);

ω V= 1/τ V= 2π f în.

Înlocuind în expresia pentru K u op-amp τ V cu 1/ω V, obținem intrarea LACHH:

Pe bas și medii K u Op-amp= 20 lg K u Op-amp 0, adică LFC este o linie dreaptă paralelă cu axa frecvenței. Cu o oarecare aproximare, putem presupune că în regiunea HF scade K u Op-amp apare la o rată de 20 dB pe decada (6 dB pe octava). Atunci pentru ω>>ω V puteți simplifica expresia pentru LAC:

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

Astfel, LFC în regiunea HF este reprezentată de o linie dreaptă cu o pantă față de axa frecvenței de 20 dB/dec. Punctul de intersecție al dreptelor considerate reprezentând LFC corespunde frecvenței de conjugare ω V (f în). Diferența dintre LFC real și ideal la frecvență f în este de aproximativ 3 dB (a se vedea figura 6.6), cu toate acestea, pentru comoditatea analizei, acest lucru este tolerat și astfel de grafice sunt de obicei numite Diagramele Bode .

Trebuie remarcat faptul că rata de decădere LFC de 20 dB/dec este tipică pentru amplificatoarele operaționale corectate cu corecție externă sau internă, ale căror principii de bază vor fi discutate mai jos.

Figura 6.6 prezintă, de asemenea, răspunsul de fază logaritmică (LPFC), care este dependența defazării j a semnalului de ieșire în raport cu semnalul de intrare de frecvență. LFFC real diferă de cel prezentat cu cel mult 6°. Rețineți că pentru un amplificator operațional real j=45° la frecvență f în, și la frecvență f T- 90°. Astfel, defazarea intrinsecă a semnalului de lucru în amplificatorul operațional corectat din regiunea HF poate ajunge la 90°.

Parametrii și caracteristicile amplificatorului operațional discutate mai sus îl descriu în absența circuitelor OOS. Cu toate acestea, după cum s-a menționat, amplificatoarele operaționale sunt aproape întotdeauna folosite cu circuitele OOS, care afectează în mod semnificativ toți indicatorii săi.

6.3. Amplificator inversor

Amplificatoarele operaționale sunt cel mai adesea folosite în amplificatoare inversoare și neinversoare. O diagramă simplificată a circuitului unui amplificator inversor op-amp este prezentată în Figura 6.7.

Figura 6.7. Amplificator inversor amplificator operațional

Rezistorul R 1 reprezintă rezistența internă a sursei de semnal De exemplu, prin intermediul Ros OU este acoperită de ∥OOSN.

Cu un amplificator operațional ideal, diferența de tensiune la bornele de intrare tinde spre zero și, deoarece intrarea neinversătoare este conectată la magistrala comună prin rezistorul R2, potențialul la punctul A trebuie să fie și nul („zero virtual”, „teren aparent”). Ca urmare, putem scrie: IG=eu os, adică De exemplu/R 1 =–Ieși/R os. De aici obținem:

K U inv = Ieși/De exemplu = –R os/R 1 ,

acestea. cu un amplificator operațional ideal K U inv este determinat de raportul dintre valorile rezistențelor externe și nu depinde de amplificatorul operațional în sine.

Pentru un amplificator operațional real, este necesar să se țină cont de curentul său de intrare am introdus, adică IG=eu os+am introdus sau ( De exemplu–U in)/R 1 =(U in–Ieși)/R os+U in/Intrare U, Unde U in- tensiunea semnalului la intrarea inversoare a amplificatorului operațional, adică la punct A. Apoi, pentru un amplificator operațional real, obținem:

Este ușor să arăți că atunci când adâncimea OOS este mai mare de 10, de exemplu. K u op-amp/K U inv=F>10, eroare de calcul K U inv pentru cazul unui op-amp ideal, acesta nu depășește 10%, ceea ce este destul de suficient pentru majoritatea cazurilor practice.

Valorile rezistoarelor din dispozitivele op-amp nu trebuie să depășească câțiva megaohmi, altfel poate apărea o funcționare instabilă a amplificatorului din cauza curenților de scurgere, a curenților de intrare op-amp etc. Dacă, în urma calculului, valoarea R os depășește valoarea maximă recomandată, atunci este recomandabil să se folosească un lanț OOS în formă de T, care, cu valori moderate de rezistență, îi permite să îndeplinească funcția de o rezistență mare echivalentă. R os(Figura 6.7b) . În acest caz, puteți scrie:

În practică se crede adesea că R OS 1 =R OS 2 >>R OS 3 și valoarea R 1 este de obicei dat, deci R OS 3 se determină destul de simplu.

Impedanța de intrare a amplificatorului inversor op-amp R intrare inv are o valoare relativ mică determinată de OOS paralel:

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

acestea. în mare K u op-amp rezistența de intrare este determinată de valoare R 1 .

Inversarea impedanței de ieșire a amplificatorului R out invîntr-un amplificator operațional real este diferit de zero și este definit ca Ieșiți amplificatorul operațional, și adâncimea protecției mediului F. Pentru F>10, putem scrie:

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

Folosind LFC al amplificatorului operațional, puteți reprezenta domeniul de frecvență al amplificatorului inversor (vezi Figura 6.6) și

f OC = f T/K U inv.

În limita pe care o poți obține K U inv=1, adică obține un adept invers. În acest caz, obținem impedanța minimă de ieșire a amplificatorului op-amp:

R afară = Ieșiți amplificatorul operațional/K u op-amp.

Într-un amplificator folosind un amplificator operațional real la ieșirea amplificatorului la U in=0 tensiune de eroare va fi întotdeauna prezentă U osh, generat U cmşi Δ am introdus. Pentru a reduce U osh depuneți eforturi pentru a egaliza rezistențele echivalente conectate la intrările amplificatorului operațional, adică lua R 2 =R 1 ∥R os(A se vedea figura 6.7a). Dacă această condiție este îndeplinită pt K U inv>10 se pot scrie:

U osh ≈ U cm K U inv + Δ Eu în Ros.

Scădea U osh posibil prin aplicarea unei polarizări suplimentare la intrarea non-inversoare (folosind un divizor suplimentar) și reducerea valorilor rezistențelor utilizate.

Pe baza UPT inversor considerat, este posibil să se creeze un amplificator de curent alternativ prin conectarea condensatoarelor de separare la intrare și la ieșire, ale căror evaluări sunt determinate pe baza unui factor de distorsiune a frecvenței date. M n(vezi subsecțiunea 2.5).

6.4. Amplificator non-inversoare

O schemă simplificată a circuitului unui amplificator op-amp neinversător este prezentată în Figura 6.8.

Figura 6.8. Amplificator op-amp fără inversare

Este ușor de arătat că într-un amplificator neinversător amplificatorul operațional este acoperit de POSN. Deoarece U inȘi U os sunt furnizate la diferite intrări, apoi pentru un amplificator operațional ideal putem scrie:

U in = U out R 1 /(R 1 + R os),

de unde câștigul de tensiune al amplificatorului neinversător:

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

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

Pentru un amplificator non-inversător bazat pe un amplificator operațional real, expresiile obținute sunt valabile la o adâncime de feedback de F>10.

Impedanța de intrare a unui amplificator neinversător R input noninv este mare și este determinată de OOS consistent profund și de valoare ridicată Intrare R:

R input noninv = Intrare R· F = Intrare R· K U OU/K U noninv.

Impedanța de ieșire a unui amplificator op-amp neinversător este determinată ca și pentru un amplificator inversor, deoarece În ambele cazuri, se aplică tensiunea OOS:

R out non-inv = R din amplificatorul operațional/F = R din amplificatorul operațional/K U noninv/K U OU.

Extinderea benzii de frecvență de funcționare într-un amplificator neinversător se realizează în același mod ca și într-un amplificator inversor, adică.

f OC = f T/K U noninv.

Pentru a reduce eroarea de curent într-un amplificator neinversător, similar cu un amplificator inversor, trebuie îndeplinită următoarea condiție:

R g = R 1 ∥R os.

Un amplificator non-inversător este adesea folosit pentru mari R g(ceea ce este posibil datorită dimensiunii mari R input noninv), prin urmare, îndeplinirea acestei condiții nu este întotdeauna posibilă din cauza restricțiilor privind valoarea valorilor rezistoarelor.

Prezența unui semnal de mod comun la intrarea inversoare (transmis prin circuit: intrare op-amp non-inversoare ⇒ ieșire op-amp ⇒ R os⇒ inversarea intrării amplificatorului operațional) duce la o creștere U osh, ceea ce este un dezavantaj al amplificatorului în cauză.

Prin creșterea profunzimii protecției mediului, este posibil să se realizeze K U noninv=1, adică obţinerea unui repetor neinversător, al cărui circuit este prezentat în figura 6.9.

Figura 6.9. Adept de amplificator operațional care nu se inversează

Aici, 100% POSN este atins, astfel încât acest repetor are cea mai mare impedanță de intrare și minimă de ieșire și este folosit, ca orice repetor, ca etapă de potrivire. Pentru un urmăritor care nu inversează, puteți scrie:

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

acestea. Tensiunea de eroare poate atinge valori destul de mari.

Pe baza UPT-ului considerat neinversător, este, de asemenea, posibil să se creeze un amplificator de curent alternativ prin conectarea condensatoarelor de cuplare la intrare și la ieșire, ale căror evaluări sunt determinate pe baza unui factor de distorsiune a frecvenței dat. M n(vezi subsecțiunea 2.5).

Pe lângă amplificatoarele inversoare și neinversoare bazate pe amplificatoare operaționale, sunt disponibile diverse opțiuni de amplificare operațională, dintre care unele vor fi discutate mai jos.

6.5. Tipuri de unități de control pe amplificatorul operațional

amplificator diferențial (diferențial). , a cărei diagramă este prezentată în Figura 6.10.

Figura 6.10. Amplificator diferență op-amp

Un amplificator op-amp diferență poate fi considerat o combinație de opțiuni de amplificator inversor și neinversător. Pentru Ieși amplificatorul de diferență se poate scrie:

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

De obicei, R 1 =R 2 și R 3 =R os, prin urmare, R 3 /R 2 =R os/R 1 =m. Extinderea valorilor factorilor de câștig, obținem:

Ieși = m(U in 2 – U in 1),

Pentru cazul special când R 2 =R 3 obținem:

Ieși = U in 2 – U in 1 .

Ultima expresie explică clar originea numelui și scopul amplificatorului în cauză.

Într-un amplificator op-amp diferență, cu aceeași polaritate a tensiunilor de intrare, apare un semnal de mod comun, care crește eroarea amplificatorului. Prin urmare, într-un amplificator de diferență este de dorit să se folosească un amplificator operațional cu un CMRR mare. Dezavantajele amplificatorului de diferență considerat includ valori diferite ale rezistențelor de intrare și dificultatea de a regla câștigul. Aceste dificultăți sunt eliminate în dispozitivele care utilizează mai multe op-amp-uri, de exemplu, într-un amplificator de diferență cu două repetoare (Figura 6.11).

Figura 6.11. Amplificator de diferență cu repetor

Acest circuit este simetric și se caracterizează prin aceleași rezistențe de intrare și tensiune de eroare scăzută, dar funcționează numai pentru o sarcină simetrică.

Pe baza amplificatorului operațional poate fi executat amplificator logaritmic , a cărei diagramă schematică este prezentată în Figura 6.12.

Figura 6.12 Amplificator op-amp logaritmic

Joncțiunea P-n a diodei VD este polarizat direct. Presupunând că amplificatorul operațional este ideal, putem echivala curenții eu 1 și eu 2. Folosind expresia pentru caracteristica curent-tensiune a joncțiunii p-n ( eu=eu 0 ), este ușor de scris:

U in/R= eu 0 ·,

de unde după transformări obținem:

Ieși = φ T ln( U in/eu 0 R) = φ T(ln U in– ln eu 0 R),

din care rezultă că tensiunea de ieșire este proporțională cu logaritmul de intrare, iar termenul ln eu 0 R reprezintă eroarea de logaritm. Trebuie remarcat faptul că această expresie folosește tensiuni normalizate la un volt.

Când înlocuim dioda VD și rezistența R, obținem amplificator antilog .

Inversoare și neinversoare viperă pe amplificatoare operaționale, numite și amplificatoare de însumare sau sumatoare analogice. Figura 6.13 prezintă o diagramă schematică a unui sumator inversor cu trei intrări. Acest dispozitiv este un tip de amplificator inversor, multe dintre proprietățile căruia se manifestă și în sumatorul inversor.

Figura 6.13. Sumator inversor op-amp

U in 1 /R 1 + U in 2 /R 2 + U in 3 /R 3 = –Ieși/R os,

Din expresia rezultată rezultă că tensiunea de ieșire a dispozitivului este suma tensiunilor de intrare înmulțită cu câștigul K U inv. La R os=R 1 =R 2 =R 3 K U inv=1 și Ieși=U in 1 +U in 2 +U in 3 .

Când condiția este îndeplinită R 4 =R os∥R 1 ∥R 2 ∥R 3, eroarea curentă este mică și poate fi calculată folosind formula U osh=U cm(K U osh+1), unde K U osh=R os/(R 1 ∥R 2 ∥R 3) - factor de amplificare a semnalului de eroare, care are o valoare mai mare decât K U inv.

Adder care nu se inversează este implementat în același mod ca un sumator inversor, dar ar trebui să folosească intrarea neinversoare a amplificatorului operațional prin analogie cu un amplificator neinversător.

Când înlocuim rezistența Roc cu condensatorul C (Figura 6.14), obținem un dispozitiv numit integrator analogic sau doar un integrator.

Figura 6.14. Integrator analogic pe amplificator operațional

Cu un amplificator operațional ideal, curenții pot fi echivalați eu 1 și eu 2, din care rezultă:

Cu cât este mai mare precizia integrării, cu atât este mai mare K u op-amp.

Pe lângă unitățile de control considerate, amplificatoarele operaționale sunt utilizate într-un număr de dispozitive continue, care vor fi discutate mai jos.

6.6. Corectarea răspunsului în frecvență

Prin corectarea caracteristicilor de frecvență înțelegem schimbarea LFC și LPFC pentru a obține proprietățile necesare de la dispozitivele op-amp și, mai presus de toate, asigurarea unei funcționări stabile. Un amplificator operațional este de obicei folosit cu circuitele OOS, cu toate acestea, în anumite condiții, din cauza schimbărilor de fază suplimentare ale componentelor de frecvență ale semnalului, OOS se poate transforma într-un PIC și amplificatorul își va pierde stabilitatea. Deoarece OOS este foarte profund ( βK U>>1), este deosebit de important să se asigure o schimbare de fază între semnalele de intrare și de ieșire pentru a se asigura că nu există excitație.

Anterior, în Figura 6.6, au fost prezentate răspunsul LFC și LPFC pentru amplificatorul operațional corectat, într-o formă echivalentă cu răspunsul LFC și LPFC al unui singur etaj de amplificator, din care se poate observa că defazarea maximă φ<90° при K u op-amp>1, iar rata de decădere a câștigului în regiunea HF este de 20 dB/dec. Un astfel de amplificator este stabil la orice adâncime de feedback.

Dacă op-amp-ul constă din mai multe cascade (de exemplu, trei), fiecare dintre ele având o rată de dezintegrare de 20 dB/dec și nu conține circuite de corecție, atunci LFC și LPFC au o formă mai complexă (Figura 6.15) și conţin o regiune de oscilaţii instabile.

Figura 6.15. LFC și LPFC ale amplificatorului operațional necorectat

Pentru a asigura funcționarea stabilă a dispozitivelor op-amp, se folosesc circuite de corecție interne și externe, cu ajutorul cărora se realizează o defazare totală cu o buclă de feedback deschisă mai mică de 135° la frecvența maximă de funcționare. În acest caz, se dovedește automat că declinul K u op-amp este de aproximativ 20 dB/dec.

Este convenabil de utilizat ca criteriu pentru stabilitatea dispozitivelor op-amp Criteriul Bode , formulat astfel: „Un amplificator cu un circuit de feedback este stabil dacă linia dreaptă a câștigului său în decibeli traversează LFC într-o secțiune cu o declinare de 20 dB/dec.” Astfel, putem concluziona că circuitele de corecție a frecvenței din amplificatorul operațional trebuie să furnizeze rata de dezintegrare K U inv(K U noninv) la HF ​​aproximativ 20 dB/dec.

Circuitele de corecție a frecvenței pot fi fie încorporate în cristalul semiconductor, fie create de elemente externe. Cel mai simplu circuit de corecție a frecvenței este realizat prin conectarea unui condensator C cor de o valoare suficient de mare la ieșirea amplificatorului operațional. Este necesar ca constanta de timp miezul τ=R out C cor a fost mai mare de 1/2π f în. În acest caz, semnalele de înaltă frecvență la ieșirea amplificatorului operațional vor fi shuntate nucleul C și banda de frecvență de operare se va îngusta, majoritatea destul de semnificativ, ceea ce este un dezavantaj semnificativ al acestui tip de corecție. LFC obținut în acest caz este prezentat în Figura 6.16.

Figura 6.16. Corecție de frecvență cu condensator extern

Recesiune K u op-amp aici nu va depăși 20 dB/dec, iar op-amp-ul în sine va fi stabil odată cu introducerea OOS, deoarece φ nu va depăși niciodată 135°.

Circuitele corective de tip integrator (corecție lag) și diferențiere (corecție avansată) sunt mai avansate. În general, o corecție de tip integrator se manifestă în mod similar cu acțiunea unei capacități corective (de sarcină). Circuitul RC corector este conectat între etapele amplificatorului operațional (Figura 6.17).

Figura 6.17. Tip integrator de corecție a frecvenței

Rezistorul R1 este rezistența de intrare a etapei op-amp, iar circuitul de corecție în sine conține miezul R și miezul C. Constanta de timp a acestui circuit trebuie să fie mai mare decât constanta de timp a oricăreia dintre treptele op-amp. Deoarece circuitul de corecție este cel mai simplu circuit RC cu o singură legătură, panta LFC este de 20 dB/dec, ceea ce garantează funcționarea stabilă a amplificatorului. Și în acest caz, circuitul de corecție îngustează banda de frecvență de funcționare a amplificatorului, dar o bandă largă tot nu dă nimic dacă amplificatorul este instabil.

Funcționarea stabilă a amplificatorului operațional cu o bandă relativ largă este asigurată de corecția de tip diferențial. Esența acestei metode de corectare a LFC și LPFC este aceea că semnalele RF trec în interiorul amplificatorului operațional, ocolind o parte a cascadelor (sau elementelor) care oferă maxim K u Op-amp 0, nu sunt amplificate sau întârziate în fază. Ca rezultat, semnalele RF vor fi amplificate mai puțin, dar defazarea lor mică nu va duce la pierderea stabilității amplificatorului. Pentru a implementa corecția de tip diferențial, un condensator de corecție este conectat la bornele speciale ale amplificatorului operațional (Figura 6.18).

Figura 6.18. Corecție de frecvență de tip diferențial

Pe lângă circuitele corective luate în considerare, se cunosc și altele (vezi, de exemplu). Atunci când alegeți scheme de corecție și valorile elementelor acestora, ar trebui să vă referiți la literatura de referință (de exemplu,).

Amplificatorul non-inversător este probabil unul dintre cele mai de bază trei circuite electronice analogice, împreună cu amplificatorul inversor și circuitele urmăritoare de tensiune. Este chiar mai simplu decât un amplificator inversor, deoarece circuitul nu necesită putere bipolară pentru a funcționa.

Acordați atenție unității conținute în formulă. Acest lucru ne spune că un amplificator neinversător are întotdeauna un câștig mai mare de 1, ceea ce înseamnă că nu puteți atenua semnalul cu un astfel de circuit.

Pentru a înțelege mai bine cum funcționează un amplificator non-inversător, să ne uităm la circuit și să ne gândim la ce tensiune va fi la ieșire.

Primul lucru la care trebuie să ne gândim este ce tensiuni sunt prezente la ambele intrări ale amplificatorului nostru operațional. Să ne amintim prima dintre reguli, care descrie funcționarea unui amplificator operațional:

Regula nr. 1 - amplificatorul operațional își influențează ieșirea la intrare prin OOS (feedback negativ), în urma căreia tensiunea la ambele intrări, atât inversoare (-) cât și neinversoare (+), este egalizată.

Adică, tensiunea la intrarea inversoare este de 3V. În pasul următor, să ne uităm la rezistența de 10k. Știm ce tensiune este pe el și rezistența ei, ceea ce înseamnă că putem calcula cât de mult curent trece prin el:

I = U/R = 3V/10k = 300uA.

Acest curent, conform regulii 2, nu poate fi preluat de la intrarea inversoare (-), deci vine de la ieșirea amplificatorului.

Regula nr. 2 - intrările amplificatorului nu consumă curent

Un curent de 300 μA trece și printr-un rezistor cu o rezistență de 20 k. Putem calcula cu ușurință tensiunea de pe el folosind legea lui Ohm:

U = IR = 300uA * 20k = 6V

Se pare că această tensiune este tensiunea de ieșire a amplificatorului? Nu, nu este adevărat. Amintiți-vă că un rezistor de 20k are o tensiune de 3V la unul dintre bornele sale. Observați cum sunt direcționate tensiunile la ambele rezistențe.

Curentul circulă în direcția opusă săgeții, simbolizând punctul cu tensiune mai mare. Prin urmare, la 6V calculat trebuie să adăugați încă 3V la intrare. În acest caz, rezultatul final va fi 9V.

Este de remarcat faptul că rezistențele R1 și R2 formează unul simplu. Amintiți-vă că suma tensiunilor între rezistențele individuale ale divizorului trebuie să fie egală cu tensiunea furnizată divizorului - tensiunea nu poate dispărea fără urmă și nu poate apărea de nicăieri.

În sfârșit, trebuie să verificăm rezultatul obținut cu ultima regulă:

Regula nr. 3 - tensiunile la intrări și ieșiri trebuie să fie în intervalul dintre tensiunea de alimentare pozitivă și negativă a amplificatorului operațional.

Adică este necesar să verificăm dacă tensiunea calculată de noi poate fi obținută efectiv. Adesea, începătorii cred că amplificatorul funcționează ca un „Perpetuum Mobile” și produce tensiune din nimic. Dar trebuie să ne amintim că și amplificatorul are nevoie de putere pentru a funcționa.

Amplificatoarele clasice funcționează la tensiuni de -15V și +15V. Într-o astfel de situație, 9V pe care îl calculăm este tensiunea reală, deoarece 9V se află în domeniul tensiunii de alimentare. Cu toate acestea, amplificatoarele moderne funcționează adesea la tensiuni de până la 5V sau mai mici. Într-o astfel de situație, nu există nicio șansă ca amplificatorul să iasă 9V.

Prin urmare, la proiectarea circuitelor, trebuie întotdeauna amintit că calculele teoretice trebuie întotdeauna verificate în raport cu realitatea și cu capacitățile fizice ale componentelor.

Amplificatorul non-inversător este un circuit de bază op-amp. Pare dureros de simplu:

În acest circuit, semnalul este aplicat intrării neinversoare a amplificatorului operațional.

Deci, pentru a înțelege cum funcționează acest circuit, amintiți-vă cea mai importantă regulă care este utilizată pentru a analiza circuitele op-amp: tensiunea de ieșire a amplificatorului operațional tinde să asigure că diferența de tensiune dintre intrările sale este egală cu zero.

Principiul de funcționare

Deci, să notăm intrarea inversă cu litera A:

Urmând regula principală a amplificatorului operațional, aflăm că tensiunea la intrarea inversoare este egală cu tensiunea de intrare: U A =U in. U A este îndepărtat din , care este format din rezistențele R1 și R2. Prin urmare:

U A = U afară R1/(R1+R2)

Deoarece U A =U in, înțelegem asta U in = U out R1/(R1+R2).

Câștigul de tensiune se calculează ca K U = U afară / U intrare.

Înlocuim aici valorile obținute anterior și obținem asta K U = 1+R2/R1.

Verificarea lucrărilor în Proteus

Acest lucru poate fi verificat cu ușurință folosind programul Proteus. Diagrama va arăta astfel:

Să calculăm câștigul K U. K U = 1+R2/R1=1+90k/10k=10. Aceasta înseamnă că amplificatorul nostru trebuie să mărească semnalul de intrare exact de 10 ori. Să verificăm dacă acest lucru este adevărat. Aplicam o sinusoida cu o frecventa de 1 kHz la intrarea neinversoare si vedem ce avem la iesire. Pentru aceasta avem nevoie de un osciloscop virtual:

Semnalul de intrare este o formă de undă galbenă, iar semnalul de ieșire este o formă de undă roz:

După cum puteți vedea, semnalul de intrare a fost amplificat de exact 10 ori. Faza semnalului de ieșire rămâne aceeași. Prin urmare, se numește un astfel de amplificator NU inversează.

Dar, după cum se spune, există un „DAR”. De fapt, amplificatoarele operaționale reale au defecte de design. Deoarece Proteus încearcă să emuleze componente apropiate de cele reale, să ne uităm la răspunsul amplitudine-frecvență (AFC), precum și la răspunsul fază-frecvență (PFC) al amplificatorului operațional LM358.

Răspunsul în frecvență și răspunsul de fază al unui amplificator neinversător pe LM358

În practică, pentru a elimina răspunsul în frecvență, trebuie să aplicăm o frecvență de la 0 Hertz la o valoare finală la intrarea amplificatorului nostru, iar la ieșire în acest moment monitorizăm modificarea amplitudinii semnalului. În Proteus, totul se face folosind funcția de răspuns în frecvență:

Pe axa Y avem câștig, iar pe axa X avem frecvența. După cum probabil ați observat, câștigul a rămas aproape neschimbat până la o frecvență de 10 kHz, apoi a început să scadă rapid odată cu creșterea frecvenței. La o frecvență de 1 MegaHertz, câștigul a fost egal cu unitatea. Acest parametru din amplificatorul operațional este numit frecvența unității de câștig și este notat cu f 1. Adică, în esență, amplificatorul nu amplifică semnalul la această frecvență. Ce s-a dat la intrare este ceea ce a ieșit.

La proiectarea amplificatoarelor, un parametru important este frecvența de tăiere f gr. Pentru a-l calcula, trebuie să cunoaștem câștigul la frecvența K gr:

K gr = K Uo / √2 sau = K Uo x 0,707, unde K Uo este câștigul la o frecvență de 0 Hertz (curent continuu).

Dacă ne uităm la răspunsul în frecvență, vom vedea că la frecvența zero (la curent continuu) câștigul nostru este 10. Calculăm K gr.

K gr = 10 x 0,707 = 7,07

Acum desenăm o linie orizontală la nivelul 7.07 și ne uităm la intersecția cu diagrama. Am cam 104 kHz. Construiți un amplificator cu o frecvență de tăiere mai mare decât f gr nu are sens, deoarece în acest caz semnalul de ieșire al amplificatorului va fi mult atenuat.

De asemenea, este foarte ușor să determinați frecvența de tăiere dacă trasați un grafic în . Frecvența de tăiere va fi la nivelul K Uo -3dB. Adică, în cazul nostru, la un nivel de 17dB. După cum puteți vedea, în acest caz avem și o frecvență de tăiere de 104 kHz.

Bine, se pare că am rezolvat frecvența de tăiere. Acum, un astfel de parametru precum răspunsul de fază este important pentru noi. În cazul nostru, se pare că am obținut un amplificator NON-inversoare. Adică, defazarea dintre semnalul de intrare și de ieșire trebuie să fie zero. Dar cum se va comporta amplificatorul la frecvențe înalte (HF)?

Luăm același interval de frecvență de la 0 la 100 MHz și ne uităm la răspunsul de fază:

După cum puteți vedea, până la 1 kHz amplificatorul non-inversător funcționează într-adevăr așa cum ar trebui. Adică semnalele de intrare și de ieșire se deplasează în fază. Dar după o frecvență de 1 kHz, vedem că faza semnalului de ieșire începe să întârzie. La o frecvență de 100 kHz este deja în urmă cu aproximativ 40 de grade.

Pentru claritate, răspunsul în frecvență și răspunsul de fază pot fi plasate pe un singur grafic:

De asemenea, în circuitele cu amplificator neinversător, este adesea introdus un rezistor compensator R K.

Acesta este determinat de formula:

și servește la asigurarea egalității de rezistență între fiecare dintre intrări și masă. Vom analiza asta mai detaliat în articolul următor.

Cu contribuția lui Jeer

Există multe subiecte importante într-un curs de electronică. Astăzi vom încerca să înțelegem amplificatoarele operaționale.
Începe de la capăt. Un amplificator operațional este un „lucru” care vă permite să operați cu semnale analogice în toate modurile posibile. Cele mai simple și de bază sunt amplificarea, atenuarea, adunarea, scăderea și multe altele (de exemplu, diferențierea sau logaritmul). Marea majoritate a operațiunilor asupra amplificatoarelor operaționale (denumite în continuare op-amps) sunt efectuate folosind feedback pozitiv și negativ.
În acest articol vom lua în considerare un anumit op-amp „ideal”, deoarece Nu are sens să treci la un anumit model. Prin ideal se înțelege că rezistența de intrare va tinde spre infinit (prin urmare, curentul de intrare va tinde spre zero), iar rezistența de ieșire, dimpotrivă, va tinde spre zero (aceasta înseamnă că sarcina nu ar trebui să afecteze tensiunea de ieșire). ). De asemenea, orice amplificator operațional ideal ar trebui să amplifice semnalele de orice frecvență. Ei bine, și cel mai important, câștigul în absența feedback-ului ar trebui să tindă și el la infinit.

Treci la subiect

Un amplificator operațional este adesea simbolizat în diagramele de circuit printr-un triunghi echilateral. În stânga sunt intrările, care sunt marcate cu „-” și „+”, în dreapta este ieșirea. Tensiunea poate fi aplicată la oricare dintre intrări, dintre care una modifică polaritatea tensiunii (de aceea a fost numită inversare), cealaltă nu (este logic să presupunem că se numește neinversoare). Sursa de alimentare a amplificatorului operațional este cel mai adesea bipolară. De obicei, tensiunile de alimentare pozitive și negative au aceeași valoare (dar semn diferit!).
În cel mai simplu caz, puteți conecta sursele de tensiune direct la intrările op-amp. Și apoi tensiunea de ieșire va fi calculată conform formulei:
, unde este tensiunea la intrarea neinversoare, este tensiunea la intrarea inversoare, este tensiunea de ieșire și este câștigul în buclă deschisă.
Să ne uităm la amplificatorul operațional ideal din punctul de vedere al lui Proteus.


Vă sugerez să vă „jucați” cu el. S-a aplicat o tensiune de 1V la intrarea neinversoare. Pentru a inversa 3V. Folosim un op-amp „ideal”. Deci, obținem: . Dar aici avem un limitator, pentru că nu vom putea amplifica semnalul peste tensiunea de alimentare. Astfel, vom obține în continuare -15V la ieșire. Rezultat:


Să schimbăm câștigul (deci să mă crezi). Lăsați parametrul Câștig de tensiune să devină egal cu doi. Aceeași problemă este clar rezolvată.

Aplicarea reală a amplificatoarelor operaționale folosind exemplul amplificatoarelor inversoare și neinversoare

Sunt două dintre acestea principal reguli:
eu. Ieșirea amplificatorului operațional tinde să facă ca tensiunea diferențială (diferența dintre tensiunea la intrările inversoare și neinversoare) să fie zero.
II. Intrările amplificatorului operațional nu consumă curent.
Prima regulă este implementată prin feedback. Acestea. tensiunea este transferată de la ieșire la intrare în așa fel încât diferența de potențial să devină zero.
Acestea sunt, ca să spunem așa, „canoanele sacre” din subiectul OU.
Și acum, mai precis. Amplificator inversor arată exact așa (atenție la modul în care sunt localizate intrările):


Pe baza primului „canon” obținem proporția:
, și după „făcând puțină magie” cu formula, obținem valoarea pentru câștigul amplificatorului operațional inversor:

Captura de ecran de mai sus nu are nevoie de comentarii. Doar conectați totul și verificați singur.

Etapa urmatoare - neinversoare amplificator.
Totul este, de asemenea, simplu aici. Tensiunea este aplicată direct la intrarea neinversoare. Feedback-ul este furnizat la intrarea inversoare. Tensiunea la intrarea inversoare va fi:
, dar aplicând prima regulă, putem spune că

Și din nou, cunoștințele „grandioase” în domeniul matematicii superioare ne permit să trecem la formula:
Vă voi oferi o captură de ecran completă pe care o puteți verifica dacă doriți:

În cele din urmă, vă voi oferi câteva circuite interesante, astfel încât să nu aveți impresia că amplificatoarele operaționale pot doar amplifica tensiunea.

Urmator de tensiune (amplificator tampon). Principiul de funcționare este același cu cel al unui repetor cu tranzistor. Folosit în circuite de sarcină mare. De asemenea, poate fi folosit pentru a rezolva problema potrivirii impedanței dacă circuitul conține divizoare de tensiune nedorite. Schema este simplă până la geniu:

Amplificator de însumare. Poate fi folosit dacă trebuie să adăugați (scădeți) mai multe semnale. Pentru claritate, iată o diagramă (din nou, acordați atenție locației intrărilor):


De asemenea, acordați atenție faptului că R1 = R2 = R3 = R4 și R5 = R6. Formula de calcul în acest caz va fi: (familiar, nu-i așa?)
Astfel, vedem că valorile tensiunii care sunt furnizate intrării neinversoare „dobândesc” un semn plus. Pe inversarea unu - minus.

Concluzie

Circuitele amplificatoarelor operaționale sunt extrem de diverse. În cazuri mai complexe, puteți găsi circuite active de filtrare, ADC și dispozitive de eșantionare de stocare, amplificatoare de putere, convertoare curent-tensiune și multe alte circuite.

Lista surselor

O scurtă listă de surse care vă vor ajuta să vă obișnuiți rapid atât cu amplificatoarele operaționale, cât și cu electronicele în general:
Wikipedia
P. Horowitz, W. Hill. „Arta proiectării circuitelor”
B. Baker. „Ce trebuie să știe un dezvoltator digital despre electronica analogică”
Note de curs despre electronică (de preferință propriile dvs.)
UPD: Mulțumesc OZN pentru invitație

O călătorie de zece mii de mile începe cu primul pas.
(proverb chinezesc)

Era seară, nu era nimic de făcut... Și așa deodată am vrut să lipim ceva. Un fel de... Electronic!.. Lipire - deci lipire. Există un computer și internetul este conectat. Selectați o schemă. Și dintr-o dată se dovedește că diagramele pentru subiectul vizat sunt o căruță și un cărucior mic. Și fiecare este diferit. Fără experiență, cunoștințe insuficiente. Pe care să o aleg? Unele dintre ele conțin un fel de dreptunghiuri și triunghiuri. Amplificatoare și chiar operaționale... Cum funcționează nu este clar. Înfricoșător!.. Dacă arde? Alegem ceea ce este mai simplu, folosind tranzistori familiari! Selectat, lipit, pornit... AJUTOR!!! Nu funcționează!!! De ce?

Da, pentru că „Simplitatea este mai rea decât furtul”! Este ca un computer: cel mai rapid și mai sofisticat este unul de gaming! Și pentru munca de birou, chiar și cel mai simplu este suficient. La fel este și cu tranzistoarele. Lipirea unui circuit pe ele nu este suficientă. Încă trebuie să îl poți configura. Sunt prea multe capcane și capcane. Și acest lucru necesită adesea o experiență care nu este la nivel de intrare. Deci, de ce să renunți la o activitate interesantă? Deloc! Doar nu vă fie frică de aceste „triunghiuri-dreptunghiuri”. Se pare că lucrul cu ei, în multe cazuri, este mult mai ușor decât cu tranzistoarele individuale. DACĂ ȘTII - CUM!

De asta ne vom ocupa acum: înțelegerea modului în care funcționează un amplificator operațional (op-amp, sau în engleză OpAmp). În același timp, vom considera opera sa literalmente „pe degete”, practic fără a folosi nicio formulă, cu excepția, poate, a legii lui Ohm: „Curentul printr-o secțiune a circuitului ( eu) este direct proporțională cu tensiunea pe ea ( U) și este invers proporțională cu rezistența sa ( R)»:
I=U/R. (1)

Pentru început, în principiu, nu este atât de important cum exact este aranjat amplificatorul operațional în interior. Să acceptăm doar ca o presupunere că este o „cutie neagră” cu un fel de umplutură. În această etapă, nu vom lua în considerare astfel de parametri de amplificator operațional precum „tensiune de polarizare”, „tensiune de schimbare”, „deviație de temperatură”, „caracteristici de zgomot”, „raport de suprimare în mod comun”, „raport de suprimare a ondulației tensiunii de alimentare”, „ lățime de bandă” ” și așa mai departe. Toți acești parametri vor fi importanți în următoarea etapă a studiului său, când principiile de bază ale activității sale „se instalează” în capul tău pentru că „a fost neted pe hârtie, dar au uitat de râpe”...

Deocamdată, vom presupune doar că parametrii amplificatorului operațional sunt aproape de ideal și luăm în considerare doar ce semnal va fi la ieșire dacă unele semnale sunt aplicate intrărilor sale.

Deci, un amplificator operațional (op-amp) este un amplificator diferențial DC cu două intrări (inversoare și neinversătoare) și o ieșire. Pe lângă acestea, amplificatorul operațional are terminale de putere: pozitive și negative. Aceste cinci concluzii se găsesc în aproape orice op-amp și sunt fundamental necesare pentru funcționarea acestuia.

Op-amp-ul are un câștig uriaș, cel puțin 50000...100000, dar în realitate este mult mai mult. Prin urmare, ca primă aproximare, putem chiar presupune că este egal cu infinitul.

Termenul „diferențial” („diferent” este tradus din engleză ca „diferență”, „diferență”, „diferență”) înseamnă că potențialul de ieșire al amplificatorului operațional este influențat numai de diferența de potențial dintre intrările sale, indiferent de la ei absolut semnificații și polarități.

Termenul „curent constant” înseamnă că amplificatorul operațional amplifică semnalele de intrare începând de la 0 Hz. Gama superioară de frecvență (gama de frecvență) a semnalelor amplificate de un amplificator operațional depinde de multe motive, precum caracteristicile de frecvență ale tranzistoarelor din care constă, câștigul circuitului construit folosind amplificatorul operațional etc. Dar această întrebare depășește sfera cunoașterii inițiale cu munca sa și nu va fi luată în considerare aici.

Intrările op-amp au o rezistență de intrare foarte mare, egală cu zeci/sute de MegaOhmi, sau chiar GigaOhmi (și doar la memorabilul K140UD1, și chiar și la K140UD5 a fost doar 30...50 kOhm). O rezistență atât de mare a intrărilor înseamnă că acestea nu au practic niciun efect asupra semnalului de intrare.

Prin urmare, cu un grad ridicat de apropiere de idealul teoretic, putem presupune că actual nu curge în intrările amplificatorului operațional . Acest - primul o regulă importantă care se aplică atunci când se analizează funcționarea unui amplificator operațional. Vă rog să vă amintiți bine despre ce este vorba numai amplificatorul operațional în sine, dar nu scheme cu folosirea lui!

Ce înseamnă termenii „inversare” și „neinversare”? În raport cu ceea ce este determinată inversiunea și, în general, ce fel de „animal” este inversiunea semnalului?

Tradus din latină, unul dintre semnificațiile cuvântului „inversio” este „întoarcerea”, „cifra de afaceri”. Cu alte cuvinte, inversarea este o imagine în oglindă ( oglindire) semnal raportat la axa X orizontală(axa timpului). În fig. Figura 1 prezintă câteva dintre numeroasele opțiuni posibile pentru inversarea semnalului, unde roșul indică semnalul direct (de intrare) și albastru indică semnalul inversat (de ieșire).

Orez. 1 Conceptul inversării semnalului

Trebuie remarcat în special că la linia zero (ca în Fig. 1, A, B) inversarea semnalului nu legat! Semnalele pot fi inverse și asimetrice. De exemplu, ambele sunt doar în regiunea valorilor pozitive (Fig. 1, B), ceea ce este tipic pentru semnalele digitale sau cu alimentare unipolară (acesta va fi discutat mai târziu), sau ambele sunt parțial în pozitiv și parțial în regiunile negative (Fig. 1, B, D). Sunt posibile și alte opțiuni. Condiția principală este reciproca lor specularitatea relativ la un nivel arbitrar ales (de exemplu, un punct de mijloc artificial, care va fi, de asemenea, discutat în continuare). Cu alte cuvinte, polaritate De asemenea, semnalul nu este un factor determinant.

Op-ampurile sunt descrise pe diagramele de circuit în moduri diferite. În străinătate, amplificatoarele operaționale erau descrise și chiar și acum sunt foarte des reprezentate sub forma unui triunghi isoscel (Fig. 2, A). Intrarea inversoare este reprezentată printr-un simbol minus, iar intrarea neinversătoare este reprezentată printr-un simbol plus în interiorul unui triunghi. Aceste simboluri nu înseamnă deloc că potențialul la intrările corespunzătoare ar trebui să fie mai pozitiv sau mai negativ decât la cealaltă. Ele indică pur și simplu cum reacționează potențialul de ieșire la potențialele aplicate intrărilor. Drept urmare, ele pot fi ușor confundate cu pinii de alimentare, care se pot dovedi a fi o „greblă” neașteptată, mai ales pentru începători.

Orez. 2 Opțiuni pentru imagini grafice condiționate (CGO)
amplificatoare operaționale

În sistemul de imagini grafice convenționale interne (UGO) înainte de intrarea în vigoare a GOST 2.759-82 (ST SEV 3336-81), amplificatoarele operaționale au fost, de asemenea, reprezentate sub formă de triunghi, doar intrarea inversă - cu o inversare simbol - un cerc la intersecția ieșirii cu triunghiul (Fig. 2, B), iar acum - sub forma unui dreptunghi (Fig. 2, C).

La desemnarea amplificatoarelor operaționale în diagrame, intrările inversoare și neinversoare pot fi schimbate dacă este mai convenabil, totuși, în mod tradițional, intrarea inversoare este reprezentată în partea de sus, iar intrarea neinversătoare în partea de jos. Pinii de alimentare, de regulă, sunt întotdeauna amplasați într-un singur fel (pozitiv în partea de sus, negativ în partea de jos).

Amplificatoarele operaționale sunt aproape întotdeauna folosite în circuitele cu feedback negativ (NFB).

Feedback-ul este efectul furnizării unei părți din tensiunea de ieșire a amplificatorului la intrarea sa, unde este însumată algebric (ținând cont de semn) cu tensiunea de intrare. Principiul însumării semnalelor va fi discutat mai jos. În funcție de intrarea amplificatorului operațional, inversor sau neinversător, sistemul de operare este furnizat, se face o distincție între feedback negativ (NFB), atunci când o parte a semnalului de ieșire este furnizată la intrarea inversoare (Fig. 3, A). ) sau reacție pozitivă (POF), când parțial Semnalul de ieșire este furnizat, în consecință, la intrarea neinversoare (Fig. 3, B).

Orez. 3 Principiul generării feedback-ului (FE)

În primul caz, deoarece semnalul de ieșire este inversul semnalului de intrare, acesta este scăzut din semnalul de intrare. Ca rezultat, câștigul general al etapei este redus. În al doilea caz, se însumează cu intrarea, câștigul general al cascadei crește.

La prima vedere, poate părea că POS are un efect pozitiv, iar OOS este o idee complet inutilă: de ce să reducă câștigul? Este exact ceea ce au gândit examinatorii de brevete din SUA când, în 1928, Harold S. Black încercat patentează OOS. Cu toate acestea, sacrificând amplificarea, îmbunătățim semnificativ alți parametri importanți ai circuitului, cum ar fi liniaritatea, gama de frecvență etc. Cu cât OOS este mai profund, cu atât caracteristicile întregului circuit depind de caracteristicile amplificatorului operațional.

Dar PIC-ul (ținând cont de propriul câștig uriaș al amplificatorului operațional) are efectul opus asupra caracteristicilor circuitului și cel mai neplăcut lucru este că își provoacă autoexcitarea. Desigur, este folosit și în mod deliberat, de exemplu, în generatoare, comparatoare cu histerezis (mai multe despre asta mai târziu), etc., dar în general influența sa asupra funcționării circuitelor amplificatoare cu amplificatoare operaționale este destul de negativă și necesită o analiza foarte atentă și rezonabilă aplicarea acesteia.

Deoarece op-amp-ul are două intrări, sunt posibile următoarele tipuri de bază ale includerii sale folosind OOS (Fig. 4):

Orez. 4 Circuite de bază pentru conectarea amplificatoarelor operaționale

A) inversarea (Fig. 4, A) - semnalul este furnizat la intrarea inversoare, iar intrarea neinversătoare este conectată direct la potențialul de referință (neutilizat);

b) neinversoare (Fig. 4, B) - semnalul este furnizat la intrarea neinversoare, iar intrarea inversoare este conectată direct la potențialul de referință (neutilizat);

V) diferenţial (Fig. 4, B) - semnalele sunt furnizate ambelor intrări, inversoare și neinversoare.

Pentru a analiza funcționarea acestor circuite, ar trebui să țineți cont al doilea cel mai important regulă, căruia îi este subordonată funcționarea amplificatorului operațional: Ieșirea amplificatorului operațional tinde să asigure că diferența de tensiune dintre intrările sale este zero..

Cu toate acestea, orice formulare trebuie să fie necesar si suficient, pentru a limita întregul subset de cazuri care fac obiectul acesteia. Formularea de mai sus, cu toată „clasicitatea” sa, nu oferă nicio informație despre care dintre intrările „încearcă să influențeze” rezultatul. Pe baza acestuia, se dovedește că amplificatorul operațional pare să egalizeze tensiunile la intrările sale, furnizându-le tensiune de undeva „din interior”.

Dacă examinați cu atenție diagramele din fig. 4, puteți vedea că OOS (prin Rooos) în toate cazurile este pornit de la ieșire numai la intrarea inversă, ceea ce ne dă motive să reformulam această regulă după cum urmează: Tensiune la ieșirea amplificatorului operațional, acoperită de OOS, tinde să se asigure că potențialul de la intrarea inversoare este egal cu potențialul de la intrarea care nu inversează.

Pe baza acestei definiții, atunci când orice amplificator operațional cu OOS este pornit, „master” este intrarea neinversoare, iar „slave” este intrarea inversoare.

Când descrieți funcționarea unui amplificator operațional, potențialul de la intrarea sa de inversare este adesea numit „zero virtual” sau „punct de mijloc virtual”. Traducerea cuvântului latin „virtus” înseamnă „imaginar”, „imaginar”. Obiectul virtual se comportă aproape de comportamentul unor obiecte similare ale realității materiale, adică, pentru semnalele de intrare (datorită acțiunii buclei de feedback), intrarea inversoare poate fi considerată conectată direct la același potențial la care intrarea neinversoare. este conectat. Cu toate acestea, „zero virtual” este doar un caz special care apare numai cu o sursă de amplificator operațional bipolară. Când utilizați sursa de alimentare unipolară (care va fi discutată mai jos) și în multe alte circuite de comutare, nu va exista zero nici la intrările neinversoare, fie la intrările inversoare. Prin urmare, să fim de acord că nu vom folosi acest termen, deoarece interferează cu înțelegerea inițială a principiilor de funcționare ale amplificatorului operațional.

Din acest punct de vedere vom analiza diagramele prezentate în Fig. 4. În același timp, pentru a simplifica analiza, vom presupune că tensiunile de alimentare sunt încă bipolare, egale între ele ca valoare (să zicem, ± 15 V), cu un punct de mijloc (bus comun sau „masă”), relativ la care vom număra tensiunile de intrare și de ieșire. În plus, analiza se va efectua folosind curent continuu, deoarece un semnal alternativ în schimbare în fiecare moment de timp poate fi reprezentat și ca un eșantion de valori ale curentului continuu. În toate cazurile, feedback-ul prin Rooc este inițiat de la ieșirea amplificatorului operațional la intrarea sa de inversare. Singura diferență este care dintre intrări este alimentată cu tensiune de intrare.

A) Inversarea pornire (Fig. 5).

Orez. 5 Principiul de funcționare al unui amplificator operațional într-o conexiune inversabilă

Potențialul la intrarea neinversoare este zero, deoarece este conectat la punctul de mijloc („sol”). Un semnal de intrare egal cu +1 V față de punctul de mijloc (de la GB) este aplicat la terminalul din stânga al rezistenței de intrare Rin. Să presupunem că rezistențele Rooc și Rin sunt egale între ele și se ridică la 1 kOhm (în total rezistența lor este de 2 kOhm).

Conform regulii 2, intrarea inversoare trebuie să aibă același potențial ca și intrarea neinversătoare, adică 0 V. Prin urmare, Rin i se aplică o tensiune de +1 V. Conform legii lui Ohm, curentul va curge prin ea euintrare= 1 V / 1000 Ohm = 0,001 A (1 mA). Direcția de curgere a acestui curent este indicată de săgeată.

Deoarece Rooc și Rin sunt pornite de divizor și, conform Regulii 1, intrările amplificatorului operațional nu consumă curent, atunci pentru ca tensiunea să fie de 0 V la mijlocul acestui divizor, trebuie aplicată tensiune. la pinul drept al lui Rooc minus 1 V și curentul care circulă prin el euoos ar trebui să fie, de asemenea, egal cu 1 mA. Cu alte cuvinte, între borna stângă Rin și borna dreaptă Rooc se aplică o tensiune de 2 V, iar curentul care circulă prin acest divizor este de 1 mA (2 V / (1 kOhm + 1 kOhm) = 1 mA), adică. eu intrare = eu oos .

Dacă la intrare este aplicată o tensiune de polaritate negativă, ieșirea amplificatorului operațional va fi o tensiune de polaritate pozitivă. Totul este la fel, doar săgețile care arată fluxul de curent prin Rooc și Rin vor fi îndreptate în direcția opusă.

Astfel, dacă evaluările Rooc și Rin sunt egale, tensiunea de la ieșirea amplificatorului operațional va fi egală cu tensiunea de la intrare ca mărime, dar inversă ca polaritate. Și am primit inversarea repetitor . Acest circuit este adesea folosit dacă este necesară inversarea unui semnal obținut folosind circuite care sunt fundamental invertoare. De exemplu, amplificatoare logaritmice.

Acum haideți, păstrând valoarea Rin egală cu 1 kOhm, creștem rezistența Rooc la 2 kOhm cu același semnal de intrare +1 V. Rezistența totală a divizorului Rooc + Rin a crescut la 3 kOhm. Pentru ca un potențial de 0 V să rămână la mijlocul său (egal cu potențialul intrării neinversoare), același curent (1 mA) trebuie să curgă prin Rooc ca și prin Rin. Prin urmare, căderea de tensiune pe Rooc (tensiunea la ieșirea amplificatorului operațional) ar trebui să fie deja de 2 V. La ieșirea amplificatorului operațional, tensiunea este de minus 2 V.

Să creștem ratingul Rooc la 10 kOhm. Acum, tensiunea la ieșirea amplificatorului operațional în aceleași alte condiții va fi deja de 10 V. Wow! În sfârșit am primit inversarea amplificator ! Tensiunea sa de ieșire este mai mare decât tensiunea de intrare (cu alte cuvinte, câștigul Ku) de atâtea ori cât rezistența Rooc este mai mare decât rezistența Rin. Indiferent cât de mult am jurat să nu folosesc formule, să afișăm în continuare acest lucru sub forma unei ecuații:
Ku = – Uout / Uin = – Roos / Rin. (2)

Semnul minus din fața fracției din partea dreaptă a ecuației înseamnă doar că semnalul de ieșire este invers față de intrare. Si nimic mai mult!

Acum să creștem rezistența Rooc la 20 kOhm și să analizăm ce se întâmplă. Conform formulei (2), cu Ku = 20 și un semnal de intrare de 1 V, ieșirea ar trebui să aibă o tensiune de 20 V. Dar nu este cazul! Am acceptat anterior ipoteza că tensiunea de alimentare a amplificatorului nostru operațional este de numai ± 15 V. Dar nici măcar 15 V nu pot fi obținute (de ce este așa - puțin mai mic). „Nu poți sări deasupra capului tău (tensiune de alimentare)!” Ca urmare a unei astfel de abuzuri ale evaluărilor circuitului, tensiunea de ieșire a amplificatorului operațional „se sprijină” pe tensiunea de alimentare (ieșirea amplificatorului operațional intră în saturație). Echilibrul egalității actuale prin divizorul RoocRin ( euintrare = euoos) este încălcat, la intrarea inversoare apare un potențial diferit de potențialul la intrarea neinversoare. Regula 2 nu se mai aplică.

Intrare rezistenţă amplificator inversor este egală cu rezistența Rin, deoarece tot curentul de la sursa semnalului de intrare (GB) trece prin ea.

Acum să înlocuim constanta Rooc cu una variabilă, cu o valoare nominală de, să zicem, 10 kOhm (Fig. 6).

Orez. 6 Circuit amplificator inversor de câștig variabil

Cu poziția în dreapta (conform diagramei) a cursorului său, câștigul va fi Rooc / Rin = 10 kOhm / 1 kOhm = 10. Prin deplasarea cursorului Roos spre stânga (reducerea rezistenței acestuia), câștigul circuitului va fi scade și, în cele din urmă, în poziția sa extremă din stânga va deveni egal cu zero, deoarece numărătorul din formula de mai sus va deveni zero atunci când orice valoarea numitorului. De asemenea, ieșirea va fi zero pentru orice valoare și polaritate a semnalului de intrare. Acest circuit este adesea folosit în circuitele de amplificare audio, de exemplu, în mixere, unde câștigul trebuie ajustat de la zero.

B) Neinversoare pornire (Fig. 7).

Orez. 7 Principiul de funcționare al unui amplificator operațional într-o conexiune fără inversare

Pinul Rin din stânga este conectat la punctul de mijloc („sol”), iar semnalul de intrare +1 V este aplicat direct la intrarea neinversabilă. Deoarece nuanțele analizei sunt „mestecate” mai sus, aici vom acorda atenție doar diferențelor semnificative.

În prima etapă a analizei, vom accepta și rezistențele Rooc și Rin egale între ele și componente de 1 kOhm. Deoarece la intrarea neinversoare potențialul este de +1 V, apoi, conform Regulii 2, același potențial (+1 V) ar trebui să fie la intrarea inversoare (prezentat în figură). Pentru a face acest lucru, trebuie să existe o tensiune de +2 V la borna dreaptă a rezistenței Rooc (curenți de ieșire a amplificatorului). euintrareȘi euoos, egal cu 1 mA, curg acum prin rezistențele Rooc și Rin în direcția opusă (indicată prin săgeți). Am reusit neinversoare amplificator cu un câștig de 2, deoarece un semnal de intrare de +1 V produce un semnal de ieșire de +2 V.

Ciudat, nu-i așa? Valorile sunt aceleași ca în conexiunea inversoare (singura diferență este că semnalul este aplicat la o altă intrare), iar amplificarea este evidentă. Ne vom uita la asta puțin mai târziu.

Acum creștem ratingul Rooc la 2 kOhm. Pentru a menține echilibrul curenților euintrare = euoos iar potențialul intrării inversoare este de +1 V, ieșirea amplificatorului operațional ar trebui să fie deja +3 V. Ku = 3 V / 1 V = 3!

Dacă comparăm valorile lui Ku pentru o conexiune neinversoare cu una inversoare, cu aceleași evaluări Rooc și Rin, se dovedește că câștigul în toate cazurile este mai mare cu unu. Deducem formula:
Ku = Uout / Uin + 1 = (Rooc / Rin) + 1 (3)

De ce se întâmplă asta? Da, foarte simplu! OOS funcționează exact în același mod ca și în cazul unei conexiuni inversoare, dar conform Regulii 2, potențialul intrării neinversoare este întotdeauna adăugat la potențialul intrării inversoare într-o conexiune neinversoare.

Deci, cu o conexiune fără inversare, nu puteți obține un câștig de 1? De ce nu se poate - este posibil. Să reducem ratingul Rooc, similar cu cum am analizat Fig. 6. Când valoarea sa este zero - ieșirea este scurtcircuitată cu intrarea inversoare (Fig. 8, A), conform Regulii 2, ieșirea va avea o astfel de tensiune încât potențialul intrării inversoare este egal cu potențialul a intrării neinversoare, adică +1 V. Se obține: Ku = 1 V / 1 V = 1 (!) Ei bine, deoarece intrarea inversoare nu consumă curent și nu există nicio diferență de potențial între ea și ieșire, atunci nu curge curent în acest circuit.

Orez. 8 Schema de circuit pentru conectarea unui amplificator operațional ca adept de tensiune

Rin devine complet redundant, pentru că este conectat în paralel cu sarcina pentru care trebuie să funcționeze ieșirea amplificatorului operațional, iar curentul său de ieșire va curge prin el complet în zadar. Ce se întâmplă dacă părăsiți Rooc, dar eliminați Rin (Fig. 8, B)? Apoi, în formula de câștig Ku = Rooc / Rin + 1, rezistența Rin devine teoretic aproape de infinit (în realitate, desigur, nu, deoarece există scurgeri pe placă și curentul de intrare al amplificatorului operațional, deși neglijabil , este tot zero nu este egal), iar raportul Rooc / Rin este egal cu zero. Doar unul rămâne în formula: Ku = + 1. Este posibil să se obțină un câștig mai mic de unu pentru acest circuit? Nu, mai puțin nu va funcționa în nicio circumstanță. Nu poți ocoli unitatea „extra” din formula de câștig pe o capră strâmbă...

După ce am îndepărtat toate rezistențele „extra”, obținem circuitul neinversoare repetitor , prezentată în fig. 8, V.

La prima vedere, o astfel de schemă nu are sens practic: de ce avem nevoie de un „câștig” unic și chiar non-invers - ce, nu puteți pur și simplu trimite semnalul mai departe? Cu toate acestea, astfel de scheme sunt folosite destul de des și iată de ce. Conform regulii 1, curentul nu curge în intrările amplificatorului operațional, adică impedanta de intrare Adeptul care nu se inversează este foarte mare - aceleași zeci, sute și chiar mii de MOhmi (același lucru este valabil și pentru circuitul din Fig. 7)! Dar rezistența de ieșire este foarte scăzută (fracțiuni de ohm!). Ieșirea amplificatorului operațional „pufă din toată puterea”, încercând, conform Regulii 2, să mențină același potențial la intrarea inversoare ca și la intrarea neinversătoare. Singura limitare este curentul de ieșire permis al amplificatorului operațional.

Dar din acest punct ne vom întoarce puțin în lateral și vom lua în considerare problema curenților de ieșire a amplificatorului operațional mai detaliat.

Pentru majoritatea amplificatoarelor operaționale utilizate pe scară largă, parametrii tehnici indică faptul că rezistența de sarcină conectată la ieșirea lor nu ar trebui să fie Mai puțin 2 kOhm. Mai mult - cât vrei. Pentru un număr mult mai mic este de 1 kOhm (K140UD...). Aceasta înseamnă că în cele mai defavorabile condiții: tensiune maximă de alimentare (de exemplu, ±16 V sau un total de 32 V), o sarcină conectată între ieșire și una dintre șinele de alimentare și o tensiune maximă de ieșire de polaritate opusă, la sarcină se va aplica o tensiune de aproximativ 30 V În acest caz, curentul prin aceasta va fi: 30 V / 2000 Ohm = 0,015 A (15 mA). Nu prea puțin, dar nici prea mult. Din fericire, majoritatea amplificatoarelor operaționale obișnuite au protecție încorporată pentru curentul de ieșire - un curent de ieșire maxim tipic de 25 mA. Protecția previne supraîncălzirea și defectarea amplificatorului operațional.

Dacă tensiunile de alimentare nu sunt maxime admise, atunci rezistența minimă de sarcină poate fi redusă proporțional. Să zicem, cu o sursă de alimentare de 7,5...8 V (total 15...16 V), poate fi de 1 kOhm.

ÎN) Diferenţial pornire (Fig. 9).

Orez. 9 Principiul de funcționare al amplificatorului operațional în conexiune diferențială

Deci, să presupunem că, cu aceleași valori nominale Rin și Rooc egale cu 1 kOhm, la ambele intrări ale circuitului se aplică aceeași tensiune egală cu +1 V (Fig. 9, A). Deoarece potențialele de pe ambele părți ale rezistorului Rin sunt egale între ele (tensiunea pe rezistor este 0), nu trece curent prin el. Aceasta înseamnă că curentul prin rezistența Rooc este, de asemenea, zero. Adică, aceste două rezistențe nu îndeplinesc nicio funcție. În esență, avem de fapt un adept care nu se inversează (comparați cu Fig. 8). În consecință, la ieșire vom obține aceeași tensiune ca la intrarea neinversoare, adică +1 V. Să schimbăm polaritatea semnalului de intrare la intrarea inversoare a circuitului (întoarceți GB1) și să aplicăm minus 1 V. (Fig. 9, B). Acum se aplică o tensiune de 2 V între pinii Rin și curentul curge prin ea euintrare= 2 mA (sper că nu mai este necesar să descriem în detaliu de ce este așa?). Pentru a compensa acest curent, prin Rooc trebuie să treacă și un curent de 2 mA. Și pentru aceasta, ieșirea amplificatorului operațional trebuie să aibă o tensiune de +3 V.

Aici a apărut „rânjetul” rău intenționat al unității suplimentare din formula pentru câștigul unui amplificator neinversător. Se dovedește că cu asta simplificatÎn comutarea diferențială, diferența de câștig deplasează permanent semnalul de ieșire cu cantitatea de potențial la intrarea neinversoare. O problema cu! Cu toate acestea, „Chiar dacă ești mâncat, mai ai cel puțin două opțiuni.” Aceasta înseamnă că trebuie să egalăm cumva câștigurile incluziunilor inversoare și neinversoare pentru a „neutraliza” aceasta suplimentară.

Pentru a face acest lucru, vom aplica semnalul de intrare intrării neinversoare nu direct, ci prin divizorul Rin2, R1 (Fig. 9, B). Să acceptăm și valorile lor nominale de 1 kOhm. Acum, la intrarea fără inversare (și prin urmare și la inversare) a amplificatorului operațional va exista un potențial de +0,5 V, curentul va curge prin el (și Rooc) euintrare = euoos= 0,5 mA, pentru a se asigura că ieșirea amplificatorului operațional trebuie să aibă o tensiune egală cu 0 V. Uf! Am realizat ceea ce ne-am dorit! Dacă semnalele de la ambele intrări ale circuitului sunt egale ca mărime și polaritate (în acest caz +1 V, dar același lucru va fi valabil pentru minus 1 V și pentru orice alte valori digitale), ieșirea amplificatorului operațional va menține zero. tensiune egală cu diferența dintre semnalele de intrare .

Să verificăm acest raționament prin aplicarea unui semnal de polaritate negativă minus 1 V la intrarea inversoare (Fig. 9, D). în care euintrare = euoos= 2 mA, pentru care ieșirea trebuie să fie +2 V. Totul a fost confirmat! Nivelul semnalului de ieșire corespunde diferenței dintre intrări.

Desigur, dacă Rin1 și Rooc (respectiv, Rin2 și R1) sunt egale, nu vom primi câștig. Pentru a face acest lucru, trebuie să creșteți evaluările Rooc și R1, așa cum sa făcut atunci când ați analizat pornirea anterioară a amplificatorului operațional (nu voi repeta) și ar trebui să strict se observă următorul raport:

Rooc / Rin1 = R1 / Rin2. (4)

Ce beneficii practice obținem dintr-o astfel de includere? Și obținem o proprietate remarcabilă: tensiunea de ieșire nu depinde de valorile absolute ale semnalelor de intrare dacă acestea sunt egale între ele ca mărime și polaritate. Doar semnalul de diferență (diferențial) este trimis la ieșire. Acest lucru face posibilă amplificarea semnalelor foarte mici pe un fundal de interferență care afectează în mod egal ambele intrări. De exemplu, un semnal de la un microfon dinamic pe fundalul interferențelor de la o rețea de frecvență industrială de 50 Hz.

Cu toate acestea, în acest butoi de miere, din păcate, există o muscă în unguent. În primul rând, egalitatea (4) trebuie respectată foarte strict (până la zecimi și uneori sutimi de procent!). În caz contrar, va apărea un dezechilibru al curenților care acționează în circuit și, prin urmare, pe lângă semnalele diferențiale („antifază”), vor fi de asemenea amplificate semnalele combinate („în fază”).

Să înțelegem esența acestor termeni (Fig. 10).

Orez. 10 Semnal de schimbare de fază

Faza semnalului este o valoare care caracterizează decalajul punctului de referință al perioadei semnalului în raport cu punctul de referință al timpului. Deoarece atât originea timpului, cât și originea perioadei sunt alese în mod arbitrar, faza unuia periodic Semnalul nu are sens fizic. Cu toate acestea, diferența de fază dintre cele două periodic semnalele este o mărime care are o semnificație fizică, reflectă întârzierea unuia dintre semnale față de celălalt. Ceea ce este considerat începutul perioadei nu contează. Punctul de pornire al perioadei poate fi luat ca valoare zero cu o pantă pozitivă. Este posibil - maxim. Totul este în puterea noastră.

În fig. 9 roșu indică semnalul original, verde - deplasat cu ¼ de perioadă față de original și albastru - cu ½ perioadă. Dacă comparăm curbele roșii și albastre cu curbele din Fig. 2, B, atunci puteți vedea că sunt reciproc invers. Astfel, „semnalele în fază” sunt semnale care coincid între ele în fiecare punct, iar „semnalele antifază” sunt invers unul față de celălalt.

În același timp, conceptul inversiuni mai larg decât conceptul faze, deoarece acesta din urmă se aplică numai semnalelor periodice care se repetă în mod regulat. Și conceptul inversiuni aplicabil oricăror semnale, inclusiv celor neperiodice, cum ar fi un semnal audio, o secvență digitală sau tensiune constantă. La fază a fost o cantitate consistentă, semnalul trebuie să fie periodic cel puțin pe un anumit interval. Altfel, atât faza, cât și perioada se transformă în abstracții matematice.

În al doilea rând, intrările inversoare și neinversoare dintr-o conexiune diferențială, cu valori egale Rooc = R1 și Rin1 = Rin2, vor avea rezistențe de intrare diferite. Dacă rezistența de intrare a intrării inversoare este determinată numai de valoarea nominală Rin1, atunci intrarea neinversabilă este determinată de valori nominale secvenţial a pornit Rin2 și R1 (ai uitat că intrările amplificatorului operațional nu consumă curent?). În exemplul de mai sus, acestea vor fi de 1, respectiv 2 kOhm. Și dacă creștem Rooc și R1 pentru a obține o treaptă de amplificator cu drepturi depline, atunci diferența va crește și mai semnificativ: cu Ku = 10 - până la, respectiv, același 1 kOhm și până la 11 kOhm!

Din păcate, în practică se stabilesc de obicei ratingurile Rin1 = Rin2 și Rooc = R1. Totuși, acest lucru este acceptabil numai dacă sursele de semnal pentru ambele intrări sunt foarte scăzute impedanta de iesire. În caz contrar, formează un divizor cu rezistența de intrare a unei anumite etape a amplificatorului și, deoarece coeficientul de divizare al unor astfel de „divizoare” va fi diferit, rezultatul este evident: un amplificator diferențial cu astfel de valori ale rezistenței nu își va îndeplini funcția de suprimarea semnalelor în modul comun (combinat) sau va îndeplini prost această funcție.

O modalitate de a rezolva această problemă poate fi inegalitatea valorilor rezistențelor conectate la intrările inversoare și neinversoare ale amplificatorului operațional. Și anume, astfel încât Rin2 + R1 = Rin1. Un alt punct important este realizarea respectării exacte a egalității (4). De regulă, acest lucru se realizează prin împărțirea R1 în două rezistențe - o constantă, de obicei 90% din valoarea dorită, și o variabilă (R2), a cărei rezistență este de 20% din valoarea dorită (Fig. 11, A) .

Orez. 11 Opțiuni de echilibrare a amplificatorului diferențial

Calea este în general acceptată, dar din nou, cu această metodă de echilibrare, deși ușor, impedanța de intrare a intrării neinversoare se modifică. Opțiunea cu includerea unui rezistor de reglare (R5) în serie cu Rooc (Fig. 11, B) este mult mai stabilă, deoarece Rooc nu participă la formarea rezistenței de intrare a intrării inversoare. Principalul lucru este să mențineți raportul dintre valorile lor nominale, similar cu opțiunea „A” (Rooc / Rin1 = R1 / Rin2).

De când am început să vorbim despre conexiunea diferențială și am menționat repetoare, aș dori să descriu un circuit interesant (Fig. 12).

Orez. 12 Circuit inversor/neinversător comutabil

Semnalul de intrare este aplicat simultan ambelor intrări ale circuitului (inversoare și neinversătoare). Valorile tuturor rezistențelor (Rin1, Rin2 și Rooc) sunt egale între ele (în acest caz, să luăm valorile lor reale: 10...100 kOhm). Intrarea non-inversoare a amplificatorului operațional poate fi conectată la o magistrală comună folosind comutatorul SA.

În poziția închis a cheii (Fig. 12, A), rezistorul Rin2 nu participă la funcționarea circuitului (curentul curge doar „inutil” prin el euvx2 de la sursa semnalului la magistrala comună). Primim repetitor inversor cu un câștig egal cu minus 1 (vezi fig. 6). Dar cu cheia SA deschisă (Fig. 12, B) obținem repetor neinversător cu câștig egal cu +1.

Principiul de funcționare al acestui circuit poate fi exprimat într-un mod ușor diferit. Când comutatorul SA este închis, funcționează ca un amplificator inversor cu un câștig egal cu minus 1, iar când este deschis - simultan(!) atât ca amplificator inversor cu un câștig de minus 1, cât și ca amplificator neinversător cu un câștig de +2, de unde: Ku = +2 + (–1) = +1.

În această formă, acest circuit poate fi utilizat dacă, de exemplu, în stadiul de proiectare, polaritatea semnalului de intrare este necunoscută (de exemplu, de la un senzor la care nu există acces înainte de configurarea dispozitivului). Dacă utilizați un tranzistor (de exemplu, un tranzistor cu efect de câmp) ca cheie, controlat de la semnalul de intrare folosind comparator(vom discuta mai jos), obținem detector sincron(redresor sincron). Implementarea specifică a unei astfel de scheme, desigur, depășește scopul unei cunoștințe inițiale cu funcționarea amplificatorului operațional și din nou nu o vom lua în considerare în detaliu aici.

Acum să ne uităm la principiul însumării semnalelor de intrare (Fig. 13, A) și, în același timp, să ne dăm seama care ar trebui să fie valorile rezistențelor Rin și Rooc în realitate.

Orez. 13 Principiul de funcționare al sumatorului inversor

Luăm ca bază amplificatorul inversor deja discutat mai sus (Fig. 5), doar că conectăm nu unul, ci două rezistențe de intrare Rin1 și Rin2 la intrarea op-amp. Deocamdată, în scopuri de „antrenament”, acceptăm rezistența tuturor rezistențelor, inclusiv Rooc, egală cu 1 kOhm. Aplicăm semnale de intrare egale cu +1 V la bornele din stânga Rin1 și Rin2 Curenți egali cu 1 mA curg prin aceste rezistențe (indicate prin săgeți direcționate de la stânga la dreapta). Pentru a menține același potențial la intrarea inversoare ca și la intrarea neinversoare (0 V), un curent trebuie să circule prin rezistorul Rooc egal cu suma curenților de intrare (1 mA + 1 mA = 2 mA), indicat de săgeata îndreptată în direcția opusă (de la dreapta la stânga), pentru care ieșirea amplificatorului operațional trebuie să aibă o tensiune de minus 2 V.

Același rezultat (tensiune de ieșire minus 2 V) poate fi obținut dacă la intrarea amplificatorului inversor se aplică o tensiune de +2 V (Fig. 5), sau valoarea Rin este redusă la jumătate, adică. până la 500 Ohm. Să creștem tensiunea aplicată rezistorului Rin2 la +2 V (Fig. 13, B). La ieșire obținem o tensiune de minus 3 V, care este egală cu suma tensiunilor de intrare.

Nu pot exista două intrări, ci câte se dorește. Principiul de funcționare al acestui circuit nu se va schimba de aici: tensiunea de ieșire va fi în orice caz direct proporțională cu suma algebrică (ținând cont de semn!) a curenților care trec prin rezistențele conectate la intrarea inversoare a op. -amp (invers proporțional cu ratingurile lor), indiferent de numărul lor.

Dacă totuși, semnale egale cu +1 V și minus 1 V sunt aplicate intrărilor sumatorului inversor (Fig. 13, B), atunci curenții care curg prin acestea vor fi în direcții diferite, vor fi compensați reciproc și ieșirea va fi de 0 V. Prin rezistorul Rooc în acest caz nu va circula nici un curent. Cu alte cuvinte, curentul care curge prin Rooc este însumat algebric cu intrare curenti.

De asemenea, rezultă un punct important: în timp ce operam cu tensiuni de intrare mici (1...3 V), ieșirea unui amplificator operațional utilizat pe scară largă ar putea furniza un astfel de curent (1...3 mA) pentru Rooc. și mai rămăsese ceva pentru sarcina conectată la ieșirea amplificatorului operațional. Dar dacă tensiunile semnalului de intrare sunt crescute la maximul permis (aproape de tensiunile de alimentare), atunci se dovedește că întregul curent de ieșire va intra în Rooc. Nu va mai rămâne nimic pentru încărcătură. Și cine are nevoie de o treaptă de amplificare care să funcționeze „pentru sine”? În plus, valorile rezistențelor de intrare, egale cu doar 1 kOhm (în consecință, determinând rezistența de intrare a etapei amplificatorului inversor), necesită curenți excesiv de mari pentru a circula prin ele, încărcând puternic sursa de semnal. Prin urmare, în circuitele reale, rezistența Rin este aleasă să fie nu mai mică de 10 kOhm, dar de preferință nu mai mare de 100 kOhm, pentru a nu seta Rooc la o valoare prea mare pentru un câștig dat. Deși aceste valori nu sunt absolute, ci doar aproximative, așa cum se spune, „ca o primă aproximare” - totul depinde de schema specifică. În orice caz, nu este de dorit ca un curent care depășește 5...10% din curentul maxim de ieșire al acestui amplificator operațional special să curgă prin Rooc.

Semnalele de sumare pot fi, de asemenea, furnizate unei intrări neinversoare. Se dovedește sumator neinversător. În principiu, un astfel de circuit va funcționa exact în același mod ca un sumator inversor, a cărui ieșire va fi un semnal direct proporțional cu tensiunile de intrare și invers proporțional cu valorile rezistențelor de intrare. Cu toate acestea, în practică este folosit mult mai rar, deoarece conține „greble” de care ar trebui luate în considerare.

Deoarece regula 2 se aplică doar intrării inversoare, care este supusă unui „potențial zero virtual”, atunci intrarea neinversătoare va avea un potențial egal cu suma algebrică a tensiunilor de intrare. Prin urmare, tensiunea de intrare prezentă la una dintre intrări va afecta tensiunea furnizată celorlalte intrări. Nu există „potențial virtual” la intrarea neinversoare! Ca rezultat, este necesar să folosiți trucuri suplimentare de proiectare a circuitelor.

Până acum, am luat în considerare circuite bazate pe amplificatoare operaționale cu OOS. Ce se întâmplă dacă feedback-ul este eliminat cu totul? În acest caz obținem comparator(Fig. 14), adică un dispozitiv care compară valoarea absolută a două potențiale la intrările sale (din cuvântul englezesc comparaţie- compara). Ieșirea sa va fi o tensiune care se apropie de una dintre tensiunile de alimentare, în funcție de ce semnal este mai mare decât celălalt. De obicei, semnalul de intrare este aplicat uneia dintre intrări, iar cealaltă este o tensiune constantă cu care este comparată (așa-numita „tensiune de referință”). Poate fi orice, inclusiv potenţial egal cu zero (Fig. 14, B).

Orez. 14 Schema de circuit pentru conectarea unui amplificator operațional ca comparator

Totuși, nu totul este atât de bine „în regatul Danemarcei”... Ce se întâmplă dacă tensiunea dintre intrări este zero? În teorie, rezultatul ar trebui să fie, de asemenea, zero, dar în realitate - nu. Dacă potențialul de la una dintre intrări depășește chiar puțin potențialul celeilalte, atunci acest lucru va fi deja suficient pentru ca la ieșire să apară supratensiuni haotice din cauza perturbațiilor aleatorii induse la intrările comparatorului.

În realitate, orice semnal este „zgomotos”, pentru că nu poate exista un ideal prin definitie. Și în zona apropiată de punctul de potențial egal al intrărilor, o stivă de semnale de ieșire va apărea la ieșirea comparatorului în loc de o comutare clară. Pentru a combate acest fenomen, este adesea introdus un circuit comparator histerezis prin crearea unui PIC pozitiv slab de la ieșire la intrarea neinversoare (Fig. 15).

Orez. 15 Principiul de funcționare a histerezisului în comparator datorită PIC

Să analizăm funcționarea acestei scheme. Tensiunea sa de alimentare este de ±10 V (pentru o măsură bună). Rezistența Rin este de 1 kOhm, iar Rpos este de 10 kOhm. Potențialul punctului mediu este selectat ca tensiune de referință furnizată intrării inversoare. Curba roșie arată semnalul de intrare care ajunge la pinul din stânga Rin (intrare sistem comparator), albastru - potențial la intrarea neinversoare a amplificatorului operațional și verde - semnal de ieșire.

În timp ce semnalul de intrare are o polaritate negativă, ieșirea are o tensiune negativă, care, prin Rpos, se însumează cu tensiunea de intrare în proporție inversă cu valorile rezistențelor corespunzătoare. Ca urmare, potențialul intrării neinversoare în întregul interval de valori negative este cu 1 V (în valoare absolută) mai mare decât nivelul semnalului de intrare. De îndată ce potențialul intrării neinversoare este egal cu potențialul celei inversoare (pentru semnalul de intrare acesta va fi + 1 V), tensiunea de la ieșirea amplificatorului operațional va începe să treacă de la polaritatea negativă la pozitiv. Potențialul total la intrarea neinversoare va începe ca o avalanșă devin și mai pozitive, susținând procesul de astfel de comutare. Ca rezultat, comparatorul pur și simplu „nu va observa” fluctuații minore de zgomot în semnalele de intrare și de referință, deoarece acestea vor fi cu multe ordine de mărime mai mici ca amplitudine decât „pasul” descris de potențial la intrarea neinversabilă în timpul comutării.

Când semnalul de intrare scade, comutarea inversă a semnalului de ieșire al comparatorului va avea loc la o tensiune de intrare de minus 1 V. Această diferență între nivelurile semnalului de intrare duce la comutarea ieșirii comparatorului, egală în cazul nostru cu un total de 2 V, se numește histerezis. Cu cât rezistența Rpos este mai mare în raport cu Rin (cu cât adâncimea POS-ului este mai mică), cu atât histerezisul de comutare este mai mic. Deci, la Rpos = 100 kOhm va fi doar 0,2 V, iar la Rpos = 1 Mohm - 0,02 V (20 mV). Histerezisul (adâncimea PIC-ului) este selectat pe baza condițiilor reale de funcționare ale comparatorului într-un circuit specific. În unele cazuri vor exista o mulțime de 10 mV, iar în unele cazuri 2 V nu este suficient.

Din păcate, nu orice amplificator operațional și nu în toate cazurile poate fi folosit ca comparator. Sunt produse microcircuite comparatoare specializate pentru potrivirea semnalelor analogice și digitale. Unele dintre ele sunt specializate pentru conectarea la microcircuite digitale TTL (597CA2), altele - la microcircuite digitale ESL (597CA1), dar cele mai multe sunt așa-numite. „comparatoare pentru aplicare largă” (LM393/LM339/K554CA3/K597CA3). Principala lor diferență față de amplificatoarele operaționale este designul special al etajului de ieșire, care este realizat pe un tranzistor cu colector deschis (Fig. 16).

Orez. 16 Etapa de ieșire a comparatoarelor utilizate pe scară largă
și conexiunea acestuia la rezistența de sarcină

Acest lucru necesită utilizarea obligatorie a extern rezistență de sarcină(R1), fără de care semnalul de ieșire este pur și simplu fizic incapabil să formeze un nivel de ieșire ridicat (pozitiv). Tensiunea +U2 la care este conectat rezistorul de sarcină poate fi diferită de tensiunea de alimentare +U1 a cipului comparator în sine. Acest lucru vă permite să furnizați cu ușurință semnalul de ieșire la nivelul dorit - fie că este TTL sau CMOS.

Notă În majoritatea comparatoarelor, un exemplu dintre care poate fi dual LM393 (LM193/LM293) sau exact același design de circuit, dar quad LM339 (LM139/LM239), emițătorul tranzistorului etajului de ieșire este conectat la borna de putere negativă, care oarecum. limitează domeniul lor de aplicare. În acest sens, aș dori să atrag atenția asupra comparatorului LM31 (LM111/LM211), al cărui analog este 521/554CA3 domestic, în care atât colectorul, cât și emițătorul tranzistorului de ieșire sunt conectate separat, care pot fi conectate. la alte tensiuni decât tensiunea de alimentare a comparatorului însuși. Singurul său dezavantaj relativ este că există doar unul într-un pachet cu 8 pini (uneori cu 14 pini).

Până acum, am luat în considerare circuitele în care semnalul de intrare a fost furnizat intrării(e) prin Rin, adică. erau toti convertoare intrare tensiune in zi libera Voltaj la fel. În acest caz, curentul de intrare a trecut prin Rin. Ce se întâmplă dacă rezistența sa este considerată egală cu zero? Circuitul va funcționa exact la fel ca amplificatorul inversor discutat mai sus, doar rezistența de ieșire a sursei de semnal (Rout) va servi drept Rin și vom obține convertor intrare actual V zi libera Voltaj(Fig. 17).

Orez. 17 Circuitul convertorului curent-tensiune la amplificatorul operațional

Deoarece potențialul de la intrarea inversoare este același cu cel de la intrarea neinversoare (în acest caz egal cu „zero virtual”), întregul curent de intrare ( euintrare) va curge prin Rooc între ieșirea sursei de semnal (G) și ieșirea amplificatorului operațional. Rezistența de intrare a unui astfel de circuit este aproape de zero, ceea ce face posibilă construirea de micro/miliametri pe baza acestuia, care nu au practic niciun efect asupra curentului care curge prin circuitul măsurat. Poate că singura limitare este domeniul admisibil de tensiuni de intrare a amplificatorului operațional, care nu trebuie depășit. Cu ajutorul acestuia, puteți construi, de exemplu, un convertor curent-tensiune cu fotodiodă liniară și multe alte circuite.

Am examinat principiile de bază ale funcționării unui amplificator operațional în diferite circuite pentru includerea acestuia. Rămâne o întrebare importantă: lor nutriție.

După cum am menționat mai sus, un amplificator operațional are de obicei doar 5 pini: două intrări, o ieșire și doi pini de alimentare, pozitiv și negativ. În cazul general, se folosește puterea bipolară, adică sursa de alimentare are trei borne cu potențiale: +U; 0; – U.

Încă o dată, luați în considerare cu atenție toate cifrele de mai sus și vedeți că o ieșire separată a punctului de mijloc în amplificatorul operațional NU ! Pur și simplu nu este necesar pentru funcționarea circuitelor lor interne. În unele circuite, o intrare care nu inversează a fost conectată la punctul de mijloc, cu toate acestea, aceasta nu este regula.

Prin urmare, copleșitoare majoritate amplificatoarele operaționale moderne sunt proiectate să alimenteze UNIPOLAR tensiune!

Apare o întrebare logică: „Atunci de ce avem nevoie de nutriție bipolară”, dacă am descris-o în desene atât de încăpățânați și cu o consistență de invidiat? Se dovedește că este simplu foarte confortabil

în scopuri practice din următoarele motive:

A) Pentru a asigura o balansare suficientă a curentului și a tensiunii de ieșire prin sarcină (Fig. 18).

Orez. 18 Curentul de ieșire curge prin sarcină pentru diferite opțiuni de putere a amplificatorului operațional

Deocamdată, nu vom lua în considerare circuitele de intrare (și OOS) ale circuitelor prezentate în figură („cutie neagră”). Să luăm de la sine înțeles că un fel de semnal sinusoidal de intrare este furnizat la intrare (sinusoidul negru pe grafice) și ieșirea produce același semnal sinusoidal, amplificat în raport cu sinusoida colorată de intrare pe grafice).

La conectarea sarcinii Rload. între ieșirea amplificatorului operațional și punctul central de conectare al surselor de alimentare (GB1 și GB2) - Fig. 18, A, curentul prin sarcină curge simetric față de punctul de mijloc (semi-unde roșii și albastre, respectiv), iar amplitudinea sa este maximă și amplitudinea tensiunii la Rsarcină. este de asemenea maximul posibil - poate ajunge aproape la tensiuni de alimentare. Curentul de la sursa de alimentare cu polaritatea corespunzătoare este închis prin amplificatorul operațional, Rload. și sursa de alimentare (linii roșii și albastre care arată fluxul de curent în direcția corespunzătoare).

Deoarece rezistența internă a surselor de alimentare cu amplificator operațional este foarte scăzută, curentul care trece prin sarcină este limitat doar de rezistența sa și de curentul maxim de ieșire al amplificatorului operațional, care este de obicei 25 mA. Când alimentați amplificatorul operațional cu tensiune unipolară ca De obicei, este selectat polul negativ (minus) al sursei de alimentare, la care este conectat al doilea terminal de sarcină (Fig. 18, B). Acum curentul prin sarcină poate curge doar într-o singură direcție (indicată de linia roșie), a doua direcție pur și simplu nu are de unde să vină. Cu alte cuvinte, curentul prin sarcină devine asimetric (pulsator).

Este imposibil să spunem fără echivoc că această opțiune este proastă. Dacă sarcina este, să zicem, un cap dinamic, atunci acest lucru este cu siguranță rău pentru ea. Cu toate acestea, există multe aplicații în care conectarea unei sarcini între ieșirea amplificatorului operațional și una dintre șinele de alimentare (de obicei polaritate negativă) este nu numai acceptabilă, ci și singura posibilă.

Dacă încă trebuie să asigurați simetria fluxului de curent prin sarcină cu o sursă unipolară, atunci trebuie să o izolați galvanic de ieșirea amplificatorului operațional folosind condensatorul C1 (Fig. 18, B).

B) Pentru a furniza curentul necesar pentru intrarea inversoare, precum și legături semnale de intrare la unii arbitrar selectat nivel, admis pentru referință (zero) - setarea modului de funcționare al amplificatorului operațional pentru curent continuu (Fig. 19).

Orez. 19 Conectarea unei surse de semnal de intrare pentru diferite opțiuni de alimentare a amplificatorului operațional

Acum vom lua în considerare opțiunile pentru conectarea surselor de semnal de intrare, excluzând conexiunea la sarcină din considerare.

Conectarea intrărilor inversoare și neinversoare la punctul mediu de conectare a surselor de alimentare (Fig. 19, A) a fost luată în considerare la analiza circuitelor prezentate anterior. Dacă intrarea non-inversoare nu consumă curent și acceptă pur și simplu potențialul punctului mediu, atunci curentul trece prin sursa de semnal (G) și Rin conectate în serie, închizându-se prin sursa de alimentare corespunzătoare! Și deoarece rezistențele lor interne sunt neglijabile în comparație cu curentul de intrare (multe ordine de mărime mai mici decât Rin), practic nu are niciun efect asupra tensiunii de alimentare.

Astfel, cu o sursă de alimentare unipolară a amplificatorului operațional, puteți forma destul de ușor potențialul furnizat intrării sale neinversoare folosind divizorul R1R2 (Fig. 19, B, C). Valorile tipice ale rezistenței acestui divizor sunt de 10...100 kOhm și este foarte recomandabil să îl derivați pe cel inferior (conectat la magistrala negativă comună) cu un condensator de 10...22 µF pentru a reduce semnificativ influența. de ondulare a tensiunii de alimentare asupra potențialului unui astfel de artificial punct de mijloc.

Dar este extrem de nedorit să conectați sursa de semnal (G) la acest punct de mijloc artificial din cauza aceluiași curent de intrare. Să ne dăm seama. Chiar și cu valori nominale ale divizorului R1R2 = 10 kOhm și Rin = 10...100 kOhm, curentul de intrare euintrare va fi în cel mai bun caz 1/10 și în cel mai rău caz - până la 100% din curentul care trece prin divizor. În consecință, potențialul de la intrarea neinversoare va „pluti” cu aceeași cantitate în combinație (în fază) cu semnalul de intrare.

Pentru a elimina influența reciprocă a intrărilor unul asupra celuilalt atunci când semnalele DC sunt amplificate cu această conexiune, ar trebui organizat un potențial de punct mediu artificial separat pentru sursa de semnal, format din rezistențele R3R4 (Fig. 19, B), sau, dacă AC semnalul este amplificat, sursa de semnal trebuie izolată galvanic de intrarea inversoare cu condensatorul C2 (Fig. 19, B).

Trebuie remarcat faptul că în circuitele de mai sus (Fig. 18, 19) am făcut ipoteza implicită că semnalul de ieșire trebuie să fie simetric fie față de punctul de mijloc al surselor de alimentare, fie de un punct de mijloc artificial. În realitate, acest lucru nu este întotdeauna necesar. Destul de des doriți ca semnalul de ieșire să aibă predominant polaritate pozitivă sau negativă. Prin urmare, nu este deloc necesar ca polaritățile pozitive și negative ale sursei de alimentare să fie egale în valoare absolută. Unul dintre ele poate fi semnificativ mai mic în valoare absolută decât celălalt - doar astfel încât să asigure funcționarea normală a amplificatorului operațional.

Apare o întrebare firească: „Care anume?” Pentru a răspunde la aceasta, să luăm în considerare pe scurt intervalele de tensiune permise ale semnalelor de intrare și de ieșire ale amplificatorului operațional.

Pentru orice amplificator operațional, potențialul de ieșire nu poate fi mai mare decât potențialul magistralei de putere pozitivă și mai mic decât potențialul magistralei de putere negativă. Cu alte cuvinte, tensiunea de ieșire nu poate depăși tensiunea de alimentare. De exemplu, pentru un amplificator operațional OPA277, tensiunea de ieșire la o rezistență de sarcină de 10 kOhm este cu 2 V mai mică decât tensiunea șină de alimentare pozitivă și cu 0,5 V mai mică decât lățimea acestor „zone moarte” a tensiunea de ieșire, pe care ieșirea amplificatorului operațional nu o poate atinge, depinde de factorii seriei, cum ar fi proiectarea circuitului etapei de ieșire, rezistența la sarcină etc.). Există amplificatoare operaționale care au zone moarte minime, de exemplu, 50 mV înainte de tensiunea șinei de alimentare la o sarcină de 10 kOhm (pentru OPA340), această caracteristică a amplificatorului operațional este numită „rail-to-rail” (R2R).

Pe de altă parte, pentru amplificatoarele operaționale cu aplicație largă, semnalele de intrare nu ar trebui să depășească tensiunea de alimentare și, pentru unii, să fie cu 1,5...2 V mai mici decât acestea. Cu toate acestea, există amplificatoare operaționale cu circuite de intrare specifice (de exemplu, același LM358/LM324), care poate funcționa nu numai de la nivelul de putere negativ, ci chiar și „minus” cu 0,3 V, ceea ce facilitează foarte mult utilizarea lor cu o sursă de alimentare unipolară cu o magistrală negativă comună.

În sfârșit, să ne uităm și să atingem aceste „păianjeni”. Poți chiar să adulmeci și să-l lingi. imi permit. Să luăm în considerare cele mai comune opțiuni disponibile pentru radioamatorii începători. Mai mult, dacă trebuie să deslipiți amplificatoarele operaționale din echipamente vechi.

Modelele de amplificatoare operaționale mai vechi care necesitau în mod necesar circuite externe pentru corecția frecvenței pentru a preveni autoexcitarea au fost caracterizate prin prezența unor pini suplimentari. Din această cauză, unele amplificatoare operaționale nici măcar nu s-au „încadrat” în carcasa cu 8 pini (Fig. 20, A) și au fost fabricate în amplificatoare metalice rotunde cu 12 pini, de exemplu, K140UD1, K140UD2, K140UD5 (Fig. 20, B) sau pachete DIP cu 14 pini, de exemplu, K140UD20, K157UD2 (Fig. 20, B). Abrevierea DIP este o abreviere a expresiei engleze „Dual In line Package” și se traduce prin „pachet cu două pini”.

Carcasa rotundă din metal și sticlă (Fig. 20, A, B) a fost folosită ca principală pentru amplificatoarele operaționale importate până la mijlocul anilor '70 și pentru amplificatoarele operaționale autohtone până la mijlocul anilor '80 și este acum folosită pentru așa-zisul. aplicații „militare” („a cincea acceptare”).

Uneori, amplificatoarele operaționale interne au fost plasate în pachete destul de „exotice” în acest moment: unul dreptunghiular din metal-sticlă cu 15 pini pentru hibridul K284UD1 (Fig. 20, D), în care cheia este al 15-lea pin suplimentar de la cazul, și altele. Adevărat, personal nu am văzut pachete plane cu 14 pini (Fig. 20, D) pentru plasarea amplificatoarelor operaționale în ele. Au fost folosite pentru microcircuite digitale.

Orez. 20 Cazuri de amplificatoare operaționale casnice

Amplificatoarele operaționale moderne conțin în cea mai mare parte circuite de corecție direct pe cip, ceea ce face posibil să se descurce cu un număr minim de pini (de exemplu, SOT23-5 cu 5 pini pentru un singur amplificator operațional - Fig. 23). Acest lucru a făcut posibilă plasarea a două până la patru amplificatoare operaționale complet independente (cu excepția pinilor de alimentare obișnui), fabricate pe un singur cip într-un singur pachet.

Orez. 21 Carcase din plastic pe două rânduri ale amplificatoarelor operaționale moderne pentru montarea la ieșire (DIP)

Uneori puteți găsi amplificatoare operaționale plasate în pachete cu un singur rând cu 8 pini (Fig. 22) sau cu 9 pini (SIP) - K1005UD1. Abrevierea SIP este o abreviere a expresiei engleze „Single In line Package” și este tradusă ca „single-sided package”.

Orez. 22 Carcasă din plastic pe un singur rând de amplificatoare operaționale duble pentru montarea la ieșire (SIP-8)

Ele au fost concepute pentru a minimiza spațiul ocupat pe placă, dar, din păcate, au întârziat: până la acest moment, pachetele de montare la suprafață (SMD - Surface Mounting Device) prin lipire directă pe urmele plăcii au devenit larg răspândite (Fig. 23). Cu toate acestea, pentru începători utilizarea lor prezintă dificultăți semnificative.

Orez. 23 de cazuri de amplificatoare operaționale moderne cu montare pe suprafață (SMD) importate

Foarte des, același microcircuit poate fi „ambalat” de producător în pachete diferite (Fig. 24).

Orez. 24 Opțiuni pentru plasarea aceluiași cip în carcase diferite

Pinii tuturor microcircuitelor sunt numerotați succesiv, numărați din așa-numitele. „cheie” care indică locația pinului numărul 1. (Fig. 25). ÎN orice caz, dacă carcasa este poziționată cu cabluri Apăsaţi, numerotarea lor este în ordine crescătoare împotriva în sensul acelor de ceasornic!

Orez. 25 Pinouts amplificatorului operațional
în diverse carcase (pinout), vedere de sus;
direcția de numerotare este indicată de săgeți

În carcasele rotunde din metal-sticlă, cheia are aspectul unei proeminențe laterale (Fig. 25, A, B). Cu locația acestei chei, sunt posibile „greble” uriașe! În cazurile interne cu 8 pini (302.8), cheia este situată vizavi de primul știft (Fig. 25, A), iar în TO-5 importat - vizavi de al optulea știft (Fig. 25, B). În pachetele cu 12 pini, atât interne (302.12) cât și importate, se află cheia între prima și a 12-a concluzie.

De obicei, intrarea inversoare, atât în ​​pachetele rotunde din metal-sticlă, cât și în pachetele DIP, este conectată la al 2-lea pin, neinversabilă - la al 3-lea, ieșire - la al 6-lea, minus putere - la al 4-lea și plus putere - la al 7-lea Cu toate acestea, există excepții (un alt posibil „rake”!) în pinout-ul OU K140UD8, K574UD1. În ele, numerotarea pinii este deplasată cu unul în sens invers acelor de ceasornic în comparație cu ceea ce este în general acceptat pentru majoritatea celorlalte tipuri, de exemplu. Ele sunt conectate la terminale, ca în cazurile de import (Fig. 25, B), iar numerotarea corespunde celor interne (Fig. 25, A).

În ultimii ani, majoritatea amplificatoarelor operaționale „de uz casnic” au început să fie plasate în carcase de plastic (Fig. 21, 25, B-D). În aceste cazuri, cheia este fie o adâncitură (punct) opusă primului știft, fie o decupaj la capătul carcasei între primul și al 8-lea știft (DIP-8) sau al 14-lea (DIP-14), sau o teșitură de-a lungul prima jumătate a știfturilor (Fig. 21, în mijloc). Numerotarea acelor în aceste cazuri este de asemenea împotriva în sensul acelor de ceasornic când este privit de sus (cu concluzii de la tine).

După cum am menționat mai sus, amplificatoarele operaționale corectate intern au doar cinci pini, dintre care doar trei (două intrări și o ieșire) aparțin fiecărui amplificator operațional individual. Acest lucru a făcut posibilă plasarea a două amplificatoare operaționale complet independente pe un cristal într-un pachet cu 8 pini (cu excepția sursei de alimentare plus și minus, care necesită încă doi pini) (Fig. 25, D) și chiar patru într-un pachet cu 14 pini (Fig. 25, D). Drept urmare, în prezent, majoritatea amplificatoarelor operaționale sunt produse cel puțin ca fiind duale, de exemplu, TL062, TL072, TL082, ieftin și simplu LM358 etc. Exact la fel ca structură internă, dar cvadruplu - respectiv, TL064, TL074, TL084 și LM324.

În ceea ce privește analogul casnic al LM324 (K1401UD2), există un alt „rake”: dacă în LM324 plusul sursei de alimentare este conectat la al 4-lea pin, iar minusul - la al 11-lea, atunci în K1401UD2 este invers: plusul sursei de alimentare este conectat la al 11-lea pin, iar minus - pe al 4-lea. Cu toate acestea, această diferență nu provoacă dificultăți la cablare. Deoarece pinout-ul pinilor amplificatorului operațional este complet simetric (Fig. 25, D), trebuie doar să rotiți carcasa la 180 de grade, astfel încât primul pin să ia locul celui de-al 8-lea. Asta e tot.

Câteva cuvinte despre etichetarea amplificatoarelor operaționale importate (și nu numai amplificatoarelor operaționale). Pentru o serie de dezvoltări ale primelor 300 de denumiri digitale, a fost obișnuit să se desemneze grupul de calitate cu prima cifră a codului digital. De exemplu, amplificatoarele operaționale LM158/LM258/LM358, comparatoarele LM193/LM293/LM393, stabilizatoarele reglabile cu trei terminale TL117/TL217/TL317 etc. sunt complet identice în structura internă, dar diferă în domeniul de funcționare a temperaturii. Pentru LM158 (TL117) intervalul de temperatură de funcționare este de la minus 55 la +125...150 grade Celsius (așa-numitul „de luptă” sau domeniul militar), pentru LM258 (TL217) - de la minus 40 la +85 de grade (" industrial”) și pentru LM358 (TL317) - de la 0 la +70 de grade (gamă „casnic”). În plus, prețul pentru ele poate fi complet incompatibil cu o astfel de gradare sau poate diferi foarte ușor ( moduri misterioase de stabilire a prețurilor!). Deci, le puteți cumpăra cu orice marcaj care este accesibil pentru un începător, fără a urmări în mod special primele „trei”.

După ce primele trei sute de marcaje digitale au fost epuizate, grupurile de fiabilitate au început să fie marcate cu litere, al căror sens este descifrat în fișele de date (Foaie de date se traduce literalmente ca „tabel de date”) pentru aceste componente.

Concluzie

Așa că am studiat „ABC”-ul funcționării amplificatorului operațional, acoperind puțin comparatoare. În continuare, trebuie să învățați să puneți cuvinte, propoziții și „eseuri” întregi semnificative (scheme funcționale) din aceste „litere”.

Din păcate, „Este imposibil să îmbrățișezi imensitatea.” Dacă materialul prezentat în acest articol a ajutat la înțelegerea modului în care funcționează aceste „cutii negre”, atunci aprofundarea în continuare a analizei „umplerii”, influența caracteristicilor de intrare, ieșire și tranzitorii, este sarcina unui studiu mai avansat. Informațiile despre aceasta sunt prezentate în detaliu și în detaliu într-o varietate de literatură existentă. După cum spunea bunicul William de Ockham: „Entitățile nu trebuie multiplicate dincolo de ceea ce este necesar”. Nu este nevoie să repeți ceea ce a fost deja bine descris. Trebuie doar să nu fii leneș și să o citești.

11. http://www.texnic.ru/tools/lekcii/electronika/l6/lek_6.html

Așadar, permiteți-mi să-mi iau concediu, cu respect etc., autor Alexey Sokolyuk ()