Võimsusvõimendid. Lineaarsed ahelad, mis põhinevad operatsioonivõimenditel.

Op-võimendeid kasutatakse laialdaselt analoogelektroonikaseadmetes. OOS-iga op-võimendi rakendatud funktsioone on mugav arvestada, kui kujutame ette operatsioonivõimendit ideaalse mudeli kujul, milles:

1. Operatsioonivõimendi sisendtakistus on lõpmatus, sisendelektroodide voolud on null (Rin > ∞, i+ = i- = 0).
2. Operatsioonivõimendi väljundtakistus on null, st. Sisendpoolne op-amp on ideaalne pingeallikas (Rout = 0).
3. Pinge võimendus (diferentsiaalpinge võimendus) on lõpmatuseni ja diferentsiaalsignaal võimendusrežiimis on null (ärge lühistage operatsioonivõimendi juhtmeid).
4. Küllastusrežiimis on väljundpinge suurus võrdne toitepingega ja märgi määrab sisendpinge polaarsus. Kasulik on märkida, et küllastusrežiimis ei saa diferentsiaalsignaali alati eeldada nulliks.
5. Tavarežiimi signaal ei mõjuta operatsioonivõimendit.
6. Nullnihke pinge on null.

Operatsioonivõimendi inverteeriv võimendi

Paralleelpinge tagasisidega kaetud inverteeriva võimendi vooluahel on näidatud joonistel:

OOS realiseeritakse võimendi väljundi ühendamisel takistiga R2 sisendiga.

Operatsioonivõimendi inverteerivas sisendis voolud summeeritakse. Kuna operatsioonivõimendi sisendvool i- = 0, siis i1 = i2. Kuna i1 = Uin /R1 ja i2 = -Uout /R2, siis . Ku = = -R2/R1. Märk "-" näitab, et sisendpinge märk on ümberpööratud.

Joonisel (b) on takisti R3 kaasatud mitteinverteerivasse sisendahelasse, et vähendada op-amp sisendvoolude mõju, mille takistus määratakse avaldisega:

Võimendi sisendtakistus madalad sagedused ligikaudu võrdne Rin.oc = ≈ R1

Väljundtakistus Rout.os = oluliselt väiksem kui operatsioonivõimendi enda Rout.

Mitteinverteeriv op-amp võimendi

Jadapinge tagasisidega kaetud mitteinverteeriva võimendi vooluahel on näidatud joonisel:

OOS rakendatakse takistite R1, R2 abil.

Kasutades ideaalse mudeli varem aktsepteeritud eeldusi, saame

Sisendtakistus: Rin.os → ∞

Väljundtakistus: Rout.os = → 0

Võimendi puuduseks on Uin-iga võrdse ühisrežiimi signaali olemasolu sisendites.

Pinge jälgija operatsioonivõimendil

Mittepööravast võimendiahelast saadud kordusahel R1 → ∞, R2 → 0 on näidatud joonisel:

Koefitsient β = 1, Ku.oc = K/1+K ≈ 1, s.o. pinge operatiivvõimendi sisendis ja väljundis on võrdsed: Uin = Uout.

Op-amp pinge liitja (inverteeriv liiter)

Inverteeriva võimendi ahel koos täiendavate sisendahelatega on näidatud joonisel:

Arvestades, et i+ = i- = 0, ioc = - Uout /Roс = Uin1 /R1 + Uin2 /R2 + ... + Uin /Rn, saame: Uout = -Roс (Uin1 /R1 + Uin2 /R2 + .. . + Uin/Rn)

Kui Roс = R1 = R2 = ... = Rn, siis Uout = - (Uin1 + Uin2 + ... + Uinn ).

Op-amp töötab lineaarses režiimis.

Operatsioonivõimendi sisendvoolude mõju vähendamiseks lisatakse mitteinverteerivasse sisendisse takisti Re (joonisel punktiirjoonena) takistusega: Re = R1//R2//…//Rn//Roc. vooluring.

Op-amp subtraktiivne võimendi

Diferentsiaalsisendiga võimendi ahel on näidatud joonisel:

Võimendi on inverteerivate ja mitteinverteerivate võimendite kombinatsioon. Vaadeldaval juhul määratakse väljundpinge avaldise järgi:

Uout = Uin2 R3/(R3+R4) (1+R2/R1) – Uin1 R2/R1

Kui R1 = R2 = R3 = R4: Uout = Uin2 - Uin1 – st. oleneb sisendsignaalide erinevusest.

Operatsioonivõimendi integreeriv võimendi

Integraatori ahel, millesse OOS-ahelasse on paigaldatud kondensaator, on näidatud joonisel:

Las see serveeritakse sissepääsu juures ruut impulss Uin. Intervallis t1...t2 on amplituud Uin võrdne U-ga. Kuna operatiivvõimendi sisendvool on null, siis |iin | = |-ic |, iin = Uin /R1, ic = C dUout /dt.

Uin /R1 = C dUout /dt või

kus Uout (0) on pinge väljundis (kondensaator C) integreerimise alguses (ajahetkel t1).

τ = R1 · C – integreerimise ajakonstant, s.o. aeg, mille jooksul Uout muutub summa ΔUout = U võrra.

Seega väljundpinge intervallil t1...t2 varieerub vastavalt lineaarne seadus ja tähistab sisendpinge integraali. Ajakonstant peab olema selline, et kuni integreerimise lõpuni Uout< Eпит .

Diferentseerimisvõimendi

Vahetades R1 ja C1 integraalis, saame diferentseeriva võimendi ahela:

Analoogiliselt integreeriva võimendiga kirjutame:

Ic = CdUin/dt, IR2 = -Uout/R

Sest |Ic | = |-IR2 |, siis Uout = - CR dUin /dt

τ = CR – diferentseerumiskonstant.

Operatsioonivõimendite kasutamine ei piirdu kaugeltki ülaltoodud ahelatega.

Aktiivsed filtrid

Elektroonikas kasutatakse seadet laialdaselt kasuliku signaali eraldamiseks paljudest sisendsignaalidest, vähendades samal ajal segavaid signaale filtrite abil.

Filtrid jagunevad mittepassiivseteks, mis on valmistatud kondensaatorite, induktiivpoolide ja takistite baasil, ning aktiivseteks, mis põhinevad transistoridel ja operatiivvõimenditel.

Aktiivseid filtreid kasutatakse tavaliselt infoelektroonikas. Mõiste "aktiivne" on seletatav RLC-filtri lisamisega ahelasse aktiivne element(transistorist või operatsioonivõimendist) passiivsete elementide kadude kompenseerimiseks.

Filter on seade, mis edastab signaale pääsuribas ja viivitab neid ülejäänud sagedusalas.

Sõltuvalt sageduskarakteristiku tüübist jagatakse filtrid madalpääsfiltriteks (LPF) ja kõrgpääsfiltriteks (HPF), ribapääsfiltriteks ja sälkfiltriteks.

Kõige lihtsama madalpääsfiltri ja selle sageduskarakteristiku skeem on näidatud joonisel:

Läbipääsuribal 0 - fc läbib kasulik signaal madalpääsfiltrit ilma moonutusteta.

Fс – fз – üleminekuriba,
fз - ∞ – stopperriba,
fс – piirsagedus,
fз – viivitussagedus.

Kõrgpääsfilter laseb läbi kõrgsageduslikke signaale ja blokeerib madala sagedusega signaale.

Ribapääsfilter edastab signaale ühest sagedusribast, mis asub sagedustelje mõnes sisemises osas.

Filtriahelat nimetatakse Wieni sillaks. Sagedusel f0 =

Wieni silla ülekandetegur on β = 1/3. R1 = R2 = R ja C1 = C2 = C

Sälkfilter ei lase teatud sagedusribas olevaid signaale läbida ja laseb läbida teistel sagedustel olevaid signaale.

Filtriahelat nimetatakse tasakaalustamata kahekordseks T-sillaks.

Kus R1 = R2 = R3 = R, C1 = C2 = C3 = C.

Vaatleme näiteks kahepooluselist (vastavalt kondensaatorite arvule) aktiivset madalpääsfiltrit.

Op-amp töötab lineaarses režiimis. Arvutamisel määratakse fc. Läbipääsuriba võimendus peab vastama tingimusele: K0 ≤ 3.

Kui me võtame C1 = C2 = C, R1 = R2 = R, siis C = 10/fc, kus fc on Hz, C on µF,

Et saada rohkem kiire vahetus võimendustegur pääsuribast eemal, lülitatakse sarnased ahelad järjestikku sisse.

Vahetades takistid R1, R2 ja kondensaatorid C1, C2, saame kõrgpääsfiltri.

Selektiivvõimendid

Selektiivvõimendid võimaldavad võimendada signaale piiratud sagedusvahemikus, esile tõstes kasulikud signaalid ja nõrgestades kõiki teisi. See saavutatakse spetsiaalsete filtrite kasutamisega vooluringis tagasisidet võimendi Kahekordse T-kujulise sillaga selektiivvõimendi skeem negatiivse tagasiside ahelas on näidatud joonisel:

Filtri ülekandetegur (kõver 3) väheneb 0-lt 1-le. Võimendi sageduskarakteristikut illustreerib kõver 1. Kvaasiresonantssagedusel on filtri ülekandetegur negatiivse tagasiside ahelas null, Uout on maksimaalne. Sagedustel, mis jäävad f0-st vasakule ja paremale, kipub filtri ülekandetegur olema ühtlane ja Uout = Uin. Seega eraldab filter pääsuriba Δf ja võimendi teostab analoogvõimendusoperatsiooni.

Harmoonilised generaatorid

Juhtimissüsteemid kasutavad signaaligeneraatoreid erinevat tüüpi. Harmoonilise võnkumise generaator on seade, mis loob vahelduva siinuspinge.

Sellise generaatori plokkskeem on näidatud joonisel:

Sisendsignaal puudub. Uout = K · Uos .

Sinusoidaalsete võnkumiste esinemiseks peab iseergastuse tingimus olema täidetud ainult ühe sageduse puhul:
K γ = 1 – amplituudi tasakaal,
φ + ψ = 2πn – faasi tasakaal,
kus K on võimendi võimendus,
γ – positiivse tagasiside lingi ülekandetegur,
φ – võimendi faasinihe,
ψ – tagasisideahela faasinihe,
n = 0, 1, ...

Sinusoidsete signaalide peamised generaatorid on filtrid, näiteks Wieni sild. Op-amp-põhine generaator, mis sisaldab Wieni silda, on näidatud joonisel:

Generaator annab sinusoidaalse signaali sagedusega .

Sagedusel f0 on filtri ülekandetegur β = 1/3. Võimendil peab olema võimendus K ≥ 3, mis seatakse takistitega R1 ja R2. Oluline teema on amplituudi Uout stabiliseerimine, mille tagavad takisti R3 ja zeneri dioodid VD1 ja VD2. Madala Uout korral on VD1 ja VD2 pinge väiksem kui stabiliseerimispinge ja Zener-dioodid R3 ei šunteeri. Sel juhul K > 3 ja Uout suurenevad. Kui zeneri dioodide pinge jõuab stabiliseerimispingega võrdseks, avaneb üks või teine ​​zeneri diood ja paar zeneri dioodi šundab takistust R3. Võimendus muutub võrdseks ja pinge Uout hakkab langema, võimendus taas muutub suuremaks kui 3 ja Uout jälle väheneb, kuid vastupidises suunas. Nii takistavad zeneri dioodid küllastumist.

Kasutades sellest generaatorist Soovitav on koorem ühendada läbi puhverkaskaadi.

Sertifitseerimise ettevalmistamise materjal

Alustasin artiklite sarja kaasaegse analoogelektroonika ehitusplokkidest – operatiivvõimenditest. Esitati operatsioonivõimendi määratlus ja mõned parameetrid, samuti anti operatiivvõimendite klassifikatsioon. See artikkel käsitleb ideaalse operatiivvõimendi kontseptsiooni ja esitatakse operatiivvõimendi ühendamise põhiskeemid.

Ideaalne operatsioonivõimendi ja selle omadused

Kuna meie maailm pole ideaalne, pole ideaalseid operatsioonvõimendeid olemas. Moodsate op-võimendite parameetrid on aga üsna kõrge tase Seetõttu annab ideaalsete operatsioonivõimenditega ahelate analüüs pärisvõimenditele väga lähedased tulemused.

Op-amp ahelate töö mõistmiseks võetakse kasutusele mitmeid eeldusi, mis taandavad tegelikud op-võimendid ideaalseteks võimenditeks. Selliseid eeldusi on ainult viis:

1. Eeldatakse, et op-amp sisendite kaudu voolav vool on null.
2. Eeldatakse, et operatsioonivõimendi võimendus on lõpmatult suur, st võimendi väljundpinge võib ulatuda mis tahes väärtuseni, kuid tegelikkuses piirab seda toitepinge.
3. Ideaalse operatsioonivõimendi sisendite vaheline pingeerinevus on null, see tähendab, et kui üks klemmidest on maandusega ühendatud, on teisel klemmil sama potentsiaal. Sellest järeldub ka, et ideaalse võimendi sisendtakistus on lõpmatu.
4. Ideaalse operatsioonivõimendi väljundtakistus on null.
5. Ideaalse operatsioonivõimendi amplituud-sagedusreaktsioon on tasane, see tähendab, et võimendus ei sõltu sisendsignaali sagedusest.

Reaalse operatiivvõimendi parameetrite lähedus ideaalsetele määrab täpsuse, millega antud op-võimendi suudab töötada, samuti saab teada konkreetse operatiivvõimendi väärtuse ning valida kiiresti ja õigesti sobiv operatiivvõimendi.

Ülalkirjeldatud eelduste põhjal on võimalik analüüsida ja tuletada seoseid operatiivvõimendi põhiahelate jaoks.

Operatsioonivõimendi ühendamise põhiahelad

Nagu eelmises artiklis öeldud, töötavad op-võimendid ainult tagasisidega, mille tüüp määrab, kas operatiivvõimendi töötab lineaarses või küllastusrežiimis. Tagasiside op-võimendi väljundilt selle inverteerivale sisendile põhjustab tavaliselt operatiivvõimendi töötamist lineaarses režiimis, samas kui tagasiside operatiivvõimendi väljundist selle mitteinverteerivale sisendile või avatud ahelaga töörežiimile põhjustab võimendi küllastumist.

Mitteinverteeriv võimendi

Mitteinverteerivat võimendit iseloomustab asjaolu, et sisendsignaal läheb operatiivvõimendi mitteinverteerivasse sisendisse. See ühendusskeem on näidatud allpool

Selle vooluahela tööd selgitatakse järgmiselt, võttes arvesse ideaalse op-võimendi omadusi. Signaal siseneb võimendisse lõpmatuga sisendtakistus, ja pinge mitteinverteerivas sisendis on sama väärtusega kui inverteerivas sisendis. Operatsioonivõimendi väljundis olev vool tekitab takistile R2 pinge, mis on võrdne sisendpingega.

Seega kirjeldatakse selle skeemi peamisi parameetreid järgmise seosega

Sellest tuletame mitteinverteeriva võimendi võimenduse seose

Seega võime järeldada, et võimendust mõjutavad ainult passiivsete komponentide reitingud.

Tuleb märkida erijuhtum, kui takisti R2 on palju suurem kui R1 (R2 >> R1), kipub võimendus ühtlustuma. Sel juhul muutub mitteinverteeriv võimendi lülitus analoogpuhvriks või op-järgijaks, millel on ühtsusvõimendus, väga kõrge sisendtakistus ja praktiliselt null väljundtakistus. See tagab sisendi ja väljundi tõhusa lahtisidumise.

Inverteeriv võimendi

Inverteerivat võimendit iseloomustab asjaolu, et operatiivvõimendi mitteinverteeriv sisend on maandatud (st ühendatud ühise toiteallika pistikuga). Ideaalses operatsioonivõimendis on võimendi sisendite pinge erinevus null. Seetõttu peab tagasisideahel tagama, et pinge inverteerivas sisendis on samuti võrdne nulliga. Inverteeriva võimendi ahel on näidatud allpool

Ahela tööd selgitatakse järgmiselt. Ideaalses operatsioonivõimendis inverteeriva klemmi läbiv vool on null, seega takistite R1 ja R2 kaudu voolavad voolud on üksteisega võrdsed ja vastassuunalised, siis on põhisuhe kujul

Siis on selle ahela võimendus võrdne

Selle valemi miinusmärk näitab, et vooluahela väljundis olev signaal on sisendsignaali suhtes inverteeritud.

Integraator

Integraator võimaldab realiseerida ahelat, milles väljundpinge muutus on võrdeline sisendsignaaliga. Lihtsaima op-amp integraatori vooluring on näidatud allpool

Operatsioonivõimendi integraator.

See ahel teostab integreerimistoimingut sisendsignaali kaudu. Olen juba vaadanud integratsiooniskeeme erinevaid signaale kasutades integreerimist. Integraator rakendab sisendsignaalis sarnase muutuse, kuid sellel on mitmeid eeliseid võrreldes ahelate integreerimisega. Esiteks nõrgendavad RC ja RL ahelad oluliselt sisendsignaali ja teiseks on neil kõrge väljundtakistus.

Seega on integraatori peamised arvutatud seosed sarnased integreerivate RC ja RL ahelatega ning väljundpinge on

Integraatorid on leidnud laialdast rakendust paljudes analoogseadmetes, nagu aktiivfiltrid ja automaatjuhtimissüsteemid

Diferentseerija

Diferentsiaatori tegevus on vastupidine integraatori omale, see tähendab, et väljundsignaal on võrdeline sisendsignaali muutumise kiirusega. Lihtsaim diferentseerimisskeem on näidatud allpool

Diferentsiaator teostab diferentseerimisoperatsiooni sisendsignaalil ja sarnaneb diferentsiaatorite tegevusega, lisaks on sellel parimad parameetrid võrreldes RC ja RL kettidega: praktiliselt ei summuta sisendsignaali ja on oluliselt väiksema väljundtakistusega. Põhilised arvutusseosed ja reageerimine erinevatele impulssidele on sarnased diferentseerivate ahelatega.

Väljundpinge saab olema

Üks rakendusvõimendi leidnud lülitus on logaritmmuundur. IN see diagramm omadust või bipolaarset transistorit. Lihtsaima logaritmilise muunduri skeem on toodud allpool

Seda vooluringi kasutatakse peamiselt signaali kompressorina, et suurendada dünaamiline ulatus, samuti matemaatiliste funktsioonide täitmiseks.

Vaatleme logaritmilise muunduri tööpõhimõtet. Nagu teada, kirjeldatakse dioodi läbivat voolu järgmise avaldise abil

kus I O on dioodi pöördvool,
e – arv e, alus naturaallogaritm, e ≈ 2,72,
q – elektronide laeng,
U - dioodi pinge,
k – Boltzmanni konstant,
T – temperatuur Kelvini kraadides.

Arvutamisel võite võtta I O ≈ 10-9 A, kT / q = 25 mV. Seega on selle ahela sisendvool

siis väljundpinge

Lihtsaimat logaritmilist muundurit praktiliselt ei kasutata, kuna sellel on mitmeid tõsiseid puudusi:

1. Kõrge tundlikkus temperatuuri suhtes.
2. Diood ei taga piisavat teisendustäpsust, kuna pingelanguse ja dioodi voolu vaheline seos ei ole täiesti logaritmiline.

Selle tulemusena kasutatakse neid dioodide asemel dioodi ühendus või maandatud alusega.

Eksponentmuunduri ahel saadakse logaritmilisest muundurist, muutes dioodi ja takisti asukohta ahelas. Ja sellise vooluringi, aga ka logaritmilise muunduri töö põhineb dioodi pingelanguse ja dioodi läbiva voolu vahelisel logaritmil. Eksponentmuunduri ahel on näidatud allpool

Skeemi tööd kirjeldavad üldtuntud väljendid

Seega saab väljundpinge olema

Nii nagu logaritmiline muundur, kasutatakse ülalkirjeldatud põhjustel harva ka kõige lihtsamat eksponentmuundurit, mille sisendis on diood, seetõttu kasutatakse dioodide asemel dioodide ühenduses või ühise alusega sisendis bipolaarseid transistore.

Operatsioonivõimendid kasutatakse sageli esinemiseks erinevaid operatsioone: signaalide summeerimine, diferentseerimine, integreerimine, inverteerimine jne. Samuti töötati välja operatiivvõimendid täiustatud kujul
tasakaalustatud võimendusahelad.

Operatsioonivõimendi- universaalne funktsionaalne element, mida kasutatakse laialdaselt kaasaegsetes vormimis- ja muundusahelates infosignaalid erinevatel eesmärkidel nii analoog- kui ka digitaaltehnoloogia. Vaatame lähemalt võimendite tüüpe.

Inverteeriv võimendi

Mõelge lihtsa inverteeriva võimendi vooluringile:

a) takisti R2 pingelang on võrdne Uout,

b) takisti R1 pingelang on võrdne Uin.

Uout/R2 = -Uin/R1 või pinge võimendus = Uout/Uin = R2/R1.

Tagasiside toimimise mõistmiseks kujutame ette, et sisendile rakendatakse teatud pingetase, ütleme 1 V. Täpsemalt öeldes oletame, et takisti R1 takistus on 10 kOhm ja takisti R2 takistus on 100 kOhm. Kujutage nüüd ette, et väljundpinge on otsustanud kontrolli alt väljuda ja võrdub 0 V. Mis juhtub? Takistid R1 ja R2 moodustavad pingejaguri, mille abil hoitakse inverteeriva sisendi potentsiaal võrdsena 0,91 V. Operatsioonivõimendi tuvastab sisendite ebakõla, mille väljundis hakkab pinge langema. Muutus jätkub seni, kuni väljundpinge jõuab -10 V-ni, mille järel muutuvad op-amp sisendite potentsiaalid samaks ja võrdseks maanduspotentsiaaliga. Samamoodi, kui väljundpinge hakkab veelgi vähenema ja muutub negatiivsemaks kui -10 V, siis inverteeriva sisendi potentsiaal muutub madalamaks kui maanduspotentsiaal, mille tulemusena hakkab väljundpinge tõusma.

Selle skeemi puuduseks on see, et sellel on madal sisendtakistus, eriti kõrge pingevõimendusega võimendite puhul (at suletud vooluring OS), milles takisti R1 on reeglina väike. Selle puuduse kõrvaldab joonisel fig. 4.

Mitteinverteeriv võimendi. DC võimendi.

Vaatame joonisel fig. 4. Selle analüüs on äärmiselt lihtne: UA = Uin. Pinge UA eemaldatakse pingejagurilt: UA = Uout R1 / (R1 + R2). Kui UA = Uin, siis võimendus = Uout / Uin = 1 + R2 / R1. See on mitteinverteeriv võimendi. Kasutatavas lähenemises on selle võimendi sisendtakistus lõpmatu (411 tüüpi operatiivvõimendi puhul on see 1012 oomi või rohkem, bipolaarse transistori operatiivvõimendi puhul ületab see tavaliselt 108 oomi). Väljundtakistus, nagu ka eelmisel juhul, on võrdne oomi murdosadega. Kui vaatame sarnaselt inverteeriva võimendiga vooluringi käitumist sisendpinge muutumisel tähelepanelikult, näeme, et see töötab nagu lubatud.

AC võimendi

Ülaltoodud ahel on ka võimendi alalisvool. Kui signaaliallikas ja võimendi on omavahel ühendatud vahelduvvoolu kaudu, tuleb sisendvoolule (väga väikese suurusega) tagada maandus, nagu on näidatud joonisel fig. 5. Diagrammil esitatud komponentide väärtuste korral on pinge võimendus 10 ja punkt -3 dB vastab sagedusele 16 Hz.

Võimendi vahelduvvoolu. Kui võimendatakse ainult vahelduvvoolu signaale, saate alalisvoolu signaalide võimenduse ühtlustada, eriti kui võimendil on kõrge pingevõimendus. See võimaldab vähendada alati eksisteeriva lõpliku "sisend-referentseeritud nihkepinge" mõju.

Joonisel fig. 6, punkt -3 dB vastab sagedusele 17 Hz; sellel sagedusel on kondensaatori impedants 2,0 kOhm. Pange tähele, et kondensaator peab olema suur. Kui vahelduvvooluvõimendi ehitamiseks kasutatakse suure võimendusega mitteinverteerivat võimendit, võib kondensaator olla liiga suur. Sel juhul on parem teha ilma kondensaatorita ja reguleerida nihkepinge nii, et see oleks võrdne nulliga. Võite kasutada teist meetodit - suurendada takistite R1 ja R2 takistust ning kasutada T-kujulist jagajaahelat.

Vaatamata suurele sisendtakistusele, mille poole disainerid alati püüdlevad, ei eelistata mitteinverteerivat võimendiahelat alati inverteerivale võimendiahelale. Nagu hiljem näeme, inverteeriv võimendi sellist ei esita kõrged nõuded operatsioonivõimendile ja seetõttu on neid mitu parimad omadused. Lisaks on tänu mõttelisele maandusele mugav signaale kombineerida ilma, et need üksteist vastastikku mõjutaksid. Ja lõpuks, kui kõnealune ahel on ühendatud mõne teise op-võimendi väljundiga (stabiilne), on sisendtakistuse väärtus teie jaoks ükskõikne - see võib olla 10 kOhm või lõpmatus, kuna igal juhul on eelmine etapp täidab oma ülesandeid järgmise suhtes.

Repiiter

Joonisel fig. 7 on kujutatud operatiivvõimendil põhinevat emitteritaolist järgijat.

See pole midagi muud kui mitteinverteeriv võimendi, milles takisti R1 takistus on võrdne lõpmatusega ja takisti R2 takistus on null (võimendus = 1). On olemas spetsiaalsed operatiivvõimendid, mis on mõeldud kasutamiseks ainult repiiteridena, neil on täiustatud omadused (peamiselt suurem kiirus), sellise operatiivvõimendi näide on LM310 või OPA633 vooluahel, aga ka lihtsustatud ahelad nagu TL068 ahel (saadaval transistoris). kolme terminaliga pakett).

Ühtsuse võimendusega võimendit nimetatakse mõnikord puhvriks, kuna sellel on isoleerivad omadused (kõrge sisendtakistus ja madal väljund).

Põhilised ettevaatusabinõud töövõimenditega töötamisel

1. Reeglid kehtivad iga operatsioonivõimendi puhul, eeldusel, et see on sees aktiivne režiim, st. selle sisendid ja väljundid ei ole ülekoormatud.

Näiteks kui rakendate võimendi sisendile liiga palju võimsust suur signaal, siis toob see kaasa asjaolu, et väljundsignaal katkeb taseme UКК või UЭЭ lähedal. Kui väljundpinge on fikseeritud väljalülituspinge tasemel, siis sisendite pinge ei saa muud kui muutuda. Operatsioonivõimendi väljundpinge kõikumine ei saa olla suurem kui toitepinge vahemik (tavaliselt 2 V väiksem kui toitepinge vahemik, kuigi mõne operatiivvõimendi väljundi kõikumine on piiratud ühe või teise toitepingega). Sarnane piirang on kehtestatud operatiivvõimendil põhineva vooluallika väljundi stabiilsusvahemikule. Näiteks ujuva koormusega vooluallikas on maksimaalne pingelang koormuse kohal voolu "normaalses" suunas (voolu suund langeb kokku rakendatud pinge suunaga) UКК - Uin ja kui vastupidine suund vool (sel juhul võib koormus olla üsna kummaline, näiteks võib see sisaldada ümberpööratud akusid, et saada alalislaadimisvoolu, või see võib olla induktiivne ja töötada suunda muutvate vooludega) -Uin - UEE.

2. Tagasiside peaks olema negatiivne. See tähendab (muu hulgas), et inverteerivaid ja mitteinverteerivaid sisendeid ei tohiks segi ajada.

3. Op-amp vooluringil peab olema alalisvoolu tagasisideahel, muidu läheb op-amp kindlasti küllastusse.

4. Paljudel opvõimenditel on üsna madal maksimaalne diferentsiaalsisendpinge. Maksimaalset pingeerinevust inverteeriva ja mitteinverteeriva sisendi vahel saab piirata 5 V-ni mõlema pinge polaarsuse korral. Kui seda tingimust eiratakse, tekivad suured sisendvoolud, mis põhjustavad töövõimendi halvenemist või isegi hävimist.

"Tagasiside" (FE) mõiste on üks levinumaid, see on juba ammu väljunud kitsast tehnoloogiavaldkonnast ja seda kasutatakse nüüd laiemas mõttes. Juhtsüsteemides kasutatakse tagasisidet väljundsignaali võrdlemiseks antud väärtus ja teha vastavaid kohandusi. Kõik võib toimida "süsteemina", näiteks mööda teed liikuva auto juhtimise protsess - väljundandmeid (auto asukoht ja kiirus) jälgib juht, kes võrdleb neid eeldatavate väärtustega. ​ja kohandab vastavalt sisendandmeid (kasutades rooli, kiiruslülitit, pidureid). Võimendiahelas peab väljundsignaal olema sisendsignaali kordne, seega tagasisidevõimendis võrreldakse sisendsignaali väljundsignaali teatud osaga.

Kõik tagasiside kohta

Negatiivne tagasiside on väljundsignaali tagasi sisendisse saatmise protsess, mille käigus osa sisendsignaalist kustub. See võib tunduda loll idee, mis toob kaasa ainult kasumi vähenemise. Just sellise tagasiside sai Harold S. Black, kes püüdis 1928. aastal negatiivset tagasisidet patenteerida. "Meie isolatsiooni koheldi samamoodi nagu igiliikur"(IEEE Spectrum Magazine detsember 1977). Tõepoolest, negatiivne tagasiside vähendab võimendust, kuid samal ajal parandab see ahela muid parameetreid, näiteks kõrvaldab moonutused ja mittelineaarsuse, silub sageduskarakteristik(viib selle kooskõlla soovitud karakteristikuga), muudab ahela käitumise etteaimatavaks. Mida sügavam on negatiivne tagasiside, seda vähem välised omadused võimendid sõltuvad avatud ahelaga (ilma tagasisideta) võimendi omadustest ja lõpuks selgub, et need sõltuvad ainult tagasisideahela enda omadustest. Op-võimendeid kasutatakse tavaliselt sügava tagasiside režiimis ja avatud ahela pingevõimendus (ilma tagasisideta) ulatub nendes ahelates miljoniteni.

Tagasiside ahel võib olla sagedusest sõltuv, siis sõltub võimendus teatud viisil sagedusest (näiteks eelvõimendi helisagedused RIAA standardiga mängijas); kui tagasisideahel on amplituudist sõltuv, siis võimendil on mittelineaarne omadus(selle skeemi tavaline näide on logaritmiline võimendi, milles OS-i ahelas kasutatakse pinge UBE logaritmilist sõltuvust dioodis või transistoris olevast voolust IK). Tagasiside abil saab moodustada vooluallika (lõpmatuseni lähedane väljundtakistus) või pingeallika (nullilähedane väljundtakistus) ning seda saab kasutada väga kõrge või väga madala sisendtakistuse tekitamiseks. Üldjuhul paraneb selle abil parameeter, mille kohta tagasisidet võetakse. Näiteks kui kasutame tagasiside saamiseks väljundvooluga võrdelist signaali, saame hea allikas praegune

Tagasiside võib olla positiivne; seda kasutatakse näiteks generaatorites. Kummalisel kombel pole see nii kasulik kui negatiivne OS. Pigem on see seotud probleemidega, kuna negatiivse OS-iga vooluringis kõrgsagedus Võib esineda üsna suuri faasinihkeid, mis põhjustavad positiivset tagasisidet ja soovimatuid enesevõnkumisi. Nende nähtuste ilmnemiseks ei ole vaja kohaldada suur pingutus, kuid soovimatute isevõnkumiste vältimiseks kasutavad nad korrigeerimismeetodeid.

Operatsioonivõimendid

Enamikul juhtudel tegeleme tagasisideahelate kaalumisel operatiivvõimenditega. Operatsioonivõimendi (op-amp) on alalisvoolu diferentsiaalvõimendi, millel on väga suur võimendus ja ühe otsaga sisend. Op-amp prototüübiks võib olla klassikaline kahe sisendi ja tasakaalustamata väljundiga diferentsiaalvõimendi; Siiski tuleb märkida, et reaalsetel operatiivvõimenditel on neid oluliselt rohkem kõrged koefitsiendid võimendused (tavaliselt suurusjärgus 105 - 106) ja madalamad väljundtakistused, samuti võimaldavad väljundsignaali muutuda peaaegu kogu toitepinge ulatuses (tavaliselt kasutatakse ±15 V jagatud toiteallikaid).

Sümbolid "+" ja "-" ei tähenda, et üks sisend peab alati olema positiivsem kui teine; need sümbolid näitavad lihtsalt väljundsignaali suhtelist faasi (see on oluline, kui ahel kasutab negatiivset tagasisidet). Segaduste vältimiseks on parem nimetada sisendeid "inverteerivateks" ja "mitteinverteerivateks", mitte "pluss" ja "miinus" sisenditeks. Diagrammid ei näita sageli toiteallikate ühendamist operatsioonivõimendiga ja maandamiseks mõeldud kontakti. Operatsioonivõimenditel on tohutu pingevõimendus ja neid ei kasutata kunagi (harvade eranditega) ilma tagasisideta. Võime öelda, et operatiivvõimendid on loodud töötama tagasisidega. Tagasisideta ahela võimendus on nii suur, et suletud tagasisideahela olemasolul sõltuvad võimendi omadused ainult tagasisideahelast. Muidugi peaks lähemal uurimisel selguma, et selline üldistatud järeldus ei vasta alati tõele. Alustuseks vaatame lihtsalt op-võimendi toimimist ja uurime seda vajaduse korral üksikasjalikumalt.

Tööstus toodab sõna otseses mõttes sadu tüüpi operatiivvõimendeid, millel on erinevaid eeliseidüksteise ees. See on muutunud väga laialt levinud hea skeem tüüp LF411 (või lihtsalt "411"), mille turule tõi National Semiconductor. Nagu kõik operatiivvõimendid, on see väike element, mis on sisse ehitatud miniatuurne keha kaherealise mini-DIP-tihvtiga. See skeem on odav ja hõlpsasti kasutatav; Tööstus toodab selle vooluringi täiustatud versiooni (LF411A), aga ka miniatuurses pakendis olevat elementi, mis sisaldab kahte sõltumatut operatiivvõimendit (LF412 tüüpi vooluahel, mida nimetatakse ka "kahekordseks" operatsioonivõimendiks). Soovitame arenduse heaks lähtepunktiks LF411 vooluringi elektroonilised ahelad.

411 tüüpi vooluahel on ränist stants, mis sisaldab 24 transistorit (21 bipolaarne transistor, 3 väljatransistorit, 11 takistit ja 1 kondensaator). Joonisel fig. Joonisel 2 on näidatud ühendus korpuse klemmidega.

Punkt korpuse kaanel ja sälk selle otsas näitavad tihvtide nummerdamisel võrdluspunkti. Enamikus elektroonikalülituste korpustes toimub kontaktide nummerdamine korpuse kaane küljelt vastupäeva. "Nulli seadistus" (või "tasakaal", "reguleerimine") kontakte kasutatakse väikeste asümmeetriate kõrvaldamiseks, mis võivad operatsioonivõimendis tekkida.

Olulised reeglid

Nüüd saame tuttavaks kõige olulisemad reeglid, mis määravad operatiivvõimendi käitumise tagasisideahelas. Need kehtivad peaaegu kõigi elujuhtumite kohta.

Esiteks on operatiivvõimendil nii suur pingevõimendus, et sisenditevahelise pinge muutus mõne millivoldi murdosa võrra põhjustab väljundpinge muutumise kogu ulatuses, seega ärgem arvestagem seda väikest pinget, vaid sõnastagem reegel I. :

I. Operatsioonivõimendi väljund kipub tagama, et selle sisendite pingeerinevus on null.

Teiseks tarbib operatsioonivõimendi väga vähe sisendvoolu (LF411 tüüpi operatiivvõimendi tarbib 0,2 nA; operatsioonivõimendi sisenditega väljatransistorid— pikoamprite suurusjärgus); Sügavamatesse detailidesse laskumata sõnastagem reegel II:

II. Operatsioonivõimendi sisendid ei tarbi voolu.

Siin on vaja selgitust: I reegel ei tähenda, et operatsioonivõimendi tegelikult muudab pinget oma sisendites. See on võimatu. (See oleks vastuolus reegliga II.) Operatsioonivõimendi "hindab" sisendite olekut ja väline ahel OS edastab pinge väljundist sisendisse, nii et tekkiv pinge erinevus sisendite vahel muutub võrdne nulliga(kui võimalik).

Need reeglid annavad piisava aluse op-amp ahelate kaalumiseks.

Elektroonikakursusel on palju olulised teemad. Täna püüame mõista operatiivvõimendeid.
Alusta uuesti. Operatsioonivõimendi on "asi", mis võimaldab teil töötada analoogsignaalidega igal võimalikul viisil. Kõige lihtsamad ja elementaarsemad on võimendamine, sumbumine, liitmine, lahutamine ja paljud teised (näiteks diferentseerimine või logaritm). Valdav enamus operatsioonivõimendite (edaspidi op-amprid) toimingutest tehakse positiivse ja negatiivse tagasiside abil.
Selles artiklis käsitleme teatud "ideaalset" op-võimendit, kuna minema konkreetne mudel pole mõtet. Ideaali all mõeldakse seda, et sisendtakistus kaldub lõpmatuseni (seetõttu kipub sisendvool nullini) ja väljundtakistus, vastupidi, kipub nulli (see tähendab, et koormus ei tohiks mõjutada väljundpinget ). Samuti peaks iga ideaalne op-amp võimendama mis tahes sagedusega signaale. Noh, ja mis kõige tähtsam, kasum tagasiside puudumisel peaks samuti kalduma lõpmatusse.

Hakka asja juurde

Operatsioonivõimendit sümboliseeritakse diagrammidel sageli võrdkülgse kolmnurgaga. Vasakul on sisendid, mis on tähistatud "-" ja "+", paremal on väljund. Pinge saab rakendada igale sisendile, millest üks muudab pinge polaarsust (sellepärast kutsuti seda inverteerimiseks), teine ​​mitte (on loogiline eeldada, et seda nimetatakse mitteinverteerivaks). Op-amp toiteallikas on enamasti bipolaarne. Tavaliselt on positiivsed ja negatiivsed toitepinged sama väärtus(aga erinev märk!).
Kõige lihtsamal juhul saate pingeallikad ühendada otse op-amp sisenditega. Ja siis arvutatakse väljundpinge järgmise valemi järgi:
, kus on pinge mitteinverteerivas sisendis, on pinge inverteerivas sisendis, on väljundpinge ja on avatud ahela võimendus.
Vaatame ideaalset op-võimendit Proteuse vaatenurgast.


Soovitan teil temaga "mängida". Mitteinverteerivale sisendile rakendati pinge 1 V. 3V inverteerimiseks. Me kasutame "ideaalset" op-võimendit. Seega saame: . Aga siin on meil piiraja, sest me ei saa võimendada signaali üle oma toitepinge. Seega saame väljundis ikkagi -15V. Tulemus:


Muudame kasumit (nii et te usute mind). Olgu parameeter Voltage Gain võrdne kahega. Sama probleem on selgelt lahendatud.

Op-võimendite reaalne rakendus inverteerivate ja mitteinverteerivate võimendite näitel

Neid on kaks peamine reeglid:
I. Operatsioonivõimendi väljund kipub põhjustama diferentsiaalpinge (vahe inverteeriva ja mitteinverteeriva sisendi pinge vahel) olema null.
II. Operatsioonivõimendi sisendid ei tarbi voolu.
Esimest reeglit rakendatakse tagasiside kaudu. Need. pinge kantakse väljundist sisendisse nii, et potentsiaalide vahe muutub nulliks.
Need on niiöelda “pühad kaanonid” OU teemas.
Ja nüüd täpsemalt. Inverteeriv võimendi näeb välja täpselt selline (pöörake tähelepanu sisendite asukohale):


Esimese "kaanoni" põhjal saame proportsiooni:
, ja pärast valemiga "natuke maagiat" tuletame inverteeriva operatsioonivõimendi võimenduse väärtuse:

Ülaltoodud ekraanipilt ei vaja kommentaare. Lihtsalt ühendage kõik vooluvõrku ja kontrollige seda ise.

Järgmine etapp - mitteinverteeriv võimendi.
Ka siin on kõik lihtne. Pinge rakendatakse otse mitteinverteerivale sisendile. Tagasiside antakse inverteerivale sisendile. Inverteeriva sisendi pinge on järgmine:
, kuid esimest reeglit rakendades võime seda öelda

Ja jällegi võimaldavad "suurejoonelised" teadmised kõrgema matemaatika valdkonnas liikuda edasi valemi juurde:
Annan teile põhjaliku ekraanipildi, mida saate soovi korral üle kontrollida.

Lõpuks annan teile paar huvitavad skeemid, et ei jääks muljet, et op-amprid suudavad ainult pinget võimendada.

Pinge järgija (puhvervõimendi). Tööpõhimõte on sama, mis transistori repiiteril. Kasutatakse ahelates koos raske koorem. Samuti saab seda kasutada impedantsi sobitamise probleemi lahendamiseks, kui vooluahel sisaldab soovimatuid pingejagajaid. Skeem on geniaalsuseni lihtne:

Summeeriv võimendi. Seda saab kasutada, kui on vaja liita (lahutada) mitu signaali. Selguse huvides on siin diagramm (jällegi pöörake tähelepanu sisendite asukohale):


Samuti pöörake tähelepanu asjaolule, et R1 = R2 = R3 = R4 ja R5 = R6. Arvutusvalem sisse sel juhul saab olema: (tuttav, kas pole?)
Seega näeme, et pinge väärtused, mis antakse mitteinverteerivale sisendile, "omandavad" plussmärgi. Tagurpidisel - miinus.

Järeldus

Operatsioonivõimendite ahelad on äärmiselt mitmekesised. Keerulisematel juhtudel võite leida aktiivseid filtriahelaid, ADC- ja salvestusseadmeid, võimsusvõimendeid, voolu-pinge muundureid ja paljusid muid vooluahelaid.

Allikate loetelu

Lühike loetelu allikatest, mis aitavad teil kiiresti harjuda nii op-võimendite kui ka elektroonikaga üldiselt:
Vikipeedia
P. Horowitz, W. Hill. "Skeemidisaini kunst"
B. Baker. "Mida digitaalarendaja peab analoogelektroonikast teadma"
Loengukonspektid elektroonikast (soovitavalt enda oma)
UPD: Aitäh UFO kutse eest

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

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

Vastus on üsna lihtne. Mõlemal juhul on tulemus sama, kaskaadi võimenduse määravad OOS-i elemendid, kuid teisel juhul (suure võimendusega op-amp) töötab ahel stabiilsemalt, täpsemalt, sellise jõudluse. ahelad on palju kõrgem. Pole asjata, et op-võimendid jagunevad op-võimenditeks üldine kasutamine ja ülitäpne, täpsus.

Nagu juba öeldud, said kõnealused võimendid oma nime "töötavad" sel kaugel ajal, mil neid kasutati peamiselt esinemiseks. matemaatilised tehted analoogis arvutid(AVM). Need olid liitmise, lahutamise, korrutamise, jagamise, kvadratuuri ja paljud muud funktsioonid.

Need veevoolueelsed op-võimendid viidi läbi vaakumtorud, hiljem diskreettransistorid ja muud raadiokomponendid. Loomulikult olid isegi transistor-operatsioonivõimendite mõõtmed piisavalt suured, et neid saaks kasutada amatöörprojektides.

Ja alles pärast seda, kui tänu integreeritud elektroonika saavutustele muutusid op-võimendid tavalise väikese võimsusega transistori suuruseks, hakati neid osi kasutama kodutehnika Ja amatöörskeemid sai õigustatuks.

Muide, tänapäevased op-võimendid on isegi üsna Kõrge kvaliteet, mille hind ei ole palju kõrgem kui kaks või kolm transistorit. See väide kehtib üldotstarbeliste operatsioonivõimendite kohta. Täppisvõimendid võivad maksta veidi rohkem.

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

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

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

Pinge repiiter

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

Joonis 1. Operatsioonivõimendi pinge järgija ahel

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

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

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

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

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

Tegelikult on siin isegi natuke parem: takisti või mikroskeemi vahetamiseks ei pea kuskile riiulile ronima. Kõik on siin, isegi mõõteriistad, on programmis ja selleni "jõuatakse" hiire või klaviatuuri abil.

Joonisel 2 on kujutatud Multisim programmis tehtud kordusahel.

Joonis 2.

Skeemi uurimine on üsna lihtne. Repiiteri sisendisse alates funktsiooni generaator rakendatakse siinussignaali sagedusega 1KHz ja amplituudiga 2V, nagu on näidatud joonisel 3.

Joonis 3.

Signaali repiiteri sisendis ja väljundis jälgitakse ostsilloskoobiga: sisendsignaali kuvatakse kiirga sinist värvi, on väljundkiir punane.

Joonis 4.

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

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

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

Joonis 5.

Mis sellest välja tuli, on näidatud joonisel 6.

Joonis 6.

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

Repiiter on muidugi hea ja isegi ilus: ainsatki lisaosa ei läinud vaja (kuigi on ka pisi- ja “lisanditega” repiiteriahelaid), aga kasu ei saanud. Mis võimendi see siis on? Võimendi loomiseks peate lisama vaid mõned üksikasjad, kuidas seda teha, arutatakse hiljem.

Inverteeriv võimendi

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

Joonis 7. Inverteeriv võimendi ahel

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

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

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

Joonis 8.

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

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

Joonis 9.

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

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

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

Joonis 10.

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

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

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

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

Kõike ei saa kirjutada ühes artiklis, isegi üsna suures. Seetõttu tuleb kajastada kõike, mis järgmisesse artiklisse ei mahtunud. Seal kirjeldatakse mitteinverteerivat võimendit, diferentsiaalvõimendit ja ühe toitega võimendit. Samuti antakse kirjeldus lihtsad vooluringid operatsioonivõimendi kontrollimiseks.