Eindversterkers. Lineaire circuits gebaseerd op op-amps.

Op-versterkers worden veel gebruikt in analoge elektronische apparaten. Het is handig om de functies te overwegen die door een op-amp met OOS worden geïmplementeerd als we de op-amp voorstellen in de vorm van een ideaal model waarin:

1. De ingangsweerstand van de operationele versterker is oneindig, de stromen van de ingangselektroden zijn nul (Rin > ∞, i+ = i- = 0).
2. De uitgangsimpedantie van de operationele versterker is nul, d.w.z. De op-amp aan de ingangszijde is een ideale spanningsbron (Rout = 0).
3. De spanningsversterking (differentiële spanningsversterking) is oneindig en het differentiële signaal in de versterkingsmodus is nul (sluit de op-amp-kabels niet kort).
4. In de verzadigingsmodus is de uitgangsspanning even groot als de voedingsspanning en wordt het teken bepaald door de polariteit van de ingangsspanning. Het is nuttig op te merken dat in de verzadigingsmodus niet altijd kan worden aangenomen dat het differentiële signaal nul is.
5. Het common-mode signaal heeft geen effect op de op-amp.
6. De nul-offsetspanning is nul.

Opamp inverterende versterker

Het circuit van een inverterende versterker waarop parallelle spanningsfeedback betrekking heeft, wordt weergegeven in de figuren:

OOS wordt gerealiseerd door de versterkeruitgang met weerstand R2 op de ingang aan te sluiten.

Aan de inverterende ingang van de op-amp worden de stromen opgeteld. Omdat de ingangsstroom van de opamp i- = 0, is i1 = i2. Omdat i1 = Uin /R1 en i2 = -Uout /R2, dan . Ku = = -R2/R1. Het teken "-" geeft aan dat het teken van de ingangsspanning omgekeerd is.

In figuur (b) is weerstand R3 opgenomen in het niet-inverterende ingangscircuit om de invloed van op-amp-ingangsstromen te verminderen, waarvan de weerstand wordt bepaald uit de uitdrukking:

Ingangsimpedantie van de versterker lage frequenties ongeveer gelijk aan Rin.oc = ≈ R1

Uitgangsweerstand Rout.os = aanzienlijk minder dan Rout van de op-amp zelf.

Niet-inverterende op-amp-versterker

Het circuit van een niet-inverterende versterker waarop seriespanningsfeedback betrekking heeft, wordt weergegeven in de figuur:

OOS wordt geïmplementeerd met behulp van weerstanden R1, R2.

Door de eerder geaccepteerde aannames voor het ideale model te gebruiken, verkrijgen we

Ingangsweerstand: Rin.os → ∞

Uitgangsweerstand: Rout.os = → 0

Het nadeel van versterking is de aanwezigheid aan de ingangen van een common-mode signaal gelijk aan Uin.

Spanningsvolger op op-amp

Het repeatercircuit verkregen uit het niet-verterende versterkercircuit, met R1 → ∞, R2 → 0, wordt getoond in de figuur:

Coëfficiënt β = 1, Ku.oc = K/1+K ≈ 1, d.w.z. de spanning aan de ingang en uitgang van de op-amp zijn gelijk: Uin = Uout.

Op-amp-spanningsopteller (inverterende opteller)

Het circuit van een inverterende versterker met extra ingangscircuits wordt getoond in de figuur:

Gezien i+ = i- = 0, ioc = - Uout /Roс = Uin1 /R1 + Uin2 /R2 + ... + Uin /Rn, verkrijgen we: Uout = -Roс (Uin1 /R1 + Uin2 /R2 + .. + Uin/Rn)

Als Roс = R1 = R2 = ... = Rn, dan is Uout = - (Uin1 + Uin2 + ... + Uinn ).

De op-amp werkt in lineaire modus.

Om de invloed van op-amp-ingangsstromen te verminderen, is een weerstand Re (weergegeven als een stippellijn in de afbeelding) met weerstand: Re = R1//R2//…//Rn//Roc opgenomen in de niet-inverterende ingang circuit.

Op-amp subtractieve versterker

Het versterkercircuit met een differentiële ingang wordt getoond in de figuur:

De versterker is een combinatie van inverterende en niet-inverterende versterkers. In het onderhavige geval wordt de uitgangsspanning bepaald uit de uitdrukking:

Uuit = Uin2 R3/(R3+R4) (1+R2/R1) - Uin1 R2/R1

Wanneer R1 = R2 = R3 = R4: Uout = Uin2 - Uin1 – d.w.z. hangt af van het verschil tussen de ingangssignalen.

Opamp-integratieversterker

Het integratorcircuit, waarin een condensator in het OOS-circuit is geïnstalleerd, wordt weergegeven in de figuur:

Laat het serveren bij de ingang vierkante puls Uin. In het interval t1...t2 is de amplitude Uin gelijk aan U. Omdat de ingangsstroom van de op-amp nul is, geldt |iin | = |-ic |, iin = Uin /R1, ic = C dUout /dt.

Uin /R1 = C dUout /dt of

waarbij Uout (0) de spanning is aan de uitgang (condensator C) bij het begin van de integratie (op tijdstip t1).

τ = R1 · C – integratietijdconstante, d.w.z. tijd gedurende welke Uout zal veranderen met de hoeveelheid ΔUout = U.

Dus uitgangsspanning op het interval t1...t2 varieert afhankelijk van lineaire wet en vertegenwoordigt de integraal van de ingangsspanning. De tijdconstante moet zodanig zijn dat tot het einde van de integratie Uout< Eпит .

Differentiatie versterker

Door R1 en C1 in de integraal om te wisselen, verkrijgen we een differentiërend versterkercircuit:

Naar analogie met de integrerende versterker schrijven we:

Ic = C dUin /dt, IR2 = -Uuit /R

Omdat |Ic | = |-IR2 |, dan Uout = - CR dUin /dt

τ = CR – differentiatieconstante.

Het gebruik van op-amps is verre van beperkt tot de bovengenoemde circuits.

Actieve filters

In de elektronica wordt een apparaat veel gebruikt om een ​​nuttig signaal te isoleren van een aantal ingangssignalen, terwijl tegelijkertijd storende signalen worden verzwakt door het gebruik van filters.

Filters zijn onderverdeeld in niet-passieve filters, gemaakt op basis van condensatoren, inductoren en weerstanden, en actieve filters, gebaseerd op transistors en operationele versterkers.

Actieve filters worden vaak gebruikt in de informatie-elektronica. De term "actief" wordt verklaard door de opname van een RLC-filter in het circuit actief onderdeel(van een transistor of op-amp) om verliezen op passieve elementen te compenseren.

Een filter is een apparaat dat signalen in de doorlaatband doorlaat en deze in de rest van het frequentiebereik vertraagt.

Op basis van het type frequentierespons worden filters onderverdeeld in laagdoorlaatfilters (LPF) en hoogdoorlaatfilters (HPF), banddoorlaatfilters en notch-filters.

Het diagram van het eenvoudigste laagdoorlaatfilter en zijn frequentierespons worden weergegeven in de figuur:

In de doorlaatband 0 - fc passeert het nuttige signaal zonder vervorming het laagdoorlaatfilter.

Fс – fз – overgangsstrook,
fз - ∞ – stopband,
fс – afsnijfrequentie,
fз – vertragingsfrequentie.

Het hoogdoorlaatfilter laat hoogfrequente signalen door en blokkeert laagfrequente signalen.

Een banddoorlaatfilter laat signalen door van één frequentieband die zich in een binnenste deel van de frequentie-as bevindt.

Het filtercircuit wordt de Wien-brug genoemd. Bij frequentie f0 =

De Wien-brug heeft een transmissiecoëfficiënt β = 1/3. Met R1 = R2 = R en C1 = C2 = C

Een notchfilter laat signalen binnen een bepaalde frequentieband niet door en laat signalen op andere frequenties wel door.

Het filtercircuit wordt een ongebalanceerde dubbele T-brug genoemd.

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

Beschouw als voorbeeld een tweepolig (afhankelijk van het aantal condensatoren) actief laagdoorlaatfilter.

De op-amp werkt in lineaire modus. Bij het berekenen wordt fс gespecificeerd. De versterking in de doorlaatband moet voldoen aan de voorwaarde: K0 ≤ 3.

Als we C1 = C2 = C nemen, R1 = R2 = R, dan is C = 10/fc, waarbij fc in Hz is, en C in µF,

Om meer te krijgen snelle verandering de versterkingsfactor weg van de doorlaatband, soortgelijke circuits worden opeenvolgend ingeschakeld.

Door weerstanden R1, R2 en condensatoren C1, C2 te verwisselen, krijgen we een hoogdoorlaatfilter.

Selectieve versterkers

Met selectieve versterkers kunt u signalen in een beperkt frequentiebereik versterken, met nadruk nuttige signalen en iedereen verzwakken. Dit wordt bereikt door speciale filters in het circuit te gebruiken feedback versterker Het circuit van een selectieve versterker met een dubbele T-vormige brug in een negatief feedbackcircuit wordt getoond in de figuur:

De filtertransmissiecoëfficiënt (curve 3) neemt af van 0 naar 1. De frequentierespons van de versterker wordt geïllustreerd door curve 1. Bij de quasi-resonantiefrequentie is de filtertransmissiecoëfficiënt in het negatieve feedbackcircuit nul, Uout is maximaal. Bij frequenties links en rechts van f0 neigt de filtertransmissiecoëfficiënt naar eenheid en Uout = Uin. Het filter wijst dus de doorlaatband Af toe, en de versterker voert de analoge versterkingsbewerking uit.

Harmonische generatoren

Besturingssystemen maken gebruik van signaalgeneratoren verschillende soorten. Een harmonische oscillatiegenerator is een apparaat dat een sinusvormige wisselspanning creëert.

Het blokschema van een dergelijke generator wordt weergegeven in de figuur:

Er is geen ingangssignaal. Uuit = K · Uos .

Om sinusoïdale oscillaties te laten optreden, moet voor slechts één frequentie aan de zelfexcitatievoorwaarde worden voldaan:
K γ = 1 – amplitudebalans,
φ + ψ = 2πn – fasebalans,
waarbij K de versterkerversterking is,
γ - transmissiecoëfficiënt met positieve feedbackverbinding,
φ – faseverschuiving voor de versterker,
ψ – faseverschuiving voor het feedbackcircuit,
n = 0, 1, ...

De belangrijkste generatoren van sinusoïdale signalen zijn filters, zoals de Wien-brug. Een op-amp-gebaseerde generator met een Wien-brug wordt getoond in de figuur:

De generator produceert een sinusvormig signaal met een frequentie van .

Bij frequentie f0 is de filtertransmissiecoëfficiënt β = 1/3. De versterker moet een versterking K ≥ 3 hebben, die wordt ingesteld door weerstanden R1 en R2. Een belangrijke kwestie is de stabilisatie van de amplitude Uout, die wordt verzekerd door weerstand R3 en zenerdiodes VD1 en VD2. Bij een lage Uout is de spanning op VD1 en VD2 lager dan de stabilisatiespanning en wordt R3 niet overbrugd door zenerdiodes. In dit geval nemen K > 3 en Uout toe. Wanneer de spanning op de zenerdiodes gelijk wordt aan de stabilisatiespanning, gaat de ene of de andere zenerdiode open en overbrugt een paar zenerdiodes de weerstand R3. De versterking wordt gelijk en de spanning Uout begint af te nemen, de versterking wordt weer groter dan 3 en Uout zal opnieuw afnemen, maar in de tegenovergestelde richting. Zo voorkomen de zenerdiodes verzadiging.

Bij gebruik van deze generator Het is raadzaam om de belasting via een buffercascade aan te sluiten.

Materiaal ter voorbereiding op certificering

Ik begon een serie artikelen over de bouwstenen van moderne analoge elektronica: operationele versterkers. Er werd een definitie van een op-amp en enkele parameters gegeven, en er werd ook een classificatie van operationele versterkers gegeven. Dit artikel behandelt het concept van een ideale operationele versterker en de basiscircuits voor het aansluiten van een operationele versterker worden gegeven.

Ideale operationele versterker en zijn eigenschappen

Omdat onze wereld niet ideaal is, bestaan ​​er geen ideale operationele versterkers. De parameters van moderne op-versterkers zijn echter behoorlijk hoog niveau Daarom levert analyse van circuits met ideale op-amps resultaten op die zeer dicht bij echte versterkers liggen.

Om de werking van op-amp-circuits te begrijpen, worden een aantal aannames geïntroduceerd die echte op-amps reduceren tot ideale versterkers. Er zijn slechts vijf van dergelijke aannames:

1. Er wordt aangenomen dat de stroom die door de op-amp-ingangen vloeit nul is.
2. Aangenomen wordt dat de versterking van de op-amp oneindig groot is, dat wil zeggen dat de uitgangsspanning van de versterker elke waarde kan bereiken, maar in werkelijkheid wordt deze beperkt door de voedingsspanning.
3. Het spanningsverschil tussen de ingangen van een ideale op-amp is nul, dat wil zeggen: als een van de aansluitingen met aarde is verbonden, heeft de tweede aansluiting hetzelfde potentieel. Hieruit volgt ook dat de ingangsimpedantie van een ideale versterker oneindig is.
4. De uitgangsimpedantie van een ideale op-amp is nul.
5. De amplitude-frequentierespons van een ideale op-amp is vlak, dat wil zeggen dat de versterking niet afhankelijk is van de frequentie van het ingangssignaal.

De mate waarin de parameters van een echte operationele versterker dicht bij de ideale liggen, bepaalt de nauwkeurigheid waarmee een bepaalde op-amp kan werken, evenals de waarde van een bepaalde operationele versterker kan achterhalen en snel en correct een geschikte op-amp kan selecteren.

Op basis van de hierboven beschreven aannames wordt het mogelijk om relaties voor de basiscircuits van de operationele versterker te analyseren en af ​​te leiden.

Basis operationele versterkercircuits

Zoals vermeld in het vorige artikel werken op-amps alleen met feedback, waarvan het type bepaalt of de op-amp in lineaire modus of in verzadigingsmodus werkt. Feedback van de uitgang van een op-amp naar zijn inverterende ingang zorgt er doorgaans voor dat de op-amp in lineaire modus werkt, terwijl feedback van de uitgang van de op-amp naar zijn niet-inverterende ingang of open-luswerking resulteert in verzadiging van de versterker.

Niet-inverterende versterker

Een niet-inverterende versterker wordt gekenmerkt door het feit dat ingangssignaal gaat naar de niet-inverterende ingang van de operationele versterker. Dit aansluitschema vindt u hieronder

De werking van deze schakeling wordt als volgt uitgelegd, rekening houdend met de kenmerken van een ideale op-amp. Het signaal komt de versterker binnen met een oneindige waarde ingangsimpedantie, en de spanning aan de niet-inverterende ingang heeft dezelfde waarde als aan de inverterende ingang. De stroom aan de uitgang van de operationele versterker creëert een spanning over weerstand R2 die gelijk is aan de ingangsspanning.

De belangrijkste parameters van dit schema worden dus beschreven door de volgende relatie

Hieruit leiden we de relatie af voor de versterking van een niet-inverterende versterker

We kunnen dus concluderen dat alleen de beoordelingen van de passieve componenten de winst beïnvloeden.

Het moet worden opgemerkt speciaal geval Als weerstand R2 veel groter is dan R1 (R2 >> R1), zal de versterking naar eenheid neigen. In dit geval wordt het niet-inverterende versterkercircuit een analoge buffer of op-volger met eenheidsversterking, een zeer hoge ingangsimpedantie en vrijwel nul uitgangsimpedantie. Dit zorgt voor een effectieve ontkoppeling van input en output.

Omkerende versterker

Een inverterende versterker wordt gekenmerkt door het feit dat de niet-inverterende ingang van de operationele versterker geaard is (dat wil zeggen verbonden is met de gemeenschappelijke voeding). In een ideale op-amp is het spanningsverschil tussen de versterkeringangen nul. Daarom moet het terugkoppelcircuit ervoor zorgen dat de spanning aan de inverterende ingang ook gelijk is aan nul. Het inverterende versterkercircuit wordt hieronder weergegeven

De werking van de schakeling wordt als volgt uitgelegd. De stroom die door de inverterende aansluiting vloeit in een ideale op-amp is nul, dus de stromen die door de weerstanden R1 en R2 vloeien zijn gelijk aan elkaar en tegengesteld van richting, en dan is de basisrelatie:

Dan is de winst van dit circuit gelijk aan

Het minteken in deze formule geeft aan dat het signaal aan de uitgang van de schakeling omgekeerd is ten opzichte van het ingangssignaal.

Integrator

Met de integrator kunt u een circuit implementeren waarin de verandering in de uitgangsspanning evenredig is met het ingangssignaal. Het circuit van de eenvoudigste op-amp-integrator wordt hieronder weergegeven

Operationele versterkerintegrator.

Dit circuit implementeert de integratiebewerking via het ingangssignaal. Ik heb al naar integratieregelingen gekeken diverse signalen gebruik makend van integreren. De integrator implementeert een soortgelijke verandering in het ingangssignaal, maar heeft een aantal voordelen ten opzichte van het integreren van ketens. Ten eerste verzwakken RC- en RL-ketens het ingangssignaal aanzienlijk, en ten tweede hebben ze een hoog signaal uitgangsimpedantie.

De belangrijkste berekende relaties van de integrator zijn dus vergelijkbaar met de integrerende RC- en RL-ketens, en de uitgangsspanning zal zijn

Integrators hebben een brede toepassing gevonden in veel analoge apparaten, zoals actieve filters en automatische besturingssystemen

Differentiator

De werking van de differentiator is tegengesteld aan die van de integrator, dat wil zeggen dat het uitgangssignaal evenredig is met de snelheid waarmee het ingangssignaal verandert. Het eenvoudigste differentiatordiagram wordt hieronder weergegeven

De differentiator implementeert de werking van differentiatie op het ingangssignaal en is vergelijkbaar met de werking van differentiators, bovendien heeft hij beste parameters vergeleken met RC- en RL-ketens: het verzwakt het ingangssignaal praktisch niet en heeft een aanzienlijk lagere uitgangsweerstand. De basisberekeningsrelaties en de reactie op verschillende impulsen zijn vergelijkbaar met het differentiëren van ketens.

De uitgangsspanning zal zijn

Eén operationele versterkerschakeling die toepassing heeft gevonden, is de logaritme-omzetter. IN dit diagram eigenschap of een bipolaire transistor wordt gebruikt. Het circuit van de eenvoudigste logaritmische omzetter wordt hieronder weergegeven

Dit circuit wordt voornamelijk gebruikt om het signaal te versterken dynamisch bereik, evenals voor het uitvoeren van wiskundige functies.

Laten we het werkingsprincipe van een logaritmische omzetter eens bekijken. Zoals bekend wordt de stroom die door een diode vloeit beschreven door de volgende uitdrukking

waarbij I O de tegenstroom van de diode is,
e – getal e, basis natuurlijke logaritme, e ≈ 2,72,
q – elektronenlading,
U – diodespanning,
k – Boltzmann-constante,
T – temperatuur in graden Kelvin.

Bij het berekenen kun je uitgaan van I O ≈ 10-9 A, kT/q = 25 mV. De ingangsstroom van dit circuit zal dus zijn

dan de uitgangsspanning

De eenvoudigste logaritmische omzetter wordt praktisch niet gebruikt, omdat deze een aantal ernstige nadelen heeft:

1. Hoge gevoeligheid voor temperatuur.
2. De diode biedt niet voldoende conversienauwkeurigheid, omdat de relatie tussen de spanningsval en de diodestroom niet geheel logaritmisch is.

Als gevolg hiervan worden ze gebruikt in plaats van diodes diode-aansluiting of met een geaarde basis.

Een exponentieel omzetcircuit wordt verkregen uit een logaritmische omzetter door de locatie van de diode en de weerstand in het circuit te veranderen. En de werking van zo'n circuit, evenals een logaritmische omzetter, is gebaseerd op de logaritmische relatie tussen de spanningsval over de diode en de stroom die door de diode vloeit. Het exponentiële omzetcircuit wordt hieronder weergegeven

De werking van de schakeling wordt beschreven door de bekende uitdrukkingen

De uitgangsspanning zal dus zijn

Net als een logaritmische omzetter wordt de eenvoudigste exponentiële omzetter met een diode aan de ingang zelden gebruikt, vanwege de hierboven beschreven redenen. Daarom worden in plaats van dioden aan de ingang bipolaire transistors gebruikt in diodeverbinding of met een gemeenschappelijke basis.

Operationele versterkers vaak gebruikt om op te treden diverse operaties: signalen optellen, differentiëren, integreren, inverteren, enz. En ook operationele versterkers werden verbeterd
gebalanceerde versterkingscircuits.

Operationele versterker– universeel functioneel element, veel gebruikt in moderne vormgevings- en conversiecircuits informatie signalen voor verschillende doeleinden zowel analoog als digitale technologie. Laten we verder kijken naar de soorten versterkers.

Omkerende versterker

Beschouw het circuit van een eenvoudige inverterende versterker:

a) de spanningsval over weerstand R2 is gelijk aan Uout,

b) de spanningsval over weerstand R1 is gelijk aan Uin.

Uout/R2 = -Uin/R1, of spanningsversterking = Uout/Uin = R2/R1.

Om te begrijpen hoe feedback werkt, stellen we ons voor dat er een bepaald spanningsniveau op de ingang wordt toegepast, bijvoorbeeld 1 V. Om specifieker te zijn, laten we zeggen dat weerstand R1 een weerstand heeft van 10 kOhm, en weerstand R2 een weerstand van 100. kOhm. Stel je nu voor dat de uitgangsspanning uit de hand loopt en gelijk is aan 0 V. Wat zal er gebeuren? Weerstanden R1 en R2 vormen een spanningsdeler, met behulp waarvan de potentiaal van de inverterende ingang gelijk wordt gehouden aan 0,91 V. De operationele versterker detecteert de mismatch over de ingangen en de spanning aan de uitgang begint af te nemen. De verandering gaat door totdat de uitgangsspanning -10 V bereikt, op welk punt de potentiëlen van de op-amp-ingangen hetzelfde worden en gelijk zijn aan het aardpotentiaal. Als de uitgangsspanning verder begint af te nemen en negatiever wordt dan -10 V, zal de potentiaal aan de inverterende ingang lager worden dan de aardpotentiaal, waardoor de uitgangsspanning begint te stijgen.

Het nadeel van deze schakeling is dat deze een lage ingangsimpedantie heeft, vooral voor versterkers met een hoge spanningsversterking (bij gesloten circuit OS), waarbij weerstand R1 in de regel klein is. Dit nadeel wordt geëlimineerd door het diagram hieronder in Fig. 4.

Niet-inverterende versterker. DC-versterker.

Laten we eens kijken naar het diagram in Fig. 4. De analyse ervan is uiterst eenvoudig: UA = Uin. Spanning UA wordt van de spanningsdeler verwijderd: UA = Uout R1 / (R1 + R2). Als UA = Uin, dan is versterking = Uout / Uin = 1 + R2 / R1. Dit is een niet-inverterende versterker. In de benadering die we zullen gebruiken, is de ingangsimpedantie van deze versterker oneindig (voor een opamp van het type 411 is deze 1012 ohm of meer, voor een bipolaire transistoropamp is deze gewoonlijk groter dan 108 ohm). De uitgangsimpedantie is, net als in het vorige geval, gelijk aan fracties van een ohm. Als we, net als bij de inverterende versterker, het gedrag van de schakeling nauwkeurig bekijken wanneer de ingangsspanning verandert, zien we dat het werkt zoals beloofd.

AC-versterker

Het bovenstaande circuit is ook een versterker gelijkstroom. Als de signaalbron en versterker via wisselstroom met elkaar zijn verbonden, moet er worden gezorgd voor aarding voor de ingangsstroom (zeer klein van omvang), zoals weergegeven in Fig. 5. Voor de componentwaarden die in het diagram worden weergegeven, is de spanningsversterking 10 en komt het -3 dB-punt overeen met een frequentie van 16 Hz.

Versterker AC. Als alleen AC-signalen worden versterkt, kunt u de versterking voor DC-signalen terugbrengen tot één, vooral als de versterker een hoge spanningsversterking heeft. Dit maakt het mogelijk om de invloed van de altijd bestaande eindige “input-referenced shear stress” te verminderen.

Voor het circuit getoond in Fig. 6 komt het punt -3 dB overeen met een frequentie van 17 Hz; bij deze frequentie bedraagt ​​de condensatorimpedantie 2,0 kOhm. Houd er rekening mee dat de condensator groot moet zijn. Als een niet-inverterende versterker met hoge versterking wordt gebruikt om een ​​AC-versterker te bouwen, kan de condensator buitensporig groot zijn. In dit geval is het beter om het zonder condensator te doen en de offsetspanning zo aan te passen dat deze gelijk is aan nul. Je kunt een andere methode gebruiken: verhoog de weerstand van weerstanden R1 en R2 en gebruik een T-vormig scheidingscircuit.

Ondanks de hoge ingangsimpedantie waar ontwerpers altijd naar streven, heeft een niet-inverterende versterkerschakeling niet altijd de voorkeur boven een inverterende versterkerschakeling. Zoals we later zullen zien, biedt de inverterende versterker dit niet hoge eisen naar de op-amp en heeft er daarom meerdere beste eigenschappen. Bovendien is het dankzij denkbeeldige aarding handig om signalen te combineren zonder dat ze elkaar wederzijds beïnvloeden. En tot slot, als het betreffende circuit is aangesloten op de uitgang (stabiel) van een andere op-amp, dan is de waarde van de ingangsimpedantie voor u onverschillig - deze kan 10 kOhm of oneindig zijn, aangezien de vorige fase in ieder geval zal zijn functies uitvoeren met betrekking tot de volgende.

Repeater

In afb. 7 toont een emitterachtige volger gebaseerd op een operationele versterker.

Het is niets meer dan een niet-inverterende versterker waarin de weerstand van weerstand R1 gelijk is aan oneindig, en de weerstand van weerstand R2 nul (versterking = 1). Er zijn speciale operationele versterkers die alleen als repeaters zijn ontworpen, ze hebben verbeterde eigenschappen (voornamelijk hogere snelheid), een voorbeeld van een dergelijke operationele versterker is het LM310- of OPA633-circuit, evenals vereenvoudigde circuits zoals het TL068-circuit (verkrijgbaar in transistor pakket met drie terminals).

Een versterker met eenheidsversterking wordt ook wel een buffer genoemd, omdat deze isolerende eigenschappen heeft (hoge ingangsimpedantie en lage uitgang).

Basiswaarschuwingen bij het werken met op-amps

1. De regels gelden voor elke operationele versterker, op voorwaarde dat deze ingebouwd is actieve modus, d.w.z. de in- en uitgangen worden niet overbelast.

Bijvoorbeeld als u te veel stroom op de versterkeringang zet groot signaal, dan zal dit ertoe leiden dat het uitgangssignaal wordt afgekapt nabij het niveau UКК of UЭЭ. Terwijl de uitgangsspanning vastligt op het uitschakelspanningsniveau, kan de spanning aan de ingangen alleen maar veranderen. De uitgangsspanningszwaai van de opamp kan niet groter zijn dan het voedingsspanningsbereik (doorgaans 2 V minder dan het voedingsspanningsbereik, hoewel bij sommige opamps de uitgangsspanningszwaai beperkt is tot de ene of de andere voedingsspanning). Een soortgelijke beperking wordt opgelegd aan het uitgangsstabiliteitsbereik van de op een operationele versterker gebaseerde stroombron. In een stroombron met een zwevende belasting is de maximale spanningsval over de belasting in de “normale” richting van de stroom (de richting van de stroom valt samen met de richting van de aangelegde spanning) bijvoorbeeld UКК - Uin, en wanneer omgekeerde richting stroom (de belasting kan in dit geval nogal vreemd zijn, het kan bijvoorbeeld omgekeerde batterijen bevatten om een ​​directe laadstroom te verkrijgen, of het kan inductief zijn en werken met stromen die van richting veranderen) -Uin - UEE.

2. Feedback moet negatief zijn. Dit betekent (onder andere) dat inverterende en niet-inverterende inputs niet met elkaar mogen worden verward.

3. Het op-amp-circuit moet een DC-feedbackcircuit hebben, anders raakt de op-amp zeker in verzadiging.

4. Veel opamps hebben een vrij lage maximale differentiële ingangsspanning. Het maximale spanningsverschil tussen de inverterende en niet-inverterende ingangen kan worden beperkt tot 5 V voor beide spanningspolariteiten. Als deze voorwaarde wordt verwaarloosd, zullen er grote ingangsstromen ontstaan, wat zal leiden tot verslechtering van de prestaties of zelfs vernietiging van de operationele versterker.

Het concept van “feedback” (FE) is een van de meest voorkomende; het is al lang buiten het beperkte gebied van de technologie en wordt nu gebruikt in brede zin. In besturingssystemen wordt feedback gebruikt om het uitgangssignaal mee te vergelijken gegeven waarde en het maken van de juiste aanpassingen. Alles kan als een “systeem” fungeren, bijvoorbeeld het proces van het besturen van een auto die over de weg rijdt - de uitvoergegevens (de positie van de auto en zijn snelheid) worden gecontroleerd door de bestuurder, die ze vergelijkt met de verwachte waarden ​en past de invoergegevens dienovereenkomstig aan (met behulp van het stuur, de snelheidsschakelaar, de remmen). In een versterkerschakeling moet het uitgangssignaal een veelvoud zijn van het ingangssignaal, dus in een terugkoppelversterker wordt het ingangssignaal vergeleken met een bepaald deel van het uitgangssignaal.

Alles over feedback

Negatieve feedback is het proces waarbij het uitgangssignaal terug naar de ingang wordt verzonden, waarbij een deel van het ingangssignaal wordt gedoofd. Dit lijkt misschien een stom idee dat alleen maar tot een afname van de winst zal leiden. Dit is precies de feedback die Harold S. Black kreeg, die in 1928 probeerde negatieve feedback te patenteren. “Ons isolement werd op dezelfde manier behandeld als eeuwigdurende bewegingsmachine"(IEEE Spectrum Magazine december 1977). Negatieve feedback vermindert inderdaad de versterking, maar verbetert tegelijkertijd andere parameters van het circuit, elimineert bijvoorbeeld vervorming en niet-lineariteit, verzacht frequentierespons(brengt het in overeenstemming met de gewenste karakteristiek), maakt het gedrag van de schakeling voorspelbaar. Hoe dieper de negatieve feedback, hoe minder uiterlijke kenmerken versterkers zijn afhankelijk van de kenmerken van de open-loop (geen feedback) versterker, en uiteindelijk blijkt dat ze alleen afhankelijk zijn van de eigenschappen van het feedbackcircuit zelf. Op-amps worden doorgaans gebruikt in de diepe feedbackmodus, en de spanningsversterking in de open lus (zonder feedback) bereikt in deze circuits miljoenen.

Het feedbackcircuit kan frequentieafhankelijk zijn, waarna de versterking op een bepaalde manier afhankelijk is van de frequentie (een voorbeeld zou een voorversterker zijn audiofrequenties in een speler met RIAA-standaard); als het feedbackcircuit amplitude-afhankelijk is, dan is de versterker dat ook niet-lineaire karakteristiek(een bekend voorbeeld van een dergelijk schema is logaritmische versterker, waarin de logaritmische afhankelijkheid van de spanning UBE van de stroom IK in de diode of transistor wordt gebruikt in het OS-circuit). Feedback kan worden gebruikt om een ​​stroombron (uitgangsimpedantie dichtbij oneindig) of een spanningsbron (uitgangsimpedantie dichtbij nul) te creëren, en kan een zeer hoge of zeer lage ingangsimpedantie produceren. Over het algemeen wordt de parameter waarvoor feedback wordt geïntroduceerd met behulp hiervan verbeterd. Als we bijvoorbeeld een signaal gebruiken dat evenredig is aan de uitgangsstroom voor feedback, krijgen we goede bron huidig

Feedback kan positief zijn; het wordt bijvoorbeeld gebruikt in generatoren. Vreemd genoeg is het niet zo nuttig als een negatief besturingssysteem. Het wordt eerder geassocieerd met problemen, omdat het zich in een circuit bevindt met een negatief besturingssysteem ingeschakeld hoge frequentie Er kunnen behoorlijk grote faseverschuivingen optreden, wat leidt tot positieve feedback en ongewenste zelf-oscillaties. Om deze verschijnselen te laten optreden, is het niet nodig om toe te passen grote inspanning, maar om ongewenste zelf-oscillaties te voorkomen nemen ze hun toevlucht tot correctiemethoden.

Operationele versterkers

In de meeste gevallen hebben we bij het overwegen van feedbackcircuits te maken met operationele versterkers. Een operationele versterker (op-amp) is een DC-differentieelversterker met een zeer hoge versterking en single-ended ingang. Het prototype van een op-amp kan een klassieke differentiële versterker zijn met twee ingangen en een ongebalanceerde uitgang; Er moet echter worden opgemerkt dat echte operationele versterkers aanzienlijk meer hebben hoge kansen versterkingen (meestal in de orde van 105 - 106) en lagere uitgangsimpedanties, en zorgen er ook voor dat het uitgangssignaal kan variëren over bijna het volledige bereik van de voedingsspanning (meestal worden gesplitste voedingen van ±15 V gebruikt).

De symbolen "+" en "-" betekenen niet dat de ene invoer altijd positiever moet zijn dan de andere; deze symbolen geven eenvoudigweg de relatieve fase van het uitgangssignaal aan (dit is belangrijk als het circuit negatieve feedback gebruikt). Om verwarring te voorkomen is het beter om de ingangen "inverterend" en "niet-inverterend" te noemen in plaats van "plus" en "minus" ingangen. Diagrammen tonen vaak niet de aansluiting van voedingen op de op-amp en de pin die bedoeld is voor aarding. Operationele versterkers hebben een enorme spanningsversterking en worden nooit (op zeldzame uitzonderingen na) zonder feedback gebruikt. We kunnen zeggen dat operationele versterkers zijn ontworpen om met feedback te werken. De versterking van het circuit zonder feedback is zo hoog dat in de aanwezigheid van een gesloten feedbacklus de karakteristieken van de versterker alleen afhankelijk zijn van het feedbackcircuit. Uiteraard zou bij meer gedetailleerd onderzoek moeten blijken dat een dergelijke algemene conclusie niet altijd waar is. We beginnen door simpelweg te kijken naar hoe een op-amp werkt, en deze indien nodig in meer detail te bestuderen.

De industrie produceert letterlijk honderden soorten operationele versterkers die dat wel hebben verschillende voordelen voor elkaar. Het is zeer wijdverspreid geworden goed schema type LF411 (of kortweg “411”), op de markt geïntroduceerd door National Semiconductor. Zoals bij alle operationele versterkers is het een klein onderdeeltje miniatuur lichaam met dubbele rij mini-DIP-pinout. Dit schema is goedkoop en gemakkelijk te gebruiken; De industrie produceert een verbeterde versie van dit circuit (LF411A), evenals een element dat is ondergebracht in een miniatuurpakket en twee onafhankelijke operationele versterkers bevat (een circuit zoals LF412, dat ook wel een "dubbele" operationele versterker wordt genoemd). Wij raden het LF411-circuit aan als een goed startpunt voor de ontwikkeling elektronische circuits.

Het circuit van het type 411 is een siliciumchip met 24 transistors (21 bipolaire transistor, 3 veldeffecttransistors, 11 weerstanden en 1 condensator). In afb. Figuur 2 toont de aansluiting op de behuizingsklemmen.

De stip op het deksel van de behuizing en de inkeping aan het uiteinde ervan dienen om het referentiepunt aan te geven bij het nummeren van de pinnen. In de meeste behuizingen van elektronische circuits wordt de pinnummering tegen de klok in uitgevoerd vanaf de zijkant van het behuizingsdeksel. De “nulinstelling” (of “balans”, “aanpassing”) pinnen worden gebruikt om kleine asymmetrieën te elimineren die kunnen optreden in de operationele versterker.

Belangrijke regels

Nu gaan we kennis maken de belangrijkste regels, die het gedrag van een operationele versterker in een feedbacklus bepalen. Ze gelden voor bijna alle levensgevallen.

Ten eerste heeft de opamp zo'n grote spanningsversterking dat een verandering in de spanning tussen de ingangen met een paar fracties van een millivolt ervoor zorgt dat de uitgangsspanning over het volledige bereik verandert. Laten we dus niet naar deze kleine spanning kijken, maar regel I formuleren. :

I. De uitgang van de operationele versterker heeft de neiging ervoor te zorgen dat het spanningsverschil tussen de ingangen nul is.

Ten tweede verbruikt de opamp zeer weinig ingangsstroom (de opamp van het type LF411 verbruikt 0,2 nA; een opamp met ingangen veldeffecttransistors- van de orde van picoamps); Laten we, zonder in diepere details te treden, regel II formuleren:

II. De ingangen van de operationele versterker verbruiken geen stroom.

Hier is een verduidelijking nodig: Regel I betekent niet dat de opamp daadwerkelijk de spanning aan zijn ingangen verandert. Dit is onmogelijk. (Dit zou in strijd zijn met Regel II.) De op-amp "schat" de status van de ingangen en extern circuit Het besturingssysteem brengt de spanning over van de uitgang naar de ingang, zodat het resulterende spanningsverschil tussen de ingangen ontstaat gelijk aan nul(indien mogelijk).

Deze regels bieden voldoende basis voor het overwegen van op-amp-circuits.

Er zit veel in de cursus elektronica belangrijke onderwerpen. Vandaag zullen we proberen operationele versterkers te begrijpen.
Laten we beginnen vanaf het begin. Een operationele versterker is een ‘ding’ waarmee je op alle mogelijke manieren met analoge signalen kunt werken. De eenvoudigste en meest elementaire zijn versterking, verzwakking, optelling, aftrekking en vele andere (bijvoorbeeld differentiatie of logaritme). De overgrote meerderheid van de bewerkingen op operationele versterkers (hierna op-amps genoemd) worden uitgevoerd met behulp van positieve en negatieve feedback.
In dit artikel zullen we een bepaalde “ideale” op-amp beschouwen, omdat ga naar specifiek model heeft geen zin. Met ideaal wordt bedoeld dat de ingangsweerstand naar oneindig zal neigen (daarom zal de ingangsstroom naar nul neigen), en de uitgangsweerstand daarentegen naar nul zal neigen (dit betekent dat de belasting de uitgangsspanning niet mag beïnvloeden ). Bovendien zou elke ideale op-amp signalen van elke frequentie moeten versterken. Welnu, en het allerbelangrijkste: de winst bij afwezigheid van feedback zou ook naar oneindig moeten neigen.

Kom ter zake

Een operationele versterker wordt in schakelschema's vaak gesymboliseerd door een gelijkzijdige driehoek. Aan de linkerkant bevinden zich de ingangen, deze zijn gemarkeerd met "-" en "+", aan de rechterkant is de uitgang. Op elk van de ingangen kan spanning worden toegepast, waarvan er één de polariteit van de spanning verandert (daarom werd dit inverterend genoemd), de andere niet (het is logisch om aan te nemen dat dit niet-inverterend wordt genoemd). De op-amp-voeding is meestal bipolair. Meestal zijn er positieve en negatieve voedingsspanningen dezelfde waarde(maar ander teken!).
In het eenvoudigste geval kunt u spanningsbronnen rechtstreeks op de op-amp-ingangen aansluiten. En dan wordt de uitgangsspanning berekend volgens de formule:
, waar is de spanning aan de niet-inverterende ingang, is de spanning aan de inverterende ingang, is de uitgangsspanning en is de open-lusversterking.
Laten we eens kijken naar de ideale op-amp vanuit het Proteus-oogpunt.


Ik stel voor dat je met hem ‘speelt’. Op de niet-inverterende ingang werd een spanning van 1V aangelegd. Om 3V om te keren. We gebruiken een “ideale” op-amp. We krijgen dus: . Maar hier hebben we een begrenzer, omdat we zullen het signaal niet kunnen versterken boven onze voedingsspanning. We krijgen dus nog steeds -15V aan de uitgang. Resultaat:


Laten we de winst veranderen (dus je gelooft me). Laat de parameter Voltage Gain gelijk worden aan twee. Hetzelfde probleem is duidelijk opgelost.

Real-life toepassing van op-amps met behulp van het voorbeeld van inverterende en niet-inverterende versterkers

Er zijn er twee voornaamst regels:
I. De opamp-uitgang heeft de neiging ervoor te zorgen dat de differentiële spanning (het verschil tussen de spanning aan de inverterende en niet-inverterende ingangen) nul is.
II. De opamp-ingangen verbruiken geen stroom.
De eerste regel wordt geïmplementeerd via feedback. Die. de spanning wordt zodanig van de uitgang naar de ingang overgedragen dat het potentiaalverschil nul wordt.
Dit zijn, om zo te zeggen, de ‘heilige canons’ in het OU-onderwerp.
En nu nog specifieker. Omkerende versterker ziet er precies zo uit (let op hoe de ingangen zich bevinden):


Op basis van de eerste “canon” verkrijgen we de verhouding:
, en na “een beetje magie te hebben gedaan” met de formule, leiden we de waarde af voor de winst van de inverterende op-amp:

De bovenstaande schermafbeelding heeft geen commentaar nodig. Sluit gewoon alles aan en controleer het zelf.

De volgende fase is niet-inverterend versterker.
Ook hier is alles eenvoudig. De spanning wordt rechtstreeks op de niet-inverterende ingang toegepast. Er wordt feedback geleverd aan de inverterende ingang. De spanning aan de inverterende ingang is:
, maar als we de eerste regel toepassen, kunnen we dat zeggen

En nogmaals, ‘grandioze’ kennis op het gebied van de hogere wiskunde stelt ons in staat verder te gaan met de formule:
Ik geef je een uitgebreide schermafbeelding die je kunt controleren als je wilt:

Ten slotte geef ik je er een paar interessante schema's, zodat je niet de indruk krijgt dat op-amps alleen maar spanning kunnen versterken.

Spanningsvolger (bufferversterker). Het werkingsprincipe is hetzelfde als dat van een transistorrepeater. Gebruikt in circuits met zware belasting. Het kan ook worden gebruikt om het probleem van impedantieaanpassing op te lossen als het circuit ongewenste spanningsdelers bevat. Het schema is eenvoudig tot geniaal:

Samenvattende versterker. Het kan worden gebruikt als u meerdere signalen moet optellen (aftrekken). Voor de duidelijkheid is hier een diagram (let opnieuw op de locatie van de ingangen):


Let ook op het feit dat R1 = R2 = R3 = R4 en R5 = R6. Berekeningsformule in in dit geval zal zijn: (bekend, nietwaar?)
We zien dus dat de spanningswaarden die aan de niet-inverterende ingang worden geleverd een plusteken “krijgen”. Op de inverterende - min.

Conclusie

Operationele versterkercircuits zijn zeer divers. In complexere gevallen vindt u mogelijk actieve filtercircuits, ADC- en opslagbemonsteringsapparaten, eindversterkers, stroom-naar-spanning-omzetters en vele andere circuits.

Lijst met bronnen

Een korte lijst met bronnen waarmee u snel kunt wennen aan zowel op-versterkers als elektronica in het algemeen:
Wikipedia
P. Horowitz, W. Hill. "De kunst van het circuitontwerp"
B. Bakker. “Wat een digitale ontwikkelaar moet weten over analoge elektronica”
Collegenota's over elektronica (bij voorkeur die van jezelf)
UPD: Bedankt UFO voor de uitnodiging

Er is aangetoond dat bij gebruik van een operationele versterker in diverse schema's bij het inschakelen hangt de versterking van de cascade op één operationele versterker (op-amp) alleen af ​​van de diepte van de feedback. Daarom wordt in formules voor het bepalen van de versterking van een specifiek circuit niet de versterking van de, om zo te zeggen, "kale" op-amp zelf gebruikt. Dat wil zeggen, precies de enorme coëfficiënt die in naslagwerken wordt aangegeven.

Dan is het heel toepasselijk om de vraag te stellen: “Als het eindresultaat (gain) niet afhangt van deze enorme ‘referentiecoëfficiënt’, wat is dan het verschil tussen een op-amp met een gain van enkele duizenden keren, en met de dezelfde op-amp, maar met een winst van enkele honderdduizenden en zelfs miljoenen?

Het antwoord is vrij eenvoudig. In beide gevallen zal het resultaat hetzelfde zijn, de versterking van de cascade wordt bepaald door de OOS-elementen, maar in het tweede geval (op-amp met hoge versterking) werkt het circuit stabieler en nauwkeuriger, de prestaties van dergelijke circuits is veel hoger. Niet voor niets worden op-amps onderverdeeld in op-amps algemeen gebruik en hoge precisie, precisie.

Zoals al gezegd kregen de versterkers in kwestie hun naam “operationeel” in die verre tijd toen ze vooral werden gebruikt voor het uitvoeren van wiskundige bewerkingen analoog computers(AVM). Dit waren de bewerkingen van optellen, aftrekken, vermenigvuldigen, delen, kwadrateren en vele andere functies.

Deze antediluviaanse op-versterkers werden uitgevoerd vacuüm buizen, later discrete transistors en andere radiocomponenten. Uiteraard waren de afmetingen van zelfs transistor-op-versterkers groot genoeg om in amateurontwerpen te worden gebruikt.

En pas nadat, dankzij de prestaties van de geïntegreerde elektronica, op-amps de grootte kregen van een gewone transistor met laag vermogen, werd het gebruik van deze onderdelen in huishoudelijke apparatuur En amateur-schema's gerechtvaardigd werd.

Trouwens, moderne op-versterkers zijn zelfs behoorlijk hoge kwaliteit, tegen een prijs die niet veel hoger is dan twee of drie transistors. Deze verklaring is van toepassing op opamps voor algemeen gebruik. Precisieversterkers kosten misschien iets meer.

Wat betreft op-amp-circuits is het de moeite waard om meteen op te merken dat ze allemaal zijn ontworpen om te worden gevoed door een bipolaire voeding. Deze modus is het meest "bekend" voor op-versterkers, waardoor je niet alleen signalen kunt versterken AC-spanning bijvoorbeeld een sinusgolf, maar ook gelijkstroomsignalen of gewoon spanning.

En toch worden op-amp-circuits vaak gevoed vanuit een unipolaire bron. Toegegeven, in dit geval is het niet mogelijk om te versterken constante spanning. Maar het komt vaak voor dat dit simpelweg niet nodig is. Circuits met enkelpolige voeding zullen later worden besproken, maar laten we nu verder gaan over circuits voor het inschakelen van op-amps met dubbelpolaire voeding.

De voedingsspanning van de meeste opamps ligt meestal binnen ±15V. Maar dit betekent helemaal niet dat deze spanning niet iets lager kan worden gemaakt (hoger wordt niet aanbevolen). Veel op-amps werken zeer stabiel vanaf ±3V, en sommige modellen zelfs ±1,5V. Deze mogelijkheid is aangegeven in technische documentatie(Gegevensblad).

Spanningsversterker

Het is het eenvoudigste op-amp-apparaat wat betreft circuitontwerp; het circuit wordt getoond in figuur 1.

Figuur 1. Spanningsvolgcircuit van de operationele versterker

Het is gemakkelijk in te zien dat er voor het maken van zo'n circuit geen enkel onderdeel nodig was, behalve de op-amp zelf. Toegegeven, de figuur toont niet de stroomaansluiting, maar dergelijke diagrammen worden altijd gevonden. Het enige wat ik zou willen opmerken is dat tussen de voedingspinnen van de op-amp (voor de KR140UD708 op-amp zijn dit bijvoorbeeld pin 7 en 4) en de gemeenschappelijke draad verbonden moeten worden met een capaciteit van 0,01...0,5 µF.

Hun doel is om de werking van de op-amp stabieler te maken, om zelfexcitatie van het circuit langs de stroomcircuits te elimineren. Condensatoren moeten zo dicht mogelijk bij de stroompinnen van de microschakeling worden aangesloten. Soms is één condensator aangesloten per groep van meerdere microcircuits. Dezelfde condensatoren zijn te zien op borden met digitale chips, hun doel is hetzelfde.

De repeaterversterking is gelijk aan eenheid, of, om het anders te zeggen: er is helemaal geen winst. Waarom hebben we dan zo’n plan nodig? Het is hier heel passend om te onthouden dat dit zo is transistorcircuit- emittervolger, waarvan het hoofddoel het matchen van cascades met verschillende ingangsweerstanden is. Dergelijke cascades (repeaters) worden ook wel buffercascades genoemd.

De ingangsimpedantie van een repeater naar een op-amp wordt berekend als het product van de ingangsimpedantie van de op-amp en zijn versterking. Voor de genoemde UD708 is de ingangsimpedantie bijvoorbeeld ongeveer 0,5 MOhm, de versterking is minimaal 30.000 en misschien meer. Als deze getallen worden vermenigvuldigd, bedraagt ​​de ingangsweerstand 15 GOhm, wat vergelijkbaar is met de weerstand van niet erg hoogwaardige isolatie, zoals papier. Het is onwaarschijnlijk dat een dergelijk hoog resultaat kan worden bereikt met een conventionele emittervolger.

Zodat de beschrijvingen geen twijfel doen rijzen, zullen hieronder afbeeldingen zijn die de werking van alle beschreven circuits in het Multisim-simulatorprogramma tonen. Uiteraard kunnen al deze circuits worden geassembleerd met behulp van ontwikkelingsborden, maar op een beeldscherm kunnen geen slechtere resultaten worden verkregen.

Eigenlijk is het hier zelfs nog iets beter: je hoeft niet ergens op een plank te klimmen om een ​​weerstand of microschakeling te vervangen. Alles is hier zelfs meetinstrumenten, zit in het programma en wordt “bereikt” met de muis of het toetsenbord.

Figuur 2 toont een repeatercircuit gemaakt in het Multisim-programma.

Figuur 2.

Onderzoek naar het circuit is vrij eenvoudig. Naar de repeateringang van functiegenerator er wordt een sinusoïdaal signaal met een frequentie van 1 kHz en een amplitude van 2 V toegepast, zoals weergegeven in figuur 3.

Figuur 3.

Het signaal aan de in- en uitgang van de repeater wordt waargenomen door een oscilloscoop: het ingangssignaal wordt weergegeven door een straal blauw, de uitgangsstraal is rood.

Figuur 4.

Waarom, zo vraagt ​​de oplettende lezer zich misschien af, is het uitgangssignaal (rood) twee keer zo groot als het blauwe ingangssignaal? Alles is heel eenvoudig: met dezelfde gevoeligheid van de oscilloscoopkanalen versmelten beide sinusoïden met dezelfde amplitude en fase tot één en verbergen zich achter elkaar.

Om beide tegelijk te zien, moesten we de gevoeligheid van een van de kanalen, in dit geval de ingang, verlagen. Als gevolg hiervan werd de blauwe sinusoïde precies half zo groot op het scherm en verstopte hij zich niet meer achter de rode. Om een ​​soortgelijk resultaat te bereiken, kunt u echter eenvoudigweg de stralen verschuiven met behulp van de oscilloscoopbediening, waarbij de gevoeligheid van de kanalen hetzelfde blijft.

Beide sinusoïden bevinden zich symmetrisch ten opzichte van de tijdas, wat aangeeft dat de constante component van het signaal nul is. Wat gebeurt er als je een kleine DC-component aan het ingangssignaal toevoegt? Virtuele generator Hiermee kunt u de sinusgolf langs de Y-as verplaatsen. Laten we proberen deze met 500 mV omhoog te verplaatsen.

Figuur 5.

Wat hieruit voortkwam, is weergegeven in figuur 6.

Figuur 6.

Opvallend is dat de ingangs- en uitgangssinusoïden een halve volt omhoog gingen, zonder enige verandering. Dit geeft aan dat de repeater de DC-component van het signaal nauwkeurig heeft verzonden. Maar meestal proberen ze van deze constante component af te komen en deze gelijk te maken aan nul, waardoor het gebruik van circuitelementen zoals tussenliggende ontkoppelcondensatoren wordt vermeden.

De repeater is natuurlijk goed en zelfs mooi: er was geen enkel extra onderdeel nodig (hoewel er repeatercircuits zijn met kleine "additieven"), maar die kregen geen enkele winst. Wat voor versterker is dit dan? Om een ​​versterker te maken, volstaat het om slechts een paar details toe te voegen, hoe u dit moet doen, wordt later beschreven.

Omkerende versterker

Om van een op-amp een inverterende versterker te maken, volstaat het om slechts twee weerstanden toe te voegen. Wat hieruit voortkwam, is weergegeven in figuur 7.

Figuur 7. Omkerend versterkercircuit

De versterking van een dergelijke versterker wordt berekend met behulp van de formule K=-(R2/R1). Het minteken betekent niet dat de versterker slecht bleek te zijn, maar alleen dat het uitgangssignaal in fase tegengesteld zal zijn aan het ingangssignaal. De versterker wordt niet voor niets een inverterende versterker genoemd. Hier zou het passend zijn om de transistor terug te roepen die is aangesloten volgens het circuit met de OE. Ook daar is het uitgangssignaal aan de collector van de transistor uit fase met het aan de basis toegevoerde ingangssignaal.

Dit is waar het de moeite waard is om te onthouden hoeveel moeite je moet doen om een ​​zuivere, onvervormde sinusgolf bij de collector van de transistor te krijgen. Het is noodzakelijk om de bias aan de basis van de transistor dienovereenkomstig te selecteren. Dit is meestal behoorlijk ingewikkeld en hangt van veel parameters af.

Bij gebruik van een op-amp volstaat het eenvoudigweg de weerstand van de weerstanden te berekenen volgens de formule en de opgegeven versterking te verkrijgen. Het blijkt dat het opzetten van een circuit met behulp van een op-amp veel eenvoudiger is dan het opzetten van meerdere transistortrappen. Daarom hoeft u niet bang te zijn dat het schema niet zal werken, het zal niet werken.

Figuur 8.

Alles is hier hetzelfde als in de voorgaande figuren: het ingangssignaal is blauw weergegeven en het signaal na de versterker is rood. Alles komt overeen met de formule K=-(R2/R1). Het uitgangssignaal is uit fase met de ingang (wat overeenkomt met het minteken in de formule) en de amplitude van het uitgangssignaal is precies tweemaal de ingang. Dat geldt ook voor de verhouding (R2/R1)=(20/10)=2. Om de versterking bijvoorbeeld 10 te maken, volstaat het om de weerstand van weerstand R2 te verhogen tot 100 KOhm.

In feite kan het inverterende versterkercircuit iets ingewikkelder zijn; deze optie wordt getoond in figuur 9.

Figuur 9.

Hier is een nieuw onderdeel verschenen: weerstand R3 (integendeel, deze verdween simpelweg uit het vorige circuit). Het doel ervan is om de ingangsstromen van een echte op-amp te compenseren om de temperatuurinstabiliteit van de DC-component aan de uitgang te verminderen. De waarde van deze weerstand wordt gekozen volgens de formule R3=R1*R2/(R1+R2).

Moderne, zeer stabiele op-amps maken het mogelijk dat de niet-inverterende ingang rechtstreeks op de gemeenschappelijke draad wordt aangesloten, zonder weerstand R3. Hoewel de aanwezigheid van dit element niets slechts zal doen, geven ze er op de huidige productieschaal de voorkeur aan om deze weerstand niet te installeren als ze op alles besparen.

Formules voor het berekenen van de inverterende versterker worden weergegeven in figuur 10. Waarom in de figuur? Ja, even voor de duidelijkheid: in een regel tekst zouden ze er niet zo bekend en begrijpelijk uitzien, ze zouden niet zo opvallen.

Figuur 10.

De winstfactor werd eerder genoemd. Het enige dat hier de aandacht verdient, is de ingangs- en uitgangsweerstand van de niet-inverterende versterker. Alles lijkt duidelijk met de ingangsweerstand: deze blijkt gelijk te zijn aan de weerstand van weerstand R1, maar de uitgangsweerstand zal moeten worden berekend met behulp van de formule in Figuur 11.

De letter "K" geeft de referentiecoëfficiënt van de op-amp aan. Bereken hier alstublieft waaraan de uitgangsweerstand gelijk zal zijn. Het resultaat zal een vrij klein getal zijn, zelfs voor een gemiddelde op-amp van het UD7-type met een K” gelijk aan niet meer dan 30.000. In dit geval is dit goed: hoe lager de uitgangsimpedantie van de cascade (dit geldt niet alleen voor op-amp-cascades), des te meer krachtige lading, binnen redelijke grenzen, kan uiteraard op deze cascade worden aangesloten.

Er moet een speciale opmerking worden gemaakt over de eenheid in de noemer van de formule voor het berekenen van de uitgangsweerstand. Laten we aannemen dat de verhouding R2/R1 bijvoorbeeld 100 zal zijn. Dit is precies de verhouding die zal worden verkregen in het geval van een inverterende versterkerversterking van 100. Het blijkt dat als deze eenheid wordt weggegooid, er niet veel zal gebeuren. wijziging. In feite is dit niet helemaal waar.

Laten we aannemen dat de weerstand van weerstand R2 nul is, zoals in het geval van een repeater. Zonder één wordt de gehele noemer nul en zal de uitgangsweerstand even nul zijn. En als deze nul later ergens in de noemer van de formule terechtkomt, hoe kun je hem dan laten delen? Daarom is het simpelweg onmogelijk om van deze ogenschijnlijk onbeduidende eenheid af te komen.

Je kunt niet alles in één artikel schrijven, zelfs niet in een redelijk groot artikel. Daarom zal alles wat niet in het volgende artikel paste, moeten worden behandeld. Er zal een beschrijving zijn van een niet-inverterende versterker, een differentiële versterker en een versterker met enkele voeding. Er zal ook een beschrijving worden gegeven eenvoudige schakelingen om de op-amp te controleren.