Ea a deschis o serie de articole despre elementele de bază ale electronicii analogice moderne - amplificatoare operaționale. S-a dat definiția amplificatoarelor operaționale și a unor parametri și a fost dată și clasificarea amplificatoarelor operaționale. Acest articol va dezvălui un astfel de concept ca un amplificator operațional ideal și vor fi prezentate principalele scheme de pornire a unui amplificator operațional.

Amplificatorul operațional ideal și proprietățile acestuia

Deoarece lumea noastră nu este ideală, nu există amplificatoare operaționale ideale. Cu toate acestea, parametrii amplificatoarelor operaționale moderne sunt la un nivel destul de ridicat, astfel încât analiza circuitelor cu amplificatoare operaționale ideale oferă rezultate foarte apropiate de amplificatoarele reale.

Pentru a înțelege funcționarea circuitelor cu amplificatoare operaționale, sunt introduse o serie de ipoteze care aduc amplificatoarele operaționale reale la amplificatoarele ideale. Există doar cinci astfel de ipoteze:

1. Se presupune că curentul care trece prin intrările amplificatorului operațional este zero.
2. Se presupune că câștigul amplificatorului operațional este infinit de mare, adică tensiunea de ieșire a amplificatorului poate atinge orice valoare, dar în realitate este limitată de tensiunea de alimentare.
3. Diferența de tensiune dintre intrările unui amplificator operațional ideal este zero, adică dacă una dintre ieșiri este conectată la masă, atunci a doua ieșire are același potențial. De asemenea, rezultă că impedanța de intrare a unui amplificator ideal este infinită.
4. Impedanța de ieșire a unui amplificator operațional ideal este zero.
5. Răspunsul în frecvență al unui amplificator operațional ideal este plat, adică câștigul este independent de frecvența semnalului de intrare.

Apropierea parametrilor unui amplificator operațional real de ideal determină precizia cu care poate funcționa acest amplificator operațional, precum și aflarea valorii unui anumit amplificator operațional, alegerea rapid și corect a unui amplificator operațional adecvat.

Pe baza ipotezelor de mai sus, devine posibilă analizarea și derivarea relațiilor pentru circuitele principale de comutare ale amplificatorului operațional.

Circuite de bază pentru pornirea unui amplificator operațional

După cum sa menționat în articolul anterior, amplificatoarele operaționale funcționează numai cu feedback, al cărui tip determină dacă amplificatorul operațional funcționează în modul liniar sau în modul de saturație. Feedback-ul de la ieșirea amplificatorului operațional la intrarea sa inversată are ca rezultat, de obicei, o funcționare liniară a amplificatorului operațional, în timp ce feedback-ul de la ieșirea amplificatorului operațional la intrarea sa fără inversare sau la funcționarea în buclă deschisă determină saturarea amplificatorului.

Amplificator non-inversoare

Un amplificator neinversător se caracterizează prin faptul că semnalul de intrare este aplicat intrării neinversoare a amplificatorului operațional. Această schemă de cablare este prezentată mai jos.

Funcționarea acestui circuit este explicată după cum urmează, ținând cont de caracteristicile unui op-amp ideal. Semnalul este alimentat la un amplificator cu impedanță de intrare infinită, iar tensiunea de la intrarea neinversoare este aceeași cu tensiunea de la intrarea de inversare. Curentul de la ieșirea amplificatorului operațional creează o tensiune pe rezistorul R2 egală cu tensiunea de intrare.

Astfel, parametrii principali ai acestei scheme sunt descriși de următoarea relație

De aici, este derivată relația pentru câștigul unui amplificator neinversător

Astfel, putem concluziona că câștigul este afectat doar de evaluările componentelor pasive.

Trebuie remarcat un caz special când rezistorul R2 este mult mai mare decât R1 (R2 >> R1), atunci câștigul va tinde spre unitate. În acest caz, circuitul amplificator non-inversător devine un buffer analog sau un op-follower unitar cu impedanță de intrare foarte mare și impedanță de ieșire practic zero. Acest lucru asigură o decuplare eficientă a intrării și ieșirii.

Amplificator inversor

Un amplificator inversor se caracterizează prin faptul că intrarea neinversoare a amplificatorului operațional este împământat (adică conectată la un pin de alimentare comun). Într-un amplificator operațional ideal, diferența de tensiune dintre intrările amplificatorului este zero. Prin urmare, circuitul de feedback trebuie să se asigure că tensiunea la intrarea inversoare este, de asemenea, egală cu zero. Circuitul amplificatorului inversor este prezentat mai jos.

Funcționarea circuitului este explicată după cum urmează. Curentul care curge prin terminalul inversor într-un amplificator operațional ideal este zero, prin urmare, curenții care circulă prin rezistențele R1 și R2 sunt egali unul cu celălalt și opus în direcție, atunci relația principală va fi

Atunci câștigul acestui circuit va fi egal cu

Semnul minus din această formulă indică faptul că semnalul de la ieșirea circuitului este inversat față de semnalul de intrare.

Integrator

Integratorul vă permite să implementați un circuit în care modificarea tensiunii de ieșire este proporțională cu semnalul de intrare. Diagrama celui mai simplu integrator de amplificator operațional este prezentată mai jos.

Integrator amplificator operațional.

Acest circuit implementează operația de integrare peste semnalul de intrare. Am luat deja în considerare scheme de integrare pentru diferite semnale folosind integratori. Integratorul implementează o modificare similară a semnalului de intrare, dar are o serie de avantaje față de lanțurile de integrare. În primul rând, circuitele RC și RL atenuează semnificativ semnalul de intrare și, în al doilea rând, au o impedanță de ieșire ridicată.

Astfel, principalele relații calculate ale integratorului sunt similare cu circuitele integratoare RC și RL, iar tensiunea de ieșire va fi

Integratorii sunt utilizați pe scară largă în multe dispozitive analogice, cum ar fi filtrele active și sistemele de control automat.

Diferențiator

Diferențiatorul este opusul integratorului, adică semnalul de ieșire este proporțional cu rata de schimbare a semnalului de intrare. Circuitul celui mai simplu diferențiator este prezentat mai jos.

Diferențiatorul implementează operația de diferențiere pe semnalul de intrare și este similar cu acțiunea diferențiatorilor, în plus, are parametri mai buni față de lanțurile RC și RL: practic nu atenuează semnalul de intrare și are o impedanță de ieșire mult mai mică. Principalele rapoarte calculate și răspunsul la diferite impulsuri sunt similare lanțurilor diferențiate.

Tensiunea de ieșire va fi

Un circuit op-amp care și-a găsit uz este convertorul de logaritm. Acest circuit folosește proprietatea sau tranzistorul bipolar. Diagrama celui mai simplu convertor logaritmic este prezentată mai jos.

Acest circuit este utilizat în primul rând ca un compresor de semnal pentru a crește intervalul dinamic, precum și pentru a îndeplini funcții matematice.

Luați în considerare principiul de funcționare al convertorului logaritmic. După cum știți, curentul care curge prin diodă este descris de următoarea expresie

unde I O este curentul invers al diodei,
e este numărul e, baza logaritmului natural, e ≈ 2,72,
q este sarcina electronului,
U este tensiunea pe diodă,
k este constanta Boltzmann,
T este temperatura în grade Kelvin.

Când calculați, puteți lua I O ≈ 10-9 A, kT / q = 25 mV. Astfel, curentul de intrare al acestui circuit va fi

apoi tensiunea de ieșire

Cel mai simplu convertor logaritmic practic nu este utilizat, deoarece are o serie de dezavantaje serioase:

1. Sensibilitate ridicată la temperatură.
2. Dioda nu oferă suficientă precizie de conversie, deoarece relația dintre căderea de tensiune și curentul diodei nu este destul de logaritmică.

Drept urmare, în loc de diode, acestea sunt utilizate în comutarea diodelor sau cu o bază împământă.

Circuitul convertorului exponențial se obține din convertorul logaritmic prin schimbarea locului diodei și rezistenței în circuit. Și funcționarea unui astfel de circuit, precum și a unui convertor logaritmic, se bazează pe relația logaritmică dintre căderea de tensiune pe diodă și curentul care curge prin diodă. Circuitul convertorului exponențial este prezentat mai jos

Funcționarea circuitului este descrisă prin expresii binecunoscute

Deci tensiunea de ieșire va fi

Pe lângă un convertor logaritmic, cel mai simplu convertor exponențial cu o diodă la intrare este rar utilizat, din motivele descrise mai sus, prin urmare, în loc de diodele la intrare, tranzistorii bipolari sunt utilizați într-o conexiune de diodă sau cu o bază comună. .

Articolul va lua în considerare cel standard pe un amplificator operațional, precum și exemple ale diferitelor moduri de funcționare ale acestui dispozitiv. Până în prezent, niciun dispozitiv de control nu este complet fără amplificatoare. Acestea sunt dispozitive cu adevărat universale care vă permit să efectuați diverse funcții cu un semnal. Veți afla mai multe despre cum funcționează și despre ce anume vă permite acest dispozitiv să faceți.

Amplificatoare inversoare

Circuitul amplificatorului inversor de pe amplificatorul operațional este destul de simplu, îl puteți vedea în imagine. Se bazează pe un amplificator operațional (circuitele sale de comutare sunt discutate în acest articol). In plus, aici:

1. Există o cădere de tensiune pe rezistorul R1, în valoarea sa este aceeași cu intrarea.
2. Există și un rezistor R2 - este același cu ieșirea.

În acest caz, raportul dintre tensiunea de ieșire și rezistența R2 este egal ca valoare cu raportul dintre intrare și R1, dar invers cu acesta în semn. Cunoscând valorile rezistenței și tensiunii, puteți calcula câștigul. Pentru a face acest lucru, trebuie să împărțiți tensiunea de ieșire la tensiunea de intrare. În acest caz, amplificatorul operațional (poate avea orice circuit de comutare) poate avea același câștig, indiferent de tip.

Lucru de feedback

Acum trebuie să analizăm un punct cheie mai detaliat - munca de feedback. Să presupunem că există o tensiune la intrare. Pentru simplitatea calculelor, să luăm valoarea sa egală cu 1 V. Să presupunem, de asemenea, că R1=10 kOhm, R2=100 kOhm.

Acum să presupunem că a apărut o situație neprevăzută, din cauza căreia tensiunea la ieșirea cascadei este setată la 0 V. Apoi se observă o imagine interesantă - două rezistențe încep să funcționeze în perechi, împreună creează un divizor de tensiune. La ieșirea etapei inversoare, acesta este menținut la un nivel de 0,91 V. În același timp, amplificatorul operațional vă permite să remediați nepotrivirea la intrări, iar tensiunea scade la ieșire. Prin urmare, este foarte ușor să proiectați un circuit amplificator operațional care implementează funcția unui amplificator de semnal de la un senzor, de exemplu.

Și această schimbare va continua până în momentul în care ieșirea este setată la o valoare stabilă de 10 V. În acest moment potențialele vor fi egale la intrările amplificatorului operațional. Și vor fi aceleași cu potențialul pământului. Pe de altă parte, dacă tensiunea continuă să scadă la ieșirea dispozitivului și este mai mică de -10 V, potențialul la intrare va deveni mai mic decât la sol. Consecința acestui lucru este că tensiunea de ieșire începe să crească.

Un astfel de circuit are un mare dezavantaj - impedanța de intrare este foarte mică, în special pentru amplificatoare cu o valoare mare a câștigului de tensiune, dacă bucla de feedback este închisă. Și designul discutat mai jos este lipsit de toate aceste neajunsuri.

Amplificator non-inversoare

Figura prezintă o diagramă a unui amplificator neinversător bazat pe un amplificator operațional. După ce îl analizăm, putem trage câteva concluzii:

1. Valoarea tensiunii UA este egală cu intrarea.
2. Tensiunea UA este îndepărtată din divizor, care este egală cu raportul dintre produsul tensiunii de ieșire și R1 la suma rezistențelor R1 și R2.
3. În cazul în care UA este egală ca valoare cu tensiunea de intrare, câștigul este egal cu raportul dintre tensiunea de ieșire și tensiunea de intrare (sau puteți adăuga unul la raportul dintre rezistențele R2 și R1).

Acest design se numește amplificator non-inversător, are o impedanță de intrare practic infinită. De exemplu, pentru amplificatoarele operaționale din seria 411, valoarea sa este de 1012 ohmi, minim. Și pentru amplificatoare operaționale pe tranzistoare bipolare cu semiconductor, de regulă, peste 108 ohmi. Dar impedanța de ieșire a cascadei, precum și în circuitul considerat anterior, este foarte mică - fracțiuni de ohm. Și acest lucru trebuie luat în considerare la calcularea circuitelor pe amplificatoare operaționale.

Circuit amplificator AC

Ambele circuite discutate mai devreme în articol lucrează la Dar dacă curentul alternativ acționează ca o conexiune între sursa semnalului de intrare și amplificator, atunci va fi necesar să se asigure împământarea curentului la intrarea dispozitivului. Mai mult, este necesar să se acorde atenție faptului că valoarea curentului este extrem de mică ca mărime.

În cazul în care există o amplificare a semnalelor AC, este necesar să se reducă câștigul semnalului DC la unitate. Acest lucru este valabil mai ales pentru cazurile în care câștigul de tensiune este foarte mare. Datorită acestui fapt, este posibilă reducerea semnificativă a influenței efortului de forfecare, care este adusă la intrarea dispozitivului.

Al doilea exemplu de circuit pentru lucrul cu tensiune alternativă

În acest circuit, la nivelul de -3 dB, puteți vedea corespondența cu frecvența de 17 Hz. Pe el, impedanța condensatorului este la nivelul de doi kilo-ohmi. Prin urmare, condensatorul trebuie să fie suficient de mare.

Pentru a construi un amplificator de curent alternativ, trebuie să utilizați un tip de circuit de amplificator operațional fără inversare. Și ar trebui să aibă un câștig de tensiune suficient de mare. Dar condensatorul poate fi prea mare, așa că cel mai bine este să nu-l mai folosiți. Adevărat, este necesar să se selecteze corect efortul de forfecare, echivalând-o în valoare cu zero. Și puteți folosi un divizor în formă de T și puteți crește valorile rezistenței ambelor rezistențe din circuit.

Ce schemă este mai bine de utilizat

Majoritatea designerilor preferă amplificatoarele non-inversoare deoarece au o impedanță de intrare foarte mare. Și neglijează circuitele de tip inversor. Dar acesta din urmă are un avantaj imens - nu este solicitant cu amplificatorul operațional în sine, care este „inima” sa.

În plus, caracteristicile, de fapt, este mult mai bine. Și cu ajutorul împământării imaginare, toate semnalele pot fi combinate fără prea multe dificultăți și nu vor avea niciun efect unul asupra celuilalt. Poate fi utilizat în design și circuit de amplificator DC pe un amplificator operațional. Totul depinde de nevoi.

Și ultimul lucru este cazul dacă întregul circuit considerat aici este conectat la ieșirea stabilă a unui alt op-amp. În acest caz, valoarea impedanței la intrare nu joacă un rol semnificativ - cel puțin 1 kOhm, cel puțin 10, cel puțin infinit. În acest caz, prima cascadă își îndeplinește întotdeauna funcția în raport cu următoarea.

Circuit repetitor

Adeptul de pe amplificatorul operațional funcționează similar cu emițătorul, construit pe un tranzistor bipolar. Și îndeplinește funcții similare. De fapt, acesta este un amplificator non-inversător, în care rezistența primului rezistor este infinit de mare, iar a doua este zero. În acest caz, câștigul este egal cu unitatea.

Există tipuri speciale de amplificatoare operaționale care sunt utilizate în tehnologie numai pentru circuitele repetoare. Au caracteristici mult mai bune - de regulă, aceasta este o performanță ridicată. Un exemplu sunt astfel de amplificatoare operaționale precum OPA633, LM310, TL068. Acesta din urmă are o carcasă, ca un tranzistor, precum și trei ieșiri. Foarte des, astfel de amplificatoare sunt pur și simplu denumite tampon. Cert este că au proprietățile unui izolator (impedanță de intrare foarte mare și ieșire extrem de scăzută). Aproximativ conform acestui principiu, circuitul amplificatorului de curent este construit pe un amplificator operațional.

Modul activ

De fapt, acesta este un mod de funcționare în care ieșirile și intrările amplificatorului operațional nu sunt supraîncărcate. Dacă la intrarea circuitului este aplicat un semnal foarte mare, atunci la ieșire va începe pur și simplu să se taie în funcție de nivelul de tensiune al colectorului sau al emițătorului. Dar când tensiunea de la ieșire este fixată la nivelul de tăiere, tensiunea de la intrările amplificatorului operațional nu se modifică. În acest caz, domeniul nu poate fi mai mare decât tensiunea de alimentare

Majoritatea circuitelor de amplificare operațională sunt proiectate astfel încât această variație să fie cu 2 V mai mică decât tensiunea de alimentare.Dar totul depinde de ce anume circuit de amplificator operațional este utilizat. Există, de asemenea, o constrângere de stabilitate bazată pe amplificatorul operațional.

Să presupunem că există o cădere de tensiune într-o sursă de sarcină plutitoare. Dacă curentul are o direcție normală de mișcare, puteți întâlni o sarcină care este ciudată la prima vedere. De exemplu, mai multe baterii inversate. Acest design poate fi utilizat pentru a obține un curent de încărcare directă.

Câteva precauții

Un simplu amplificator de tensiune pe un amplificator operațional (orice circuit poate fi ales) poate fi făcut literalmente „pe genunchi”. Dar trebuie să țineți cont de unele caracteristici. Asigurați-vă că feedback-ul din circuit este negativ. Acest lucru sugerează, de asemenea, că este inacceptabil să se confunde intrările non-inversoare și inversoare ale amplificatorului. În plus, trebuie să fie prezentă o buclă de feedback DC. În caz contrar, amplificatorul operațional va intra rapid în saturație.

Majoritatea amplificatoarelor operaționale au o tensiune diferențială de intrare foarte scăzută. În acest caz, diferența maximă dintre intrările neinversoare și inversoare poate fi limitată la 5 V la orice conexiune de alimentare. Dacă această condiție este neglijată, la intrare vor apărea curenți destul de mari, ceea ce va duce la faptul că toate caracteristicile circuitului se vor deteriora.

Cel mai rău lucru despre asta este distrugerea fizică a amplificatorului operațional în sine. Ca urmare, circuitul amplificatorului de pe amplificatorul operațional nu mai funcționează complet.

Ar trebui luat în considerare

Și, desigur, trebuie să vorbiți despre regulile care trebuie urmate pentru a asigura funcționarea stabilă și durabilă a amplificatorului operațional.

Cel mai important, amplificatorul operațional are un câștig de tensiune foarte mare. Și dacă tensiunea se modifică cu o fracțiune de milivolt între intrări, valoarea sa la ieșire se poate schimba semnificativ. Prin urmare, este important de știut: pentru un amplificator operațional, ieșirea încearcă să se străduiască să se asigure că diferența de tensiune dintre intrări este aproape (ideal egală) cu zero.

A doua regulă este că consumul de curent al amplificatorului operațional este extrem de mic, literalmente nanoamperi. Dacă la intrări sunt instalați tranzistori cu efect de câmp, atunci acesta este calculat în picoampși. Din aceasta putem concluziona că intrările nu consumă curent, indiferent de ce amplificator operațional este utilizat, circuitul - principiul de funcționare rămâne același.

Dar să nu credeți că amplificatorul operațional schimbă în mod constant tensiunea la intrări. Din punct de vedere fizic, acest lucru este aproape imposibil de implementat, deoarece nu ar exista nicio corespondență cu a doua regulă. Datorită amplificatorului operațional, se evaluează starea tuturor intrărilor. Cu ajutorul unui circuit de feedback extern, tensiunea este transmisă la intrare de la ieșire. Rezultatul este că diferența de tensiune dintre intrările amplificatorului operațional este la zero.

Conceptul de feedback

Acesta este un concept comun și este deja folosit în sens larg în toate domeniile tehnologiei. În orice sistem de control există un feedback care compară semnalul de ieșire și valoarea setată (referință). În funcție de valoarea curentă, există o ajustare în direcția corectă. Mai mult, sistemul de control poate fi orice, chiar și o mașină care circulă pe șosea.

Șoferul acționează frânele și feedback-ul aici este începutul decelerației. Făcând o analogie cu un exemplu atât de simplu, puteți înțelege mai bine feedback-ul în circuitele electronice. Și feedback-ul negativ este dacă mașina accelerează atunci când pedala de frână este apăsată.

În electronică, feedback-ul este procesul prin care un semnal este transferat de la o ieșire la o intrare. În acest caz, semnalul de la intrare este de asemenea stins. Pe de o parte, aceasta nu este o idee foarte rezonabilă, deoarece poate părea din exterior că câștigul va scădea semnificativ. Astfel de recenzii, apropo, au fost primite de fondatorii dezvoltării feedback-ului în electronică. Dar merită să înțelegeți mai detaliat efectul său asupra amplificatoarelor operaționale - luați în considerare circuitele practice. Și devine clar că într-adevăr reduce puțin câștigul, dar vă permite să îmbunătățiți puțin restul parametrilor:

1. Netezește răspunsurile în frecvență (le aduce la necesar).
2. Vă permite să preziceți comportamentul amplificatorului.
3. Capabil să elimine neliniaritatea și distorsiunea semnalului.

Cu cât feedback-ul este mai profund (vorbim despre feedback negativ), cu atât mai puțin impact au caracteristicile în buclă deschisă asupra amplificatorului. Rezultatul - toți parametrii săi depind numai de ce proprietăți are circuitul.

Merită să acordați atenție faptului că toate amplificatoarele operaționale funcționează într-un mod cu feedback foarte profund. Și câștigul de tensiune (cu bucla deschisă) poate ajunge chiar la câteva milioane. Prin urmare, circuitul amplificator bazat pe un amplificator operațional este extrem de solicitant în ceea ce privește respectarea tuturor parametrilor pentru alimentarea cu energie și nivelul semnalului de intrare.

Amplificatoare de putere. Circuite liniare pe sistemul de operare.

Op-amp este utilizat pe scară largă în dispozitivele electronice analogice. Este convenabil să luăm în considerare funcțiile implementate de CO cu OOS dacă reprezentăm CO ca un model ideal, în care:

1. Rezistența de intrare a amplificatorului operațional este egală cu infinit, curenții electrozilor de intrare sunt egali cu zero (Rin > ∞, i+ = i- = 0).
2. Impedanța de ieșire a amplificatorului operațional este zero, adică amplificatorul operațional de pe partea de intrare este o sursă de tensiune ideală (Rout = 0).
3. Câștigul de tensiune (castigul de tensiune al semnalului diferențial) este infinit, iar semnalul diferențial în modul câștig este zero (nu este permisă scurtcircuitarea pinii amplificatorului operațional).
4. În modul de saturație, tensiunea de ieșire este egală ca mărime cu tensiunea de alimentare, iar semnul este determinat de polaritatea tensiunii de intrare. Este util să se acorde atenție faptului că în modul de saturație semnalul diferențial nu poate fi întotdeauna considerat egal cu zero.
5. Semnalul de mod comun nu acționează asupra amplificatorului operațional.
6. Tensiunea de compensare zero este zero.

Amplificator inversor op-amp

Circuitul unui amplificator inversor acoperit de feedback de tensiune paralel este prezentat în figuri:

OOS este implementat prin conectarea ieșirii amplificatorului la intrare cu rezistența R2.

La intrarea de inversare a amplificatorului operațional, curenții sunt însumați. Deoarece curentul de intrare al amplificatorului operațional i- \u003d 0, atunci i1 \u003d i2. Deoarece i1 = Uin /R1 și i2 = -Uout /R2, atunci . Ku = = -R2/R1. Semnul „-” indică faptul că semnul tensiunii de intrare este inversat.

În figura (b), un rezistor R3 este inclus în circuitul de intrare fără inversare pentru a reduce influența curenților de intrare ai amplificatorului operațional, a cărui rezistență este determinată din expresia:

Impedanța de intrare a amplificatorului la frecvențe joase este de aproximativ Rin.os = ≈ R1

Impedanța de ieșire Rout.os = semnificativ mai mică decât Rout a amplificatorului operațional în sine.

Amplificator op-amp fără inversare

Circuitul unui amplificator neinversător acoperit de un feedback de tensiune în serie este prezentat în figură:

OOS este implementat folosind rezistențele R1, R2.

Folosind ipotezele acceptate anterior pentru modelul ideal, obținem

Impedanța de intrare: Rin.os → ∞

Impedanța de ieșire: Rout.os = → 0

Dezavantajul amplificării este prezența unui semnal de mod comun la intrări, egal cu Uin.

Adept de tensiune a amplificatorului operațional

Circuitul urmăritor obținut din circuitul amplificator neinversător, cu R1 → ∞, R2 → 0, este prezentat în figură:

Coeficientul β = 1, Ku.os = K/1+K ≈ 1, i.e. tensiunea la intrarea și la ieșirea amplificatorului operațional este egală: Uin \u003d Uout .

Adunator de tensiune op-amp (adunator inversor)

Un circuit amplificator inversor cu circuite de intrare suplimentare este prezentat în figură:

Considerând că i+ = i- = 0, ioc = - Uout /Ros = Uin1 /R1 + Uin2 /R2 + ... + Uinn /Rn, obținem: Uout = -Ros (Uin1 /R1 + Uin2 /R2 + .. . + Uin /Rn)

Dacă Ros = R1 = R2 = ... = Rn, atunci Uout = - (Uin1 + Uin2 + ... + Uinn).

Sistemul de operare funcționează în modul liniar.

Pentru a reduce influența curenților de intrare ai amplificatorului operațional, un rezistor Re este inclus în circuitul de intrare care nu inversează (prezentat în linie punctată în figură) cu rezistență: Re = R1//R2//…//Rn //Roc.

Amplificator subtractiv op-amp

Circuitul amplificatorului cu o intrare diferențială este prezentat în figură:

Amplificatorul este o combinație de amplificatoare inversoare și neinversoare. În cazul în cauză, tensiunea de ieșire se determină din expresia:

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

Cu R1 = R2 = R3 = R4: Uout = Uin2 - Uin1 - i.e. depinde de diferența dintre semnalele de intrare.

Amplificator de integrare pe amplificatorul operațional

Circuitul integrator, în care este instalat un condensator în circuitul OOS, este prezentat în figură:

Să fie introdus un impuls dreptunghiular Uin la intrare. La intervalul t1...t2, amplitudinea Uin este egală cu U. Deoarece curentul de intrare al amplificatorului operațional este zero, atunci |iin | = |-ic |, iin = Uin /R1, ic = C dUout /dt.

Uin /R1 = C dUout /dt or

unde Uout (0) este tensiunea la ieșire (condensator C) până la momentul începerii integrării (până la momentul t1).

τ = R1 C este constanta de timp de integrare, i.e. timpul în care Uout se va modifica cu valoarea ΔUout = U.

Astfel, tensiunea de ieșire în intervalul t1...t2 se modifică liniar și reprezintă integrala tensiunii de intrare. Constanta de timp trebuie să fie astfel încât până la sfârșitul integrării Uout< Eпит .

Amplificator diferential

Schimbând R1 și C1 în integrală, obținem un circuit amplificator de diferențiere:

Prin analogie cu amplificatorul de integrare, scriem:

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

pentru că |ic | = |-IR2 |, apoi Uout = - CR dUin /dt

τ = CR este constanta de diferențiere.

Utilizarea amplificatoarelor operaționale este departe de a fi epuizată de schemele de mai sus.

Filtre active

În electronică, un dispozitiv este utilizat pe scară largă pentru a izola un semnal util dintr-un număr de semnale de intrare cu o atenuare simultană a semnalelor de interferență prin utilizarea filtrelor.

Filtrele sunt împărțite în nepasive, realizate pe baza de condensatoare, inductori și rezistențe și active pe baza tranzistoarelor și amplificatoarelor operaționale.

În electronica informațională, filtrele active sunt utilizate în mod obișnuit. Termenul „activ” se explică prin includerea în circuitul RLC - un filtru de element activ (de la un tranzistor sau op-amp) pentru a compensa pierderile pe elementele pasive.

Un filtru este un dispozitiv care transmite semnale în banda de trecere și le întârzie în restul intervalului de frecvență.

După tipul de răspuns în frecvență, filtrele sunt împărțite în filtre low-pass (LPF) și în filtre high-pass (HPF), filtre trece-bandă și filtre notch.

Diagrama celui mai simplu filtru trece-jos și răspunsul său în frecvență sunt prezentate în figură:

În lățimea de bandă 0 - fc, semnalul util trece prin filtrul trece jos fără distorsiuni.

Fc - fz - bandă de tranziție,
fз - ∞ – bandă de oprire,
fс – frecvența de tăiere,
fz este frecvența de întârziere.

HPF transmite semnale de înaltă frecvență și întârzie semnalele de joasă frecvență.

Filtrul trece bandă trece semnalele unei benzi de frecvență situată într-o parte interioară a axei frecvenței.

Circuitul de filtrare se numește puntea lui Wien. La frecvența f0 =

Puntea lui Wien are un factor de transmisie de β = 1/3. Pentru R1 = R2 = R și C1 = C2 = C

Filtrul notch nu trece semnalele aflate într-o anumită bandă de frecvență și transmite semnale cu alte frecvențe.

Circuitul de filtrare se numește punte în T dublă cu un singur capăt.

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

Ca exemplu, luați în considerare un filtru trece-jos activ cu doi poli (în funcție de numărul de condensatori).

Sistemul de operare funcționează în modul liniar. Când se calculează, se dă fc. Câștigul din banda de trecere trebuie să îndeplinească condiția: K0 ≤ 3.

Dacă luăm C1 \u003d C2 \u003d C, R1 \u003d R2 \u003d R, atunci C \u003d 10 / fc, unde fc este în Hz, C este în μF,

Pentru a obține o schimbare mai rapidă a câștigului departe de banda de trecere, astfel de circuite sunt conectate în serie.

Schimbând rezistențele R1, R2 și condensatoarele C1, C2, obținem HPF.

Amplificatoare selective

Amplificatoarele selective vă permit să amplificați semnalele într-un interval de frecvență limitat, evidențiind semnalele utile și atenuând toate celelalte. Acest lucru se realizează prin utilizarea filtrelor speciale în circuitul de feedback al amplificatorului. Schema amplificatorului selectiv cu o punte dublă în formă de T în circuitul de feedback negativ este prezentată în figură:

Câștigul filtrului (curba 3) scade de la 0 la 1. Răspunsul în frecvență al amplificatorului este ilustrat de curba 1. La frecvența cvasi-rezonantă, câștigul filtrului în circuitul de feedback negativ este zero, Uout este maxim. La frecvențele la stânga și la dreapta lui f0, câștigul filtrului tinde spre unitate și Uout = Uin. Astfel, filtrul extrage lățimea de bandă Δf, iar amplificatorul realizează operația de amplificare analogică.

Oscilatoare armonice

În sistemele de control sunt utilizate diverse tipuri de generatoare de semnal. Un generator de armonice este un dispozitiv care creează o tensiune sinusoidală alternativă.

Schema bloc a unui astfel de generator este prezentată în figură:

Nu există semnal de intrare. Uout \u003d K · Uos.

Pentru apariția oscilațiilor sinusoidale, condiția de autoexcitare trebuie îndeplinită pentru o singură frecvență:
K · γ = 1 – echilibrul amplitudinilor,
φ + ψ = 2πn – echilibru de fază,
unde K este câștigul amplificatorului,
γ este coeficientul de transfer al legăturii de feedback pozitiv,
φ - defazare pentru amplificator,
ψ - defazare pentru circuitul de feedback,
n = 0, 1, ...

Principalii generatori de semnale sinusoidale sunt filtrele, cum ar fi podul Wien. Un generator bazat pe amplificator operațional care conține un pod Wien este prezentat în figură:

Generatorul generează un semnal sinusoidal cu o frecvență.

La frecvența f0, câștigul filtrului este β = 1/3. Amplificatorul trebuie să aibă un câștig K ≥ 3, care este setat de rezistențele R1 și R2. O problemă importantă este stabilizarea amplitudinii Uout, care este asigurată prin menținerea rezistenței R3 și a diodelor zener VD1 și VD2. La Uout scăzut, tensiunea de pe VD1 și VD2 este mai mică decât tensiunea de stabilizare și R3 nu este manevrat de diode Zener. În acest caz, K > 3 și Uout crește. Când tensiunea de la diodele Zener este egală cu tensiunea de stabilizare, una sau alta diodă Zener se deschide și o pereche de diode Zener șuntează rezistența R3. Câștigul devine egal și tensiunea Uout începe să scadă, câștigul devine din nou mai mare de 3 și Uout va scădea din nou, dar în sens opus. În acest fel, diodele zener previn saturația.

Când utilizați acest generator, este de dorit să conectați sarcina printr-o etapă tampon.

Amplificatorul non-inversător este probabil unul dintre cele mai elementare trei circuite din electronica analogică, împreună cu amplificatorul inversor și circuitele urmăritoare de tensiune. Este chiar mai simplu decât un amplificator inversor, deoarece circuitul nu necesită o sursă bipolară pentru a funcționa.

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

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

Primul lucru la care trebuie să ne gândim este ce tensiuni sunt prezente la ambele intrări ale amplificatorului nostru operațional. Amintiți-vă prima dintre regulile care descrie funcționarea amplificatorului operațional:

Regula numărul 1 - amplificatorul operațional își afectează ieșirea prin NOS (feedback negativ), în urma căruia tensiunile la ambele intrări, atât inversoare (-) cât și neinversoare (+), sunt egalizate.

Adică, tensiunea la intrarea inversoare este de 3V. În pasul următor, să luăm în considerare o rezistență de 10k. Știm ce tensiune este pe el și rezistența ei, ceea ce înseamnă că din putem calcula ce curent trece prin el:

Eu \u003d U / R \u003d 3V / 10k \u003d 300 μA.

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

Regula #2 - Intrările amplificatorului nu consumă curent

Un curent de 300 µA trece și prin rezistența de 20k. Putem calcula cu ușurință tensiunea pe el folosind legea lui Ohm:

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

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

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

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

În cele din urmă, trebuie să verificăm rezultatul cu ultima regulă:

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

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

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

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

Un amplificator non-inversător (NU) este un amplificator care are un câștig stabil cu diferență de fază zero între semnalele de intrare și de ieșire.

În NU (Fig. 5.3) există un OOS secvenţial în ceea ce priveşte tensiunea. Cu un amplificator operațional ideal ( K d = K oc sf = ¥, R IN= ¥ și R EXIT = 0) R EXIT F\u003d 0 (conexiune negativă și tensiune), R IN. F= ¥ (OOS secvenţial).

, (5.6)

iar conform fig. 5.4,

Înlocuind (5.7) în (5.6), obținem

. (5.8)

Câștigul NU nu depinde de rezistența sursei de semnal R C, deoarece rezistența de intrare a NU este egală cu ¥, iar curentul prin R C nu curge, atunci nu există nicio cădere de tensiune pe această rezistență și . La R 2 = 0, R 1 = ¥ K și F= 1. Aceasta înseamnă că tensiunea de ieșire repetă complet tensiunea de intrare (numai la un nivel de putere mai mare). De aici și numele - urmăritor de tensiune.

Câștigul unitar, impedanța de intrare infinită și ieșirea zero fac adeptul o etapă tampon ideală (transformator de impedanță).

Metoda de echilibrare rezistivă a acestui circuit depinde de circumstanțe. Dacă R C= 0, apoi rezistor de echilibrare R CM este conectat în serie cu intrarea neinversoare (Fig. 5.5).

În același timp, D u EXIT este descris prin expresia (5.5). Rezistență internă diferită de zero, dar cunoscută și fixată RC ar putea fi echilibrat doar de rezistențele OS, cu condiția ca R 1 R 2 /(R 1 +R 2)=R C. Cu toate acestea, în acest caz, câștigul circuitului (5.8) se va modifica și el. Rezistoare mai ușoare R 1 și R 2 selectați în funcție de câștigul necesar și asigurați echilibrarea curentului a circuitului RCM conectat în serie cu intrarea inversoare (Fig. 5.6). Pentru această schemă

. (5.9)

Dacă are o valoare nedefinită și instabilă, atunci este mai bine să utilizați un amplificator operațional cu o etapă de intrare (diferențială) pe tranzistoarele cu efect de câmp.

Sfârșitul lucrării -

Acest subiect aparține:

Dispozitive electronice analogice

Dispozitive electronice analogice. Partea a II-a. Rezumat al prelegerilor pentru studenții specialității „Inginerie radio” a tuturor formelor de învățământ.

Dacă aveți nevoie de material suplimentar pe această temă, sau nu ați găsit ceea ce căutați, vă recomandăm să utilizați căutarea în baza noastră de date de lucrări:

Ce vom face cu materialul primit:

Dacă acest material s-a dovedit a fi util pentru dvs., îl puteți salva pe pagina dvs. de pe rețelele sociale:

Toate subiectele din această secțiune:

Scop, parametri
Comparatoarele sunt cele mai simple convertoare analog-digitale (ADC), adică dispozitive care convertesc un semnal continuu într-unul discret.Sunt concepute pentru a compara semnalul de intrare

Caracteristici ale utilizării comparatoarelor cu semiconductori
Cele mai utilizate comparatoare pot fi împărțite în patru grupe: de uz general (K521CA2, K521CA5), precizie (K521CA3, K597CA3), de mare viteză (K597CA1, K597CA2) și

Comparatoare specializate pe amplificatoare operaționale
Când se compară semnale de joasă frecvență cu precizie ridicată (zeci de microvolți) cu un consum minim de energie, utilizarea comparatoarelor op-amp este adesea mai preferabilă,