Operacijska pojačala su jedna od glavnih komponenti suvremenih analognih elektroničkih uređaja. Zbog jednostavnosti proračuna i izvrsnih parametara, operacijska pojačala su jednostavna za korištenje. Nazivaju se i diferencijalnim pojačalima jer mogu pojačati razliku u ulaznim naponima.
Upotreba operativnih pojačala u audio tehnologiji posebno je popularna za pojačavanje zvuka glazbenih zvučnika.
Oznake na dijagramima
Iz kućišta pojačala obično izlazi pet pinova, od kojih su dva ulaza, jedan je izlaz, a druga dva su snaga.
Princip rada
Dva su pravila koja će vam pomoći da shvatite kako radi operacijsko pojačalo:
- Izlaz operacijskog pojačala teži nultoj razlici napona na ulazima.
- Ulazi pojačala ne troše nikakvu struju.
Prvi ulaz je označen "+", naziva se neinvertirajući. Drugi ulaz je označen sa "-" i smatra se da je invertirajući.
Ulazi pojačala imaju visok otpor koji se naziva impedancija. To omogućuje potrošnju struje od nekoliko nanoampera na ulazima. Na ulazu se procjenjuje veličina napona. Ovisno o ovoj procjeni, pojačalo daje pojačani signal.
Dobitak, koji ponekad doseže milijun, od velike je važnosti. To znači da ako se na ulaz dovede najmanje 1 milivolt, tada će izlazni napon biti jednak naponu napajanja pojačala. Stoga se opamp ne koristi bez povratnih informacija.
Ulazi pojačala rade prema sljedećem principu: ako je napon na neinvertirajućem ulazu veći od napona invertirajućeg ulaza, tada će izlaz biti najveći pozitivni napon. U suprotnoj situaciji, izlaz će biti najveća negativna vrijednost.
Negativni i pozitivni naponi na izlazu op-amp mogući su zbog korištenja podijeljenog bipolarnog napajanja.
Napajanje operacijskog pojačala
Ako uzmete bateriju tipa prsta, ona ima dva pola: pozitivan i negativan. Ako se negativni pol računa kao nulta referentna točka, tada će pozitivni pol pokazati +1,5 V. To se može vidjeti iz spojenog.
Uzmite dva elementa i spojite ih u seriju, dobit ćete sljedeću sliku.
Ako se negativni pol donje baterije uzme kao nulta točka, a napon se izmjeri na pozitivnom polu gornje baterije, tada će uređaj pokazati +10 volti.
Ako srednju točku između baterija uzmemo kao nulu, tada se dobiva bipolarni izvor napona, budući da postoji napon pozitivnog i negativnog polariteta, jednak +5 volti i -5 volti, respektivno.
Postoje jednostavni blok dijagrami podijeljene snage koji se koriste u dizajnu radioamatera.
Krug se napaja iz kućne mreže. Transformator smanjuje struju na 30 volti. Sekundarni namot ima granu u sredini, uz pomoć koje se na izlazu dobiva ispravljeni napon +15 V i -15 V.
Sorte
Postoji nekoliko različitih krugova op-pojačala koje vrijedi detaljno ispitati.
Invertirajuće pojačalo
Ovo je osnovna shema. Značajka ovog sklopa je da opamp karakterizira, osim pojačanja, i promjena faze. Slovo "k" označava parametar pojačanja. Grafikon prikazuje učinak pojačala u ovom krugu.
Plava boja predstavlja ulazni signal, a crvena izlazni signal. Dobitak je u ovom slučaju: k = 2. Amplituda izlaznog signala je 2 puta veća od amplituda ulaznog signala. Izlaz pojačala je obrnut, otuda i naziv. Invertirajuća operacijska pojačala imaju jednostavan sklop:
Ova su op-pojačala postala popularna zbog svog jednostavnog dizajna. Da biste izračunali dobit, koristite formulu:
To pokazuje da pojačanje opamp-a ne ovisi o otporu R3, tako da možete bez njega. Ovdje se koristi za zaštitu.
Neinvertirajuća operativna pojačala
Ovaj sklop je sličan prethodnom, razlika je u tome što signal nije invertiran (obrnut). To znači održavanje faze signala. Grafikon prikazuje pojačani signal.
Dobitak neinvertirajućeg pojačala je također: k = 2. Na ulaz se dovodi signal u obliku sinusoide, samo se njegova amplituda promijenila na izlazu.
Ovaj krug nije ništa manje jednostavan od prethodnog, ima dva otpora. Na ulazu se signal primjenjuje na pozitivni terminal. Da biste izračunali dobit, morate koristiti formulu:
Iz njega se vidi da pojačanje nikada nije manje od jedinice, budući da se signal ne potiskuje.
Shema oduzimanja
Ovaj sklop omogućuje stvaranje razlike između dva signala na ulazu, koja se može pojačati. Grafikon prikazuje princip rada diferencijalnog kruga.
Ovaj krug pojačala naziva se i sklop za oduzimanje.
Ima složeniji dizajn, za razliku od prethodno razmatranih shema. Za izračunavanje izlaznog napona koristite formulu:
Lijeva strana izraza (R3 / R1) definira pojačanje, a desna strana (Ua - Ub) je razlika napona.
Shema zbrajanja
To se zove integrirano pojačalo. To je suprotno od sheme oduzimanja. Njegova posebnost je sposobnost obrade više od dva signala. Svi mikseri zvuka rade na ovom principu.
Ovaj dijagram prikazuje mogućnost zbrajanja nekoliko signala. Za izračunavanje napona primjenjuje se formula:
Integratorski krug
Ako u krug povratne sprege dodate kondenzator, dobit ćete integrator. Ovo je još jedan uređaj koji koristi operativna pojačala.
Integratorski sklop sličan je invertirajućem pojačalu, s dodatkom kapacitivnosti u povratnoj sprezi. To dovodi do ovisnosti rada sustava o frekvenciji ulaznog signala.
Integrator karakterizira zanimljiva značajka prijelaza između signala: prvo se pravokutni signal pretvara u trokutasti signal, a zatim se pretvara u sinusni. Dobitak se izračunava pomoću formule:
U ovoj formuli varijabla ω = 2 π f raste s povećanjem frekvencije, dakle, što je viša frekvencija, to je niže pojačanje. Stoga integrator može djelovati kao aktivni niskopropusni filtar.
Diferencijalni krug
U ovoj shemi situacija je obrnuta. Kapacitivnost je spojena na ulaz, a otpor je spojen u povratnoj vezi.
Sudeći prema nazivu kruga, njegov princip rada leži u razlici. Što je veća brzina promjene signala, to je veća vrijednost pojačanja. Ovaj parametar omogućuje stvaranje aktivnih filtara za visoke frekvencije.
Dobitak za diferencijator izračunava se pomoću formule:
Ovaj izraz je inverzan izrazu integratora. Pojačanje raste u negativnom smjeru s povećanjem frekvencije.
Analogni komparator
Uređaj za usporedbu uspoređuje dvije vrijednosti napona i pretvara signal u nisku ili visoku vrijednost na izlazu, ovisno o stanju napona. Ovaj sustav uključuje digitalnu i analognu elektroniku.
Značajka ovog sustava je nedostatak povratnih informacija u glavnoj verziji. To znači da je otpor petlje vrlo visok.
Na pozitivni ulaz se dovodi signal, a na negativni ulaz se dovodi glavni napon koji se postavlja potenciometrom. Zbog nedostatka povratne sprege, dobitak teži beskonačnosti.
Kada napon na ulazu prijeđe vrijednost glavnog referentnog napona, na izlazu se dobiva najveći napon koji je jednak pozitivnom naponu napajanja. Ako je ulazni napon manji od referentnog, tada će izlazna vrijednost biti negativan napon jednak naponu napajanja.
Postoji značajan nedostatak u krugu analognog komparatora. Kada se vrijednosti napona na dva ulaza približavaju jedna drugoj, izlazni napon se može često mijenjati, što obično dovodi do praznina i kvarova u radu releja. To može dovesti do kvara opreme. Za rješavanje ovog problema koristi se histerezni krug.
Analogni komparator s histerezom
Na slici je prikazana shema djelovanja sheme s, koja je slična prethodnoj shemi. Razlika je u tome što se isključivanje i paljenje ne događa na istom naponu.
Smjer strelica na grafikonu označava smjer kretanja histereze. Pri pregledu grafa s lijeva na desno može se vidjeti da se prijelaz na nižu razinu vrši na naponu Uph, a pomicanjem s desna na lijevo napon na izlazu će dostići najvišu razinu na naponu Upl. .
Ovaj princip rada dovodi do činjenice da se s jednakim vrijednostima ulaznih napona stanje na izlazu ne mijenja, jer promjena zahtijeva značajnu razliku u naponima.
Takav rad kruga dovodi do neke inercije sustava, ali je sigurniji, za razliku od kruga bez histereze. Obično se ovaj princip rada koristi u uređajima za grijanje s termostatom: peći, glačala itd. Na slici je prikazan krug pojačala s histerezom.
Naponi se izračunavaju prema sljedećim odnosima:
Repetitori napona
Operacijska pojačala se često koriste u strujnim krugovima napona. Glavna značajka ovih uređaja je da ne pojačavaju niti prigušuju signal, odnosno pojačanje je u ovom slučaju jednako jedinici. Ova značajka je zbog činjenice da povratna sprega ima nulti otpor.
Takvi sustavi praćenja napona najčešće se koriste kao međuspremnik za povećanje struje opterećenja i rad uređaja. Budući da je ulazna struja blizu nule, a izlazna struja ovisi o vrsti pojačala, odnosno o mogućnosti rasterećenja slabih izvora signala, na primjer, nekih senzora.
Pokazalo se da pri korištenju operacijskog pojačala u različitim sklopnim shemama, pojačanje stupnja na jednom operacijskom pojačalu (op-amp) ovisi samo o dubini povratne sprege. Stoga formule za određivanje pojačanja pojedinog sklopa ne koriste, da tako kažem, pojačanje samog "golog" op-pojačala. Odnosno, upravo taj ogromni koeficijent, koji je naveden u referentnim knjigama.
Tada je sasvim prikladno postaviti pitanje: "Ako konačni rezultat (dobitak) ne ovisi o ovom ogromnom" referentnom "koeficijentu, koja je onda razlika između op-pojačala s pojačanjem od nekoliko tisuća puta i s isto op-amp, ali s dobitkom od nekoliko stotina tisuća, pa čak i milijuna?"
Odgovor je dovoljno jednostavan. U oba slučaja, rezultat će biti isti, pojačanje kaskade će biti određeno OOS elementima, ali u drugom slučaju (op-pojačalo s velikim pojačanjem), sklop radi stabilnije, točnije, brzina takvih sklopova je mnogo veća. Nije uzalud što se op-pojačala dijele na op-pojačala opće uporabe i visokoprecizna, precizna.
Kao što je već spomenuto, naziv "operativni" smatra se pojačalima koja su primljena u to daleko vrijeme, kada su se uglavnom koristila za izvođenje matematičkih operacija u analognim računalima (AVM). To su bile operacije zbrajanja, oduzimanja, množenja, dijeljenja, kvadriranja i mnoge druge funkcije.
Ova pretpotopna op-pojačala napravljena su na elektroničkim cijevima, kasnije na diskretnim tranzistorima i drugim radio komponentama. Naravno, dimenzije čak i tranzistorskih operacijskih pojačala bile su dovoljno velike da se koriste u amaterskim dizajnima.
I tek nakon što su, zahvaljujući dostignućima integrirane elektronike, op-pojačala postala veličine običnog tranzistora male snage, tada je upotreba ovih dijelova u kućnoj opremi i amaterskim krugovima postala opravdana.
Usput, moderna op-pojačala, čak i prilično visoke kvalitete, imaju cijenu nešto više od dva ili tri tranzistora. Ova se izjava odnosi na op-pojačala opće namjene. Precizna pojačala mogu koštati malo više.
Što se tiče sklopova na op-pojačalu, vrijedi odmah napomenuti da su svi dizajnirani da se napajaju iz bipolarnog izvora napajanja. Ovaj način rada je najuobičajeniji za operacijsko pojačalo, dopuštajući pojačavanje ne samo signala izmjeničnog napona, kao što je sinusoid, već i istosmjernih signala ili jednostavno napona.
Pa ipak, vrlo često se napajanje krugova na op-pojačalu vrši iz unipolarnog izvora. Istina, u ovom slučaju nije moguće povećati konstantni napon. Ali često se događa da to jednostavno nije potrebno. Kasnije ćemo govoriti o krugovima s unipolarnim napajanjem, ali za sada ćemo nastaviti s sklopovima za uključivanje op-pojačala s bipolarnim napajanjem.
Napon napajanja većine operativnih pojačala najčešće je unutar ± 15V. Ali to uopće ne znači da se ovaj napon ne može učiniti nešto nižim (veći se ne preporučuje). Mnoga operacijska pojačala rade vrlo stabilno od ± 3 V, a neki modeli čak i od ± 1,5 V. Ova mogućnost je naznačena u tehničkoj dokumentaciji (DataSheet).
Pratilac napona
To je najjednostavniji uređaj na op-pojačalu u strujnom krugu, njegov krug je prikazan na slici 1.
Slika 1. Krug sljedbenika napona na operacijskom pojačalu
Lako je vidjeti da za stvaranje takvog sklopa nije bio potreban niti jedan detalj, osim samog op-pojačala. Istina, slika ne prikazuje priključak za napajanje, ali takav obris krugova nalazi se cijelo vrijeme. Jedino što bih želio napomenuti je da između pinova napajanja op-amp (na primjer, za op-amp KR140UD708, to su pinovi 7 i 4) i zajednička žica treba biti spojena s kapacitetom od 0,01 .. 0,5 mkF.
Njihova je svrha učiniti rad op-ampa stabilnijim, kako bi se riješili samouzbude kruga u krugovima napajanja. Kondenzatori bi trebali biti spojeni što je moguće bliže naponima napajanja mikrosklopa. Ponekad je jedan kondenzator spojen na temelju skupine od nekoliko mikro krugova. Isti kondenzatori se mogu vidjeti na pločama s digitalnim mikro krugovima, njihova namjena je ista.
Dobitak repetitora jednak je jedinici, ili, drugačije rečeno, nema nikakvog dobitka. Zašto je onda potrebna takva shema? Ovdje je sasvim prikladno zapamtiti da postoji tranzistorski krug - sljedbenik emitera, čija je glavna svrha uskladiti kaskade s različitim ulaznim otporima. Takve kaskade (ponavljači) nazivaju se i tampon kaskade.
Ulazna impedancija repetitora na op-pojačalu izračunava se kao umnožak ulazne impedancije op-pojačala i njegovog pojačanja. Primjerice, za spomenuti UD708 ulazna impedancija je cca 0,5 MΩ, pojačanje je najmanje 30.000, a možda i više. Ako se ovi brojevi pomnože, tada je ulazni otpor 15 GΩ, što je usporedivo s otporom ne baš kvalitetne izolacije, na primjer, papira. Tako visok rezultat vjerojatno se neće postići s konvencionalnim sljedbenikom emitera.
Kako opisi ne bi izazivali sumnje, ispod će se nalaziti slike koje prikazuju rad svih opisanih sklopova u programu Multisim simulatora. Naravno, svi ti sklopovi mogu se sastaviti na prototipovima, ali ništa lošije rezultate možete postići ni na ekranu monitora.
Zapravo, ovdje je čak i malo bolje: ne morate se penjati negdje na policu da biste promijenili otpornik ili mikrosklop. Ovdje je sve, pa i mjerni uređaji, u programu, i "dobiva" uz pomoć miša ili tipkovnice.
Na slici 2 prikazan je krug repetitora izrađen u programu Multisim.
Slika 2.
Proučavanje kruga je prilično jednostavno za izvođenje. Sinusoidni signal s frekvencijom od 1KHz i amplitudom od 2V primjenjuje se na ulaz sljedbenika iz funkcijskog generatora, kao što je prikazano na slici 3.
Slika 3.
Signal na ulazu i izlazu repetitora promatra se osciloskopom: ulazni signal se prikazuje kao plavi snop, izlazni snop je crven.
Slika 4.
A zašto je, pitat će se pažljivi čitatelj, izlazni (crveni) signal dvostruko veći od ulaznog plavog? Sve je vrlo jednostavno: s istom osjetljivošću kanala osciloskopa, obje se sinusoide s istom amplitudom i fazom spajaju u jednu, skrivaju se jedna iza druge.
Da bismo vidjeli oba odjednom, morali smo smanjiti osjetljivost jednog od kanala, u ovom slučaju ulaznog. Kao rezultat toga, plavi sinusni val postao je točno upola manji na ekranu i prestao se skrivati iza crvenog. Iako da biste postigli sličan rezultat, možete jednostavno pomicati zrake pomoću kontrola osciloskopa, ostavljajući osjetljivost kanala istom.
Obje sinusoide nalaze se simetrično oko vremenske osi, što znači da je konstantna komponenta signala nula. Što se događa ako ulaznom signalu dodate malu istosmjernu komponentu? Virtualni generator omogućuje vam da pomaknete sinusni val duž osi Y. Pokušajmo ga pomaknuti prema gore za 500mV.
Slika 5.
Što je od toga proizašlo prikazano je na slici 6.
Slika 6.
Primjetno je da su ulazni i izlazni sinusoidi porasli za pola volta, a da se uopće ne mijenjaju. To ukazuje da je repetitor također točno prenio istosmjernu komponentu signala. Ali najčešće se pokušavaju riješiti ove konstantne komponente, učiniti je jednakom nuli, što omogućuje izbjegavanje upotrebe takvih elemenata kruga kao međustupanjskih kondenzatora za razdvajanje.
Repetitor je, naravno, dobar, pa čak i lijep: niti jedan dodatni detalj nije bio potreban (iako postoje sklopovi repetitora s manjim "dodacima"), ali nisu dobili nikakvo pojačanje. Kakvo je onda pojačalo? Da biste dobili pojačalo, dovoljno je dodati samo nekoliko detalja, kako to učiniti bit će opisano dalje.
Invertirajuće pojačalo
Da bi se od op-pojačala napravilo invertirajuće pojačalo, dovoljno je dodati samo dva otpornika. Što je od toga proizašlo prikazano je na slici 7.
Slika 7. Shema invertnog pojačala
Dobitak takvog pojačala izračunava se po formuli K = - (R2 / R1). Znak minus ne znači da se pojačalo pokazalo lošim, već samo da će izlazni signal biti suprotan po fazi od ulaznog. Nije ni čudo što se pojačalo naziva invertiranjem. Ovdje bi bilo prikladno prisjetiti se tranzistora spojenog prema krugu s OE. I tamo je izlazni signal na kolektoru tranzistora u antifazi s ulaznim signalom koji se dovodi na bazu.
Ovdje je vrijedno prisjetiti se koliko će se truda morati uložiti da bi se dobila čista neiskrivljena sinusoida na kolektoru tranzistora. Potrebno je pravilno odabrati pristranost na temelju tranzistora. To je obično prilično teško, ovisno o mnogim parametrima.
Kada koristite op-amp, dovoljno je jednostavno izračunati otpor otpornika prema formuli i dobiti navedeni dobitak. Ispostavilo se da je postavljanje kruga op-pojačala mnogo lakše nego postavljanje više stupnjeva tranzistora. Stoga se ne treba bojati da shema neće raditi, neće raditi.
Slika 8.
Ovdje je sve isto kao i na prethodnim slikama: ulazni signal je prikazan plavom bojom, a crvenom je iza pojačala. Sve odgovara formuli K = - (R2 / R1). Izlazni signal je u antifazi s ulaznim signalom (što odgovara predznaku minus u formuli), a amplituda izlaznog signala je točno dvostruko veća od ulaznog signala. To vrijedi i kada je omjer (R2 / R1) = (20/10) = 2. Da bi dobitak bio, na primjer, 10, dovoljno je povećati otpor otpornika R2 na 100KΩ.
Zapravo, krug invertnog pojačala može biti nešto kompliciraniji, ova opcija je prikazana na slici 9.
Slika 9.
Ovdje se pojavio novi dio - otpornik R3 (dapače, jednostavno je nestao iz prethodnog kruga). Njegova je svrha kompenzirati ulazne struje pravog op-pojačala kako bi se smanjila temperaturna nestabilnost konstantne komponente na izlazu. Vrijednost ovog otpornika odabire se prema formuli R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).
Moderna visoko stabilna op-pojačala omogućuju spajanje neinvertirajućeg ulaza na zajedničku žicu izravno bez otpornika R3. Iako prisutnost ovog elementa neće učiniti ništa loše, ali u sadašnjem opsegu proizvodnje, kada štede na svemu, radije ne instaliraju ovaj otpornik.
Formule za proračun invertnog pojačala prikazane su na slici 10. Zašto na slici? Da, samo radi jasnoće, u retku teksta ne bi izgledali tako poznato i razumljivo, ne bi bili toliko uočljivi.
Slika 10.
Dobitak je spomenut ranije. Ovdje su vrijedni pažnje samo ulazni i izlazni otpori neinvertirajućeg pojačala. Čini se da je s ulaznim otporom sve jasno: ispada da je jednak otporu otpornika R1, ali izlazni otpor morat će se izračunati pomoću formule prikazane na slici 11.
Slovo K ”označava referentni koeficijent DT-a. Ovdje, molim vas, izračunajte kolika će biti izlazna impedancija. Pokazat će se da je to prilično mala brojka, čak i za prosječni OA tipa UD7 s njegovim K "jednakim ne više od 30.000, naravno, unutar granica, možete se povezati s ovom kaskadom.
Posebnu napomenu treba napraviti o jedinici u nazivniku formule za izračun izlaznog otpora. Pretpostavimo da će omjer R2 / R1 biti, na primjer, 100. To je omjer koji će se dobiti u slučaju pojačanja invertnog pojačala 100. Ispada da ako se ova jedinica odbaci, onda se ništa bitno neće promijeniti . Zapravo to nije istina.
Pretpostavimo da je otpor otpornika R2 jednak nuli, kao što je slučaj s repetitorom. Tada se, bez jedinice, cijeli nazivnik pretvara u nulu, a izlazni otpor bit će ista nula. A ako se onda ispostavi da je ova nula negdje u nazivniku formule, kako naređujete dijeljenje s njom? Stoga je jednostavno nemoguće riješiti se ove naizgled beznačajne jedinice.
U jednom članku, čak i prilično velikom, ne možete sve napisati. Stoga ćete morati sve ono što se ne uklapa u sljedeći članak. Bit će opisani neinvertirajuće pojačalo, diferencijalno pojačalo, pojačalo s unipolarnim napajanjem. Također će biti opisani jednostavni sklopovi za testiranje op-pojačala.
Otvorila je seriju članaka o građevnim elementima moderne analogne elektronike – operativnim pojačalima. Dana je definicija op-pojačala i neki parametri, a data je i klasifikacija operacijskih pojačala. Ovaj članak će otkriti takav koncept kao idealno operacijsko pojačalo, a bit će dati i osnovni sklopovi za uključivanje operacijskog pojačala.
Idealno operacijsko pojačalo i njegova svojstva
Budući da naš svijet nije idealan, ne postoje idealna operacijska pojačala. Međutim, parametri modernih op-pojačala su na prilično visokoj razini, pa analiza sklopova s idealnim op-pojačalima daje rezultate koji su vrlo bliski pravim pojačalima.
Da bismo razumjeli kako sklopovi op-pojačala rade, napravljene su brojne pretpostavke koje vode stvarna op-pojačala do idealnih pojačala. Postoji samo pet takvih pretpostavki:
- Pretpostavlja se da je struja koja teče kroz ulaze op-pojačala nula.
- Pretpostavlja se da je faktor pojačanja op-pojačala beskonačno velik, odnosno izlazni napon pojačala može doseći bilo koju vrijednost, ali u stvarnosti je ograničen naponom napajanja.
- Razlika napona između ulaza idealnog op-pojačala je nula, odnosno, ako je jedan od terminala spojen na masu, onda drugi terminal ima isti potencijal. Također slijedi da je ulazna impedancija idealnog pojačala beskonačna.
- Izlazna impedancija idealnog operacijskog pojačala je nula.
- Frekvencijski odziv idealnog operacijskog pojačala je ravan, odnosno pojačanje je neovisno o frekvenciji ulaznog signala.
Blizina parametara stvarnog operacijskog pojačala idealnom određuje točnost s kojom dano operacijsko pojačalo može raditi, kao i saznati vrijednost određenog operacijskog pojačala, te brzo i ispravno napraviti izbor odgovarajućeg op-pojačala. -amp.
Na temelju gore navedenih pretpostavki postaje moguće analizirati i izvesti odnose za glavne sklopne sklopove operacijskog pojačala.
Osnovni sklopovi za uključivanje operacijskog pojačala
Kao što je spomenuto u prethodnom članku, operacijska pojačala rade samo s povratnom spregom, čija vrsta određuje hoće li operacijsko pojačalo raditi u linearnom ili u načinu zasićenja. Povratna informacija s izlaza op-pojačala na njegov invertirajući ulaz obično dovodi do rada op-pojačala u linearnom načinu rada, a povratna informacija s izlaza op-pojačala na njegov neinvertirajući ulaz ili rad u otvorenoj petlji vodi do zasićenja pojačala.
Neinvertirajuće pojačalo
Neinvertirajuće pojačalo karakterizirano je time da ulazni signal ide na neinvertirajući ulaz operacijskog pojačala. Ovaj dijagram povezivanja prikazan je u nastavku.
Rad ovog kruga objašnjava se kako slijedi, uzimajući u obzir karakteristike idealnog op-pojačala. Signal se dovodi do pojačala s beskonačnom ulaznom impedancijom, a napon na neinvertirajućem ulazu ima istu vrijednost kao i na invertirajućem ulazu. Struja na izlazu operativnog pojačala stvara napon na otporniku R2 jednak ulaznom naponu.
Dakle, glavni parametri ovog kruga opisani su sljedećom relacijom
Stoga je izvedena relacija za pojačanje neinvertirajućeg pojačala
Dakle, možemo zaključiti da na dobit utječu samo ocjene pasivnih komponenti.
Treba napomenuti poseban slučaj, kada je otpornik R2 mnogo veći od R1 (R2 >> R1), tada će dobitak težiti jedinici. U ovom slučaju, neinvertirajući pojačalni krug se pretvara u analogni međuspremnik ili operativni repetitor s jediničnim pojačanjem, vrlo visokom ulaznom impedancijom i praktički nultom izlaznom impedancijom. To osigurava učinkovito razdvajanje ulaza i izlaza.
Invertirajuće pojačalo
Invertirajuće pojačalo karakterizira činjenica da je neinvertirajući ulaz operacijskog pojačala uzemljen (odnosno spojen na zajednički terminal napajanja). U idealnom operacijskom pojačalu, razlika napona između ulaza pojačala je nula. Stoga povratna petlja mora osigurati da napon na invertirajućem ulazu također bude nula. Krug invertnog pojačala prikazan je u nastavku.
Rad kruga objašnjava se kako slijedi. Struja koja teče kroz invertirajući terminal u idealnom op-pojačalu je nula, pa su struje koje teku kroz otpornike R1 i R2 jednake jedna drugoj i suprotne u smjeru, tada će osnovni odnos izgledati kao
Tada će dobit ovog kruga biti jednaka
Znak minus u ovoj formuli označava da je signal na izlazu kruga obrnut u odnosu na ulazni signal.
Integrator
Integrator vam omogućuje implementaciju kruga u kojem je promjena izlaznog napona proporcionalna ulaznom signalu. Shematski dijagram najjednostavnijeg integratora op-amp je prikazan ispod.
Integrator baziran na operacijskom pojačalu.
Ovaj sklop implementira operaciju integracije preko ulaznog signala. Već sam razmatrao sheme za integraciju različitih signala pomoću integratora. Integrator implementira sličnu promjenu u ulaznom signalu, ali ima nekoliko prednosti u odnosu na integracijske lance. Prvo, RC i RL sklopovi značajno prigušuju ulazni signal, a kao drugo, imaju visoku izlaznu impedanciju.
Dakle, glavni projektni omjeri integratora su slični integrirajućim RC i RL krugovima, a izlazni napon će biti
Integratori se široko koriste u mnogim analognim uređajima kao što su aktivni filtri i sustavi automatskog upravljanja.
Diferencijator
Diferencijator je u svom djelovanju suprotan radu integratora, odnosno izlazni signal je proporcionalan brzini promjene ulaznog signala. Dolje je prikazan dijagram najjednostavnijeg diferencijatora.
Diferencijator provodi operaciju diferencijacije na ulaznom signalu i sličan je djelovanju diferencijatora, osim toga ima bolje parametre u odnosu na RC i RL sklopove: praktički ne slabi ulazni signal i ima značajno nižu izlaznu impedanciju. Osnovni konstrukcijski omjeri i odziv na različite impulse slični su onima kod diferencirajućih lanaca.
Izlazni napon će biti
Jedan od sklopova op-amp koji je našao primjenu je logaritamski pretvarač. Ovaj sklop koristi svojstvo ili bipolarni tranzistor. U nastavku je prikazan dijagram najjednostavnijeg logaritamskog pretvarača.
Ovaj sklop se prvenstveno koristi kao kompresor signala za povećanje dinamičkog raspona, kao i za obavljanje matematičkih funkcija.
Razmotrimo princip rada logaritamskog pretvarača. Kao što znate, struja koja teče kroz diodu opisuje se sljedećim izrazom
gdje je I O obrnuta struja diode,
e - broj e, baza prirodnog logaritma, e ≈ 2,72,
q je naboj elektrona,
U je napon na diodi,
k - Boltzmannova konstanta,
T je temperatura u stupnjevima Kelvina.
Prilikom izračunavanja možete uzeti I O ≈ 10-9 A, kT / q = 25 mV. Dakle, ulazna struja ovog kruga će biti
zatim izlazni napon
Najjednostavniji logaritamski pretvarač praktički se ne koristi, jer ima niz ozbiljnih nedostataka:
- Visoka osjetljivost na temperaturu.
- Dioda ne daje dovoljnu točnost pretvorbe, budući da odnos između pada napona i struje diode nije sasvim logaritamski.
Zbog toga se umjesto dioda koriste u diodnoj vezi ili s uzemljenom bazom.
Krug eksponencijalnog pretvarača dobiva se iz logaritamskog pretvarača obrnutim položajem diode i otpornika u krugu. A rad takvog sklopa, kao i logaritamskog pretvarača, temelji se na logaritamskom odnosu između pada napona na diodi i struje koja teče kroz diodu. Krug eksponencijalnog pretvarača prikazan je u nastavku
Rad kruga opisuje se poznatim izrazima
Dakle, izlazni napon će biti
Kao i logaritamski pretvarač, najjednostavniji eksponencijalni pretvarač s diodom na ulazu rijetko se koristi, zbog navedenih razloga, pa se umjesto dioda na ulazu koriste bipolarni tranzistori u diodnoj vezi ili sa zajedničkom bazom.
Pojačala snage. Linearni sklopovi na op-pojačalu.
Operativna pojačala se široko koriste u analognim elektroničkim uređajima. Prikladno je razmotriti funkcije koje implementira OA s OOS-om ako je OA predstavljen u obliku idealnog modela, u kojem:
- Ulazna impedancija operacijskog pojačala jednaka je beskonačnosti, struje ulaznih elektroda jednake su nuli (Rin> ∞, i + = i- = 0).
- Izlazna impedancija operacijskog pojačala je nula, t.j. op-pojačalo na ulaznoj strani je idealan izvor napona (Rout = 0).
- Pojačanje napona (faktor napona diferencijalnog signala) je beskonačno, a diferencijalni signal u načinu pojačanja je nula (nije dopušten kratki spoj pinova op-pojačala).
- U načinu zasićenja izlazni napon je po veličini jednak naponu napajanja, a predznak je određen polaritetom ulaznog napona. Korisno je napomenuti da se ne može uvijek pretpostaviti da je diferencijalni signal jednak nuli u načinu zasićenja.
- Signal zajedničkog načina rada nema utjecaja na operacijsko pojačalo.
- Napon pomaka nule je nula.
Op-amp invertirajuće pojačalo
Krug invertnog pojačala pokriven paralelnim povratnim naponom prikazan je na slikama:
OOS se provodi spajanjem izlaza pojačala na ulaz s otpornikom R2.
Struje se zbrajaju na invertirajućem ulazu op-pojačala. Budući da je ulazna struja op-pojačala i- = 0, tada je i1 = i2. Budući da je i1 = Uin / R1, a i2 = -Uout / R2, onda. Ku = = -R2 / R1. Znak "-" označava da dolazi do inverzije predznaka ulaznog napona.
Na slici (b) otpornik R3 uključen je u neinvertirajući ulazni krug kako bi se smanjio utjecaj ulaznih struja op-amp, čiji se otpor određuje iz izraza:
Ulazna impedancija pojačala na niskim frekvencijama približno je jednaka Rin.os = ≈ R1
Izlazni otpor Rout.os = značajno manji od Rout stvarnog op-pojačala.
Neinvertirajuće op-amp pojačalo
Shema neinvertirajućeg pojačala pokrivenog serijskom povratnom spregom prikazana je na slici:
OOS se provodi pomoću otpornika R1, R2.
Koristeći prethodno prihvaćene pretpostavke za idealni model, dobivamo
Ulazna impedancija: Rin.os → ∞
Izlazna impedancija: Rout.os = → 0
Nedostatak pojačanja je prisutnost zajedničkog signala na ulazima jednakim Uin.
Pratilac napona na op-pojačalu
Sljedbeni krug, dobiven iz neinvertirajućeg kruga pojačala, na R1 → ∞, R2 → 0, prikazan je na slici:
Koeficijent β = 1, Ku.os = K / 1 + K ≈ 1, tj. napon na ulazu i izlazu op-pojačala je jednak: Uin = Uout.
Op-amp zbrajač napona (invertirajući zbrajač)
Krug invertnog pojačala s dodatnim ulaznim krugovima prikazan je na slici:
Uzimajući u obzir da je i + = i- = 0, ioc = - Uout / Roc = Uin1 / R1 + Uin2 / R2 + ... + Uinn / Rn, dobivamo: Uout = -Ros (Uin1 / R1 + Uin2 / R2 + . .. + Uin / Rn)
Ako je Roc = R1 = R2 = ... = Rn, tada je Uout = - (Uin1 + Uin2 + ... + Uin).
Op-pojačalo radi u linearnom načinu rada.
Kako bi se smanjio utjecaj ulaznih struja op-pojačala, otpornik Re (prikazano isprekidanom linijom na slici) uključen je u neinvertirajući ulazni krug s otporom: Re = R1 // R2 //… // Rn // Roc.
Subtraktivno pojačalo na op-pojačalu
Krug pojačala s diferencijalnim ulazom prikazan je na slici:
Pojačalo je kombinacija invertnog i neinvertirajućeg pojačala. U ovom slučaju, izlazni napon se određuje iz izraza:
Uout = Uin2 R3 / (R3 + R4) (1 + R2 / R1) - Uin1 R2 / R1
Uz R1 = R2 = R3 = R4: Uout = Uin2 - Uin1 - t.j. ovisi o razlici između ulaznih signala.
Op-amp integrirajuće pojačalo
Integratorski krug, u kojem je kondenzator ugrađen u povratni krug, prikazan je na slici:
Neka se na ulaz dovede pravokutni impuls Uin. Na intervalu t1 ... t2, amplituda Uin je jednaka U. Budući da je ulazna struja op-pojačala nula, tada je |iin | = | -ic |, iin = Uin / R1, ic = C dUout / dt.
Uin / R1 = C dUout / dt ili 
gdje je Uout (0) napon na izlazu (kondenzator C) do trenutka kada integracija započne (do vremena t1).
τ = R1 C je vremenska konstanta integracije, tj. vrijeme tijekom kojeg će se Uout promijeniti za vrijednost ΔUout = U.
Dakle, izlazni napon u intervalu t1 ... t2 mijenja se linearno i predstavlja integral ulaznog napona. Vremenska konstanta treba biti takva da do kraja integracije Uout< Eпит .
Diferencijalno pojačalo
Zamjenom R1 i C1 u integralu dobivamo sklop diferencijalnog pojačala:
Po analogiji s integrirajućim pojačalom, pišemo:
Ic = C dUin / dt, IR2 = -Uout / R
Jer | Ic | = | -IR2 |, zatim Uout = - CR dUin / dt
τ = CR - konstanta diferencijacije.
Korištenje op-pojačala daleko je od ograničenja na gore navedene sheme.
Aktivni filteri
U elektronici se uređaj naširoko koristi za odvajanje korisnog signala od većeg broja ulaznih signala uz jedno istodobno prigušivanje ometajućih signala korištenjem filtara.
Filteri se dijele na nepasivne temeljene na kondenzatorima, prigušnicama i otpornicima i aktivne na bazi tranzistoria i operacionih pojačala.
U informacijskoj elektronici obično se koriste aktivni filtri. Pojam "aktivan" objašnjava se uključivanjem aktivnog elementa (iz tranzistora ili oppojačala) u RLC krug - aktivnog elementa (iz tranzistora ili oppojačala) za kompenzaciju gubitaka na pasivnim elementima.
Filter je uređaj koji propušta signale u propusnom pojasu i odgađa ih u ostatku frekvencijskog raspona.
Prema vrsti frekvencijskog odziva, filtri se dijele na niskopropusne filtre (LPF) i visokopropusne filtre (HPF), propusne filtre i filtere za urezivanje.
Dijagram najjednostavnijeg niskopropusnog filtra i njegov frekvencijski odziv prikazani su na slici:
U 0 - fc pojasu, korisni signal prolazi kroz niskopropusni filtar bez izobličenja.
Fs - fz - prijelazni pojas,
fz - ∞ - zaustavni pojas,
fs - granična frekvencija,
fs - učestalost kašnjenja.
Visokopropusni filtar propušta visokofrekventne signale i odgađa niskofrekventne signale.
Pojasni filtar propušta signale jednog frekvencijskog pojasa koji se nalazi u nekom unutarnjem dijelu frekvencijske osi.
Filterski krug naziva se Bečki most. Na frekvenciji f0 =
Vinov most ima prijenosni omjer β = 1/3. Za R1 = R2 = R i C1 = C2 = C
Zarezni filtar ne dopušta prolazak signala koji leže u određenom frekvencijskom pojasu i propušta signale s drugim frekvencijama.
Filterski krug naziva se neuravnoteženi dvostruki T-most.
Gdje je R1 = R2 = R3 = R, C1 = C2 = C3 = C.
Kao primjer, razmotrite dvopolni (u smislu broja kondenzatora) aktivni niskopropusni filtar.
Op-pojačalo radi u linearnom načinu rada. Prilikom izračunavanja, fs se postavlja. Pojačanje u pojasu propusnosti mora zadovoljiti uvjet: K0 ≤ 3.
Ako uzmemo C1 = C2 = C, R1 = R2 = R, tada je C = 10 / fc, gdje je fc - u Hz, C - u μF,
Kako bi se postigla brža promjena pojačanja radi udaljavanja od pojasa propusnosti, slični krugovi su uzastopno uključeni.
Zamjenom otpornika R1, R2 i kondenzatora C1, C2 dobivamo visokopropusni filtar.
Selektivna pojačala
Selektivna pojačala omogućuju pojačavanje signala u ograničenom frekvencijskom rasponu, izolirajući korisne signale i prigušujući sve ostale. To se postiže korištenjem posebnih filtara u povratnom krugu pojačala. Krug selektivnog pojačala s dvostrukim T-mostom u krugu negativne povratne sprege prikazan je na slici:
Pojačanje filtra (krivulja 3) smanjuje se s 0 na 1. Frekvencijski odziv pojačala ilustrira krivulja 1. Na kvazirezonantnoj frekvenciji, pojačanje filtra u krugu negativne povratne sprege je nula, Uout je maksimalan. Na frekvencijama lijevo i desno od f0, koeficijent prijenosa filtra teži jedinici i Uout = Uin. Dakle, filtar dodjeljuje širinu pojasa Δf, a pojačalo izvodi operaciju analognog pojačanja.
Harmonijski oscilatori
U sustavima upravljanja koriste se generatori signala raznih vrsta. Harmonički oscilator je uređaj koji stvara izmjenični sinusni napon.
Blok dijagram takvog generatora prikazan je na slici:
Nema ulaznog signala. Uout = K · Uos.
Da bi se pojavile sinusoidne oscilacije, uvjet samopobude mora biti zadovoljen samo za jednu frekvenciju:
K γ = 1 je ravnoteža amplituda,
φ + ψ = 2πn - fazni balans,
gdje je K pojačanje pojačala,
γ je koeficijent prijenosa veze pozitivne povratne sprege,
φ je fazni pomak za pojačalo,
ψ je fazni pomak za povratni krug,
n = 0, 1, ...
Glavni generatori sinusnih signala su filtri, kao što je Bečki most. Generator baziran na op-amp koji sadrži Wien most prikazan je na slici:
Generator generira sinusni signal s frekvencijom.
Na frekvenciji f0, pojačanje filtra je β = 1/3. Pojačalo mora imati pojačanje K ≥ 3, koje postavljaju otpornici R1 i R2. Važan problem je stabilizacija amplitude Uout, koja se osigurava uvođenjem otpornika R3 i Zener dioda VD1 i VD2. Pri niskom Uoutu, napon na VD1 i VD2 je manji od napona stabilizacije i R3 nije šantovana zener diodama. U ovom slučaju, K> 3 i Uout raste. Kada je napon na zener diodama jednak naponu stabilizacije, otvara se jedna ili druga zener dioda i par zener dioda shuntuje otpor R3. Dobitak postaje jednak i napon Uout počinje opadati, pojačanje ponovno postaje više od 3 i Uout će se ponovno smanjivati, ali u suprotnom smjeru. Na taj način zener diode sprječavaju zasićenje.
Kada koristite ovaj generator, preporučljivo je spojiti opterećenje kroz međuspremni stupanj.
Materijal za pripremu za certifikaciju
