La strada dei diecimila li inizia con il primo passo.
(Proverbio cinese)
Era di sera, non c'era niente da fare... E così all'improvviso ho voluto saldare qualcosa. Tale ... Elettronico! .. Per saldare - così per saldare. C'è un computer, Internet è connesso. Scelta di uno schema. E all'improvviso si scopre che gli schemi per il soggetto previsto sono una carrozza e un piccolo carrello. E sono tutti diversi. Nessuna esperienza, poca conoscenza. Quale scegliere? Alcuni di essi contengono una sorta di rettangoli, triangoli. Amplificatori, e anche operativi... Come funzionano non è chiaro. Strano!.. E se si brucia? Scegliamo ciò che è più semplice, utilizzando transistor familiari! Abbiamo scelto, saldato, acceso... AIUTO!!! Non funziona!!! Come mai?
Perché "La semplicità è peggio che rubare"! È come un computer: il gioco più veloce e sofisticato! E per il lavoro d'ufficio, anche il più semplice è sufficiente. Così è con i transistor. Non è sufficiente saldare il circuito su di essi. Devi anche essere in grado di configurarlo. Ci sono troppe insidie e rastrelli. E questo spesso richiede un'esperienza che non è affatto di livello base. E allora, rinunciare a un'attività entusiasmante? Lontano da esso! Non devi aver paura di questi "triangoli-rettangoli". Risulta funzionare con loro, in molti casi, molto più facilmente che con i singoli transistor. SE SAI - COME!
Ecco questo: capire come funziona un amplificatore operazionale (op-amp, o in inglese OpAmp), ce ne occuperemo ora. In questo caso, considereremo il suo lavoro letteralmente "sulle dita", praticamente senza usare alcuna formula, tranne forse la legge di nonno Ohm: "La corrente attraverso la sezione del circuito ( io) è direttamente proporzionale alla tensione ai suoi capi ( tu) ed è inversamente proporzionale alla sua resistenza ( R)»:
io = U / R. (1)
Per cominciare, in linea di principio, non è così importante come sia esattamente disposto l'amplificatore operazionale all'interno. Supponiamo solo che sia una "scatola nera" con una sorta di riempimento lì. In questa fase, non prenderemo in considerazione parametri dell'amplificatore operazionale come "tensione di offset", "tensione di offset", "deriva della temperatura", "caratteristiche di rumore", "rapporto di reiezione di modo comune", "rapporto di soppressione dell'ondulazione della tensione di alimentazione", " larghezza di banda" ecc. Tutti questi parametri saranno importanti nella fase successiva del suo studio, quando i principi di base del suo lavoro "si stabilizzeranno" nella mia testa, perché "era liscio sulla carta, ma si sono dimenticati dei burroni" ...
Per ora, supponiamo che i parametri dell'amplificatore operazionale siano vicini all'ideale e consideriamo solo quale segnale sarà alla sua uscita se alcuni segnali vengono applicati ai suoi ingressi.
Quindi, un amplificatore operazionale (OA) è un amplificatore differenziale CC con due ingressi (invertente e non invertente) e un'uscita. Oltre a loro, l'amplificatore operazionale ha cavi di alimentazione: positivo e negativo. Questi cinque risultati sono disponibili in quasi qualsiasi amplificatore operazionale e sono fondamentalmente necessari per il suo funzionamento.
L'amplificatore operazionale ha un enorme guadagno, almeno 50.000 ... 100.000, ma in realtà - molto di più. Pertanto, in prima approssimazione, si può anche supporre che sia uguale all'infinito.
Il termine "differenziale" ("diverso" è tradotto dall'inglese come "differenza", "differenza", "differenza") significa che il potenziale di uscita dell'amplificatore operazionale è influenzato esclusivamente dalla differenza di potenziale tra i suoi ingressi, Qualunque cosa da loro assoluto valori e polarità.
Il termine "DC" significa che amplifica i segnali di ingresso dell'amplificatore operazionale a partire da 0 Hz. L'intervallo di frequenza superiore (intervallo di frequenza) dei segnali amplificati dall'amplificatore operazionale dipende da molte ragioni, come le caratteristiche di frequenza dei transistor che lo compongono, il guadagno del circuito costruito utilizzando l'amplificatore operazionale, ecc. Ma questo problema è già oltre lo scopo della conoscenza iniziale del suo lavoro e non sarà considerato qui.
Gli ingressi dell'amplificatore operazionale hanno un'impedenza di ingresso molto grande, pari a decine/centinaia di MegaOhm, o addirittura GigaOhm (e solo nel sempre memorabile K140UD1, e anche nel K140UD5 era solo 30...50 kOhm). Un'impedenza così elevata degli ingressi significa che non hanno praticamente alcun effetto sul segnale di ingresso.
Pertanto, con un ampio grado di approssimazione all'ideale teorico, possiamo assumere che attuale non fluisce agli ingressi dell'amplificatore operazionale ... Questo - primo una regola importante che viene applicata quando si analizza il funzionamento di un amplificatore operazionale. Si prega di ricordare bene di cosa si tratta solo UO stesso, ma no schemi con la sua applicazione!
Cosa significano i termini "invertente" e "non invertente"? In relazione a cosa viene definita l'inversione e, in generale, che tipo di "animale" è questo - inversione del segnale?
Tradotto dal latino, uno dei significati della parola "inversio" è "svolta", "colpo di Stato". In altre parole, l'inversione è un'immagine speculare ( rispecchiando) del segnale relativo all'asse X orizzontale(asse del tempo). Nella fig. La figura 1 mostra alcune delle tante possibili varianti di inversione del segnale, dove il segnale diretto (ingresso) è indicato in rosso e il segnale invertito (uscita) è indicato in blu.
Riso. 1 Capire l'inversione del segnale
Va notato in particolare che alla linea zero (come in Fig. 1, A, B), l'inversione del segnale non legato! I segnali possono essere invertiti e asimmetrici. Ad esempio, entrambi sono solo nell'area dei valori positivi (Fig. 1, C), che è tipico per i segnali digitali o con alimentazione unipolare (di cui parleremo più avanti), oppure entrambi sono parzialmente positivi e parzialmente nelle aree negative (Fig. 1, B, E). Sono possibili anche altre opzioni. La condizione principale è il loro reciproco specularità relativo a un livello scelto arbitrariamente (ad esempio, un punto medio artificiale, che verrà discusso ulteriormente). In altre parole, polarità anche il segnale non è un fattore determinante.
Gli amplificatori operazionali sono rappresentati su diagrammi schematici in modi diversi. All'estero, le unità organizzative erano precedentemente raffigurate e ora sono molto spesso raffigurate sotto forma di triangolo isoscele (Fig. 2, A). L'input invertente è un simbolo meno e l'input non invertente è un simbolo più all'interno del triangolo. Questi simboli non significano affatto che agli ingressi corrispondenti il potenziale dovrebbe essere più positivo o più negativo rispetto all'altro. Indicano semplicemente come reagisce il potenziale di uscita ai potenziali applicati agli ingressi. Di conseguenza, possono essere facilmente confusi con le prese di corrente, che possono essere un "rastrello" inaspettato, soprattutto per i principianti.
Riso. 2 Varianti di immagini grafiche condizionali (UGO)
amplificatori operazionali
Nel sistema di immagini grafiche convenzionali domestiche (UGO), prima dell'entrata in vigore di GOST 2.759-82 (ST SEV 3336-81), le unità organizzative erano anche rappresentate sotto forma di triangolo, solo l'input invertito - da un simbolo di inversione - da un cerchio all'intersezione dell'uscita con il triangolo (Fig. 2, B), e ora - sotto forma di rettangolo (Fig. 2, C).
Quando si designa un amplificatore operazionale sui diagrammi, gli ingressi invertenti e non invertenti possono essere scambiati se è più conveniente, tuttavia, tradizionalmente l'ingresso invertente è mostrato in alto e l'ingresso non invertente è mostrato in basso. I pin di alimentazione sono generalmente sempre posizionati in un modo (positivo in alto, negativo in basso).
Gli amplificatori operazionali sono quasi sempre utilizzati nei circuiti a feedback negativo (NF).
Il feedback è l'effetto di alimentare una parte della tensione di uscita dell'amplificatore al suo ingresso, dove viene sommata algebricamente (tenendo conto del segno) alla tensione di ingresso. Il principio della somma dei segnali sarà discusso di seguito. A seconda di quale ingresso dell'amplificatore operazionale, invertente o non invertente, viene alimentato dal feedback, si distingue tra feedback negativo (OOS), quando parte del segnale di uscita viene inviato all'ingresso invertente (Fig. 3, A) o feedback positivo (PIC), quando parte il segnale di uscita è alimentato, rispettivamente, all'ingresso non invertente (Fig. 3, B).
Riso. 3 Principio della formazione del feedback (OS)
Nel primo caso, poiché l'output è inverso all'input, viene sottratto dall'input. Di conseguenza, il guadagno complessivo dello stadio è ridotto. Nel secondo caso, sommato all'ingresso, si aumenta il guadagno complessivo dello stadio.
A prima vista può sembrare che PIC abbia un effetto positivo, e OOS è un'impresa del tutto inutile: perché ridurre il guadagno? Questo è esattamente ciò che pensavano gli esaminatori di brevetti statunitensi quando, nel 1928, Harold S. Black provato brevettare l'OOS. Tuttavia, sacrificando l'amplificazione, miglioriamo significativamente altri parametri importanti del circuito, come la sua linearità, gamma di frequenze, ecc. Più profondo è l'OOS, meno le caratteristiche dell'intero circuito dipendono dalle caratteristiche dell'amplificatore operazionale.
Ma il PIC (tenendo conto della sua enorme amplificazione dell'amplificatore operazionale), ha l'effetto opposto sulle caratteristiche del circuito e la cosa più spiacevole è che provoca la sua autoeccitazione. Ovviamente è anche usato deliberatamente, ad esempio, in generatori, comparatori con isteresi (ne parleremo più avanti), ecc., Ma in generale, il suo effetto sul funzionamento dei circuiti di amplificazione con amplificatori operazionali è piuttosto negativo e richiede un analisi molto attenta e ragionevole la sua applicazione.
Poiché l'OA ha due ingressi, i seguenti tipi principali della sua inclusione sono possibili utilizzando OOS (Fig. 4):
Riso. 4 Schemi di base per l'accensione dell'amplificatore operazionale
un) invertendo (Fig. 4, A) - il segnale viene inviato all'ingresso invertente e quello non invertente è collegato direttamente al potenziale di riferimento (non utilizzato);
B) non invertente (Fig. 4, B) - il segnale viene inviato all'ingresso non invertente e quello invertente è collegato direttamente al potenziale di riferimento (non utilizzato);
v) differenziale (Fig. 4, B) - i segnali vengono applicati a entrambi gli ingressi, invertente e non invertente.
Per analizzare il funzionamento di questi schemi, si dovrebbe prendere in considerazione secondo il più importante la regola, cui è soggetto il lavoro dell'OA: L'uscita dell'amplificatore operazionale tende a garantire che la differenza di tensione tra i suoi ingressi sia zero.
Tuttavia, qualsiasi formulazione dovrebbe essere necessario e sufficiente per vincolare l'intero sottoinsieme di casi obbedienti. La formulazione di cui sopra, nonostante tutta la sua "classicità", non fornisce alcuna informazione su quale degli input l'output "cerca di influenzare". Sulla base di ciò, si scopre che l'amplificatore operazionale sembra equalizzare le tensioni ai suoi ingressi, fornendo loro tensione da qualche parte "dall'interno".
Se osservi attentamente i diagrammi in Fig. 4, si può vedere che OOS (tramite Roos) in tutti i casi viene avviato dall'output solo all'ingresso invertente, il che ci dà motivo di riformulare questa regola come segue: Tensione accesa l'uscita dell'amplificatore operazionale coperta dall'OOS tende a garantire che il potenziale all'ingresso invertente sia uguale al potenziale all'ingresso non invertente.
In base a questa definizione, il “master” per ogni accensione dell'OA con OOS è l'ingresso non invertente, e lo “slave” è quello invertente.
Quando si descrive il funzionamento di un amplificatore operazionale, il potenziale al suo ingresso invertente viene spesso chiamato "zero virtuale" o "punto medio virtuale". La traduzione della parola latina "virtus" significa "immaginario", "immaginario". Un oggetto virtuale si comporta in modo simile al comportamento di oggetti simili della realtà materiale, cioè per i segnali di ingresso (dovuti all'azione dell'OOS), l'ingresso invertente può considerarsi connesso direttamente allo stesso potenziale a cui è l'ingresso non invertente anche connesso. Tuttavia, lo "zero virtuale" è solo un caso speciale, che si verifica solo con un'alimentazione bipolare dell'amplificatore operazionale. Quando si utilizza un alimentatore unipolare (che verrà discusso di seguito) e in molti altri schemi di commutazione, non ci sarà zero sugli ingressi non invertenti o invertenti. Pertanto, siamo d'accordo che non useremo questo termine, poiché interferisce con la comprensione iniziale dei principi del sistema operativo.
Da questo punto di vista, analizzeremo gli schemi mostrati in Fig. 4. In questo caso, per semplificare l'analisi, supporremo che le tensioni di alimentazione siano ancora bipolari, uguali tra loro in grandezza (diciamo ± 15 V), con un punto medio (bus comune o "massa"), relativo a quale misureremo le tensioni di ingresso e di uscita. Inoltre, l'analisi sarà effettuata su una corrente continua, perché un segnale alternato che cambia in ogni momento può anche essere rappresentato come un campione di valori CC. In tutti i casi, il feedback tramite Roos viene portato dall'uscita dell'amplificatore operazionale al suo ingresso invertente. L'unica differenza è quale degli ingressi è alimentato con la tensione di ingresso.
UN) Invertendo accensione (fig. 5).
Riso. 5 Principio di funzionamento dell'amplificatore operazionale nella connessione invertente
Il potenziale all'ingresso non invertente è zero, perché è collegato al punto medio (terra). Un segnale di ingresso pari a +1 V relativo al punto medio (da GB) viene applicato al terminale sinistro del resistore di ingresso Rin. Supponiamo che le resistenze Roos e Rin siano uguali tra loro e ammontino a 1 kOhm (la loro resistenza totale è 2 kOhm).
Secondo la Regola 2, l'ingresso invertente deve avere lo stesso potenziale dell'ingresso neutro non invertente, cioè 0 V. Pertanto, a Rin viene applicata una tensione di +1 V. Secondo la legge di Ohm, una corrente scorrerà attraverso di esso ioin.= 1 V / 1000 Ohm = 0,001 A (1 mA). La direzione del flusso di questa corrente è indicata da una freccia.
Poiché Roos e Rin sono attivati dal divisore e secondo la regola 1, gli ingressi dell'amplificatore operazionale non consumano corrente, quindi affinché la tensione sia 0 V nel punto medio di questo divisore, deve essere applicato al terminale destro di Roos meno 1 V e la corrente che lo attraversa iooos dovrebbe anche essere uguale a 1 mA. In altre parole, viene applicata una tensione di 2 V tra il terminale Rin sinistro e il terminale Roos destro e la corrente che scorre attraverso questo divisore è 1 mA (2 V / (1 kΩ + 1 kΩ) = 1 mA), ad es. io in. = io oos .
Se viene applicata una tensione negativa all'ingresso, l'uscita dell'amplificatore operazionale avrà una tensione positiva. Tutto è uguale, solo le frecce che mostrano il flusso di corrente attraverso Roos e Rin saranno dirette nella direzione opposta.
Pertanto, con valori uguali di Roos e Rin, la tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale sarà uguale alla tensione al suo ingresso in grandezza, ma invertita nella polarità. E abbiamo ottenuto invertendo ripetitore ... Questo circuito viene spesso utilizzato se è necessario invertire il segnale ricevuto utilizzando circuiti che sono, in linea di principio, degli inverter. Ad esempio, amplificatori logaritmici.
Ora, mantenendo il valore di Rin pari a 1 kOhm, aumentiamo la resistenza Roos a 2 kOhm con lo stesso segnale di ingresso +1 V. La resistenza totale del divisore Roos + Rin è aumentata a 3 kOhm. Affinché un potenziale di 0 V rimanga nel suo punto medio (uguale al potenziale dell'ingresso non invertente), la stessa corrente (1 mA) deve fluire attraverso Roos come attraverso Rin. Pertanto, la caduta di tensione su Roos (tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale) dovrebbe già essere di 2 V. All'uscita dell'amplificatore operazionale, la tensione è uguale a meno 2 V.
Aumentiamo il rating Roos a 10 kOhm. Ora la tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale nelle stesse altre condizioni sarà già di 10 V. Finalmente abbiamo invertendo amplificatore
! La sua tensione di uscita è maggiore della tensione di ingresso (in altre parole, il guadagno Ku) tante volte quanto la resistenza Roos è maggiore della resistenza Rin. Per quanto giuro di non usare formule, mostriamolo comunque sotto forma di equazione:
Ku = - Uout / Uin = - Roos / Rin. (2)
Il segno meno davanti alla frazione sul lato destro dell'equazione significa solo che il segnale di uscita è invertito rispetto al segnale di ingresso. E niente di più!
Ora aumentiamo la resistenza Roos a 20 kOhm e analizziamo cosa succede. Secondo la formula (2), con Ku = 20 e un segnale di ingresso di 1 V, l'uscita dovrebbe avere una tensione di 20 V. Ma non c'era! In precedenza abbiamo ipotizzato che la tensione di alimentazione del nostro amplificatore operazionale sia solo ± 15 V. Ma non è possibile ottenere nemmeno 15 V (perché è leggermente inferiore). "Non puoi saltare sopra la tua testa (tensione di alimentazione)!" Come risultato di tale abuso dei valori nominali del circuito, la tensione di uscita dell'amplificatore operazionale "riposa" sulla tensione di alimentazione (l'uscita dell'amplificatore operazionale va in saturazione). Il saldo dell'uguaglianza delle correnti attraverso il divisore RoosRin ( ioin. = iooos) viene violato, all'ingresso invertente compare un potenziale diverso dal potenziale all'ingresso non invertente. La regola 2 cessa di applicarsi.
Ingresso resistenza amplificatore invertente uguale alla resistenza Rin, poiché tutta la corrente dalla sorgente del segnale di ingresso (GB) scorre attraverso di essa.
Sostituiamo ora la costante Roos con una variabile, con un valore nominale, diciamo, di 10 kOhm (Fig. 6).
Riso. 6 Circuito di un amplificatore a guadagno variabile invertente
Con la posizione destra (secondo il diagramma) del suo slider, il guadagno sarà Roos / Rin = 10 kOhm / 1 kOhm = 10. Spostando lo slider Roos verso sinistra (diminuendo la sua resistenza), il guadagno del circuito sarà decrescere e, infine, nella sua posizione estrema a sinistra, diventerà uguale a zero, poiché il numeratore nella formula precedente diventerà zero a qualunque valore del denominatore. Anche l'uscita sarà zero per qualsiasi valore e polarità del segnale di ingresso. Questo è spesso usato nei circuiti di amplificazione audio, come i mixer, dove devi regolare il guadagno da zero.
B) Non invertente accensione (fig. 7).
Riso. 7 Principio di funzionamento dell'amplificatore operazionale in connessione non invertente
Il pin Rin sinistro è collegato al punto medio ("massa") e il segnale di ingresso pari a +1 V viene applicato direttamente all'ingresso non invertente. Poiché le sfumature dell'analisi sono "masticate" sopra, qui presteremo attenzione solo alle differenze significative.
Nella prima fase dell'analisi, prendiamo anche le resistenze Roos e Rin uguali tra loro e pari a 1 kOhm. Perché all'ingresso non invertente il potenziale è +1 V, quindi secondo la Regola 2 lo stesso potenziale (+1 V) deve essere all'ingresso invertente (mostrato in figura). Per fare ciò, deve esserci una tensione di +2 V al terminale destro del resistore di Roos (uscita dell'amplificatore operazionale). ioin. e iooos, pari a 1 mA, scorre ora attraverso le resistenze Roos e Rin nella direzione opposta (indicata dalle frecce). Abbiamo capito non invertente amplificatore con un guadagno di 2 perché un ingresso di +1 V produce un'uscita di +2 V.
Strano, non è vero? Le valutazioni sono le stesse della connessione invertente (l'unica differenza è che il segnale viene inviato a un altro ingresso) e il guadagno è ovvio. Lo scopriremo un po' più tardi.
Ora aumentiamo il valore di Roos a 2 kOhm. Per mantenere l'equilibrio delle correnti ioin. = iooos e il potenziale dell'ingresso invertente è +1 V, l'uscita dell'amplificatore operazionale dovrebbe già essere +3 V. Ku = 3 V / 1 V = 3!
Se confrontiamo i valori di Ku con una connessione non invertente con una invertente, con le stesse valutazioni di Roos e Rin, risulta che il guadagno in tutti i casi è maggiore di uno. Ricaviamo la formula:
Ku = Uout / Uin + 1 = (Roos / Rin) + 1 (3)
Perché sta succedendo? È molto semplice! NF funziona allo stesso modo di una connessione invertente, ma secondo la Regola 2, il potenziale dell'ingresso non invertente è sempre sommato al potenziale dell'ingresso invertente in una connessione non invertente.
Quindi con accensioni non invertenti non si può ottenere un guadagno pari a 1? Perché no, puoi. Diminuiamo la denominazione di Roos, nello stesso modo in cui abbiamo analizzato la Fig. 6. Con il suo valore zero - cortocircuitando l'uscita con l'ingresso invertente (Fig. 8, A), secondo la regola 2, l'uscita avrà una tensione tale che il potenziale dell'ingresso invertente è uguale al potenziale del ingresso non invertente, cioè +1 V. Si ottiene: Ku = 1 V / 1 V = 1 (!) Bene, poiché l'ingresso invertente non consuma corrente e non c'è differenza di potenziale tra esso e l'uscita, in questo circuito non scorre corrente.
Riso. 8 Schema per l'accensione di un amplificatore operazionale come inseguitore di tensione
Rin diventa generalmente superfluo, perché è collegato in parallelo con il carico su cui dovrebbe funzionare l'uscita dell'amplificatore operazionale e la sua corrente di uscita scorrerà attraverso di essa completamente invano. E cosa accadrà se lasci Roos, ma rimuovi Rin (Fig. 8, B)? Quindi, nella formula di amplificazione Ku = Roos / Rin + 1, la resistenza Rin teoricamente diventa vicina all'infinito (in realtà, ovviamente, no, perché ci sono perdite sulla scheda e la corrente di ingresso dell'amplificatore operazionale, sebbene trascurabile, è zero. non è uguale), e il rapporto Roos/Rin è uguale a zero. Nella formula ne rimane solo uno: Ku = + 1. È possibile ottenere un guadagno inferiore a uno per questo circuito? No, less non funzionerà in nessun caso. L'unità "extra" nella formula del guadagno sulla curva non può essere evitata da una capra ...
Dopo aver rimosso tutti i resistori "extra", otteniamo il circuito non invertente ripetitore mostrato in Fig. 8, B.
A prima vista, un tale schema non ha senso pratico: perché abbiamo bisogno di una "amplificazione" singola e persino non inversa - cosa, non puoi semplicemente alimentare ulteriormente il segnale ??? Tuttavia, tali schemi sono usati abbastanza spesso ed ecco perché. Secondo la Regola 1, nessuna corrente scorre agli ingressi dell'amplificatore operazionale, cioè, impedenza di ingresso il ripetitore non invertente è molto grande - quelle decine, centinaia e persino migliaia di megaohm (lo stesso vale per il circuito in Fig. 7)! Ma l'impedenza di uscita è molto piccola (frazioni di Ohm!). L'uscita dell'amplificatore operazionale sbuffa con tutte le sue forze, cercando, secondo la Regola 2, di mantenere lo stesso potenziale all'ingresso invertente come all'ingresso non invertente. L'unica limitazione è la corrente di uscita consentita dell'amplificatore operazionale.
Ma da questo punto ci sposteremo un po 'di lato e considereremo la questione delle correnti di uscita dell'amplificatore operazionale in modo un po' più dettagliato.
Per la maggior parte degli amplificatori operazionali di uso diffuso, i parametri tecnici indicano che la resistenza del carico collegato alla loro uscita non dovrebbe essere meno 2 kΩ. Di più - quanto necessario. Per un numero molto più piccolo, è 1 kOhm (K140UD...). Ciò significa che nelle condizioni peggiori: tensione di alimentazione massima (ad esempio ± 16 V o 32 V totali), un carico collegato tra l'uscita e una delle barre di alimentazione e la tensione di uscita massima di polarità opposta, una tensione di circa 30 Al carico verrà applicato V. la corrente che lo attraversa sarà: 30 V / 2000 Ohm = 0,015 A (15 mA). Non così poco, ma nemmeno così tanto. Fortunatamente, la maggior parte degli amplificatori operazionali per uso generico ha una protezione da sovracorrente integrata, in genere una corrente di uscita massima di 25 mA. La protezione previene il surriscaldamento e il guasto dell'amplificatore operazionale.
Se le tensioni di alimentazione non sono le massime consentite, la resistenza di carico minima può essere ridotta proporzionalmente. Ad esempio, se alimentato da 7,5 ... 8 V (totale 15 ... 16 V), può essere 1 kOhm.
V) Differenziale accensione (Fig. 9).
Riso. 9 Principio di funzionamento dell'amplificatore operazionale in connessione differenziale
Quindi, diciamo che con gli stessi valori di Rin e Roos pari a 1 kOhm, ad entrambi gli ingressi del circuito vengono applicate le stesse tensioni pari a +1 V (Fig. 9, A). Poiché i potenziali su entrambi i lati del resistore Rin sono uguali tra loro (la tensione ai capi del resistore è 0), non scorre corrente attraverso di esso. Ciò significa che anche la corrente attraverso il resistore Roos è uguale a zero. Cioè, questi due resistori non svolgono alcuna funzione. In effetti, abbiamo effettivamente ottenuto un ripetitore non invertente (confronta con la Fig. 8). Di conseguenza, all'uscita otteniamo la stessa tensione dell'ingresso non invertente, cioè +1 V. Cambiare la polarità del segnale di ingresso all'ingresso invertente del circuito (giro GB1) e applicare meno 1 V (Fig. 9, B). Ora viene applicata una tensione di 2 V tra i terminali Rin e una corrente scorre attraverso di essa ioin= 2 mA (spero di descrivere in dettaglio, perché non è più necessario?). Per compensare questa corrente, attraverso Roos deve fluire anche una corrente di 2 mA. E per questo, l'uscita dell'amplificatore operazionale deve avere una tensione di +3 V.
È qui che si è manifestato il "sorriso" malizioso di un ulteriore 1 nella formula per il guadagno di un amplificatore non invertente. Si scopre che con questo semplificato Commutazione differenziale, la differenza di guadagno sposta costantemente il segnale di uscita della quantità di potenziale all'ingresso non invertente. Un problema con! Tuttavia, "Anche se vieni mangiato, hai ancora almeno due opzioni". Ciò significa che in qualche modo abbiamo bisogno di equalizzare i guadagni delle inclusioni invertenti e non invertenti per "neutralizzare" questa unità aggiuntiva.
Per fare ciò, applichiamo il segnale di ingresso all'ingresso non invertente non direttamente, ma attraverso il divisore Rin2, R1 (Fig. 9, B). Accetteremo anche i loro tagli da 1 kΩ ciascuno. Ora all'ingresso non invertente (e quindi anche invertente) dell'amplificatore operazionale ci sarà un potenziale di +0,5 V, una corrente scorrerà attraverso di esso (e Roos) ioin = iooos= 0,5 mA, per cui l'uscita dell'amplificatore operazionale deve avere una tensione pari a 0 V. Abbiamo ottenuto ciò che volevamo! Se i segnali su entrambi gli ingressi del circuito sono uguali in grandezza e polarità (in questo caso, +1 V, ma lo stesso sarà vero per meno 1 V e per qualsiasi altro valore digitale), l'uscita dell'amplificatore operazionale mantenere una tensione nulla pari alla differenza tra i segnali di ingresso...
Verifichiamo questo ragionamento applicando un segnale di polarità negativa meno 1 V all'ingresso invertente (Fig. 9, D). in cui ioin = iooos= 2 mA, per cui l'uscita deve essere +2 V. Tutto confermato! Il livello del segnale di uscita corrisponde alla differenza tra i segnali di ingresso.
Ovviamente, se Rin1 e Roos sono uguali (rispettivamente Rin2 e R1), non otterremo alcun guadagno. Per fare ciò, è necessario aumentare i rating Roos e R1, come è stato fatto nell'analisi delle precedenti accensioni del sistema operativo (non lo ripeterò), e dovrebbe rigorosamente si osserva il rapporto:
Roos / Rin1 = R1 / Rin2. (4)
Quindi, che utilità traiamo in pratica da tale inclusione? E otteniamo una proprietà meravigliosa: la tensione di uscita non dipende dai valori assoluti dei segnali di ingresso, se sono uguali tra loro in grandezza e polarità. In uscita viene ricevuto solo il segnale di differenza (differenziale). Ciò consente di amplificare segnali molto piccoli su uno sfondo di interferenza che agisce allo stesso modo su entrambi gli ingressi. Ad esempio, un segnale da un microfono dinamico sullo sfondo di un pickup di rete a frequenza industriale a 50 Hz.
Tuttavia, sfortunatamente, c'è un unico neo in questo barile di miele. Innanzitutto, l'uguaglianza (4) deve essere osservata molto rigorosamente (fino a decimi e talvolta anche centesimi di punto percentuale!). In caso contrario si avrà uno sbilanciamento delle correnti agenti nel circuito, e quindi, oltre ai segnali di differenza ("antifase"), verranno amplificati anche i segnali combinati ("in fase").
Comprendiamo l'essenza di questi termini (Fig. 10).
Riso. 10 Sfasamento del segnale
La fase del segnale è un valore che caratterizza l'offset dell'origine del periodo del segnale rispetto all'origine del tempo. Poiché sia l'origine del tempo che l'origine del periodo sono selezionate casualmente, la fase di uno periodico segnale non ha significato fisico. Tuttavia, la differenza di fase dei due periodico segnali è una grandezza che ha un significato fisico, riflette il ritardo di uno dei segnali rispetto all'altro. Quello che è considerato l'inizio del periodo non ha importanza. Il punto di inizio del periodo può essere assunto pari a zero con pendenza positiva. Puoi - il massimo. Tutto è in nostro potere.
Nella fig. 9 rosso indica il segnale originale, verde - spostato di ¼ periodo rispetto all'originale e blu - di ½ periodo. Se confrontiamo le curve rossa e blu con le curve di Fig. 2, B, quindi puoi vedere che sono reciprocamente inverse... Pertanto, i "segnali in fase" sono segnali che coincidono tra loro in ogni punto e i "segnali antifase" sono inverso rispetto l'uno all'altro.
Allo stesso tempo, il concetto inversioni più ampio del concetto fase da quest'ultimo si applica solo a segnali periodici che si ripetono regolarmente. E il concetto inversioni applicabile a qualsiasi segnale, anche non periodico, come un segnale sonoro, una sequenza digitale o una tensione costante. a fase fosse un valore consistente, il segnale deve essere periodico almeno per un certo intervallo. Altrimenti, sia la fase che il periodo si trasformano in astrazioni matematiche.
In secondo luogo, gli ingressi invertente e non invertente nella connessione differenziale con rating uguali Roos = R1 e Rin1 = Rin2 avranno resistenze di ingresso diverse. Se la resistenza di ingresso dell'ingresso invertente è determinata solo dal rating di Rin1, allora l'ingresso non invertente è determinato dai rating costantemente accesi Rin2 e R1 (non vi siete dimenticati che gli ingressi dell'amplificatore operazionale non consumano corrente?). Nell'esempio sopra, saranno rispettivamente 1 e 2 kΩ. E se aumentiamo Roos e R1 per ottenere uno stadio amplificatore a tutti gli effetti, la differenza aumenterà in modo ancora più significativo: con Ku = 10 - fino a, rispettivamente, lo stesso 1 kOhm e fino a 11 kOhm!
Sfortunatamente, in pratica, di solito impostano le denominazioni Rin1 = Rin2 e Roos = R1. Tuttavia, questo è accettabile solo se le sorgenti del segnale per entrambi gli ingressi sono molto basse. impedenza di uscita... Altrimenti, forma un divisore con l'impedenza di ingresso di questo stadio amplificatore e poiché il rapporto di divisione di tali "divisori" sarà diverso, il risultato è ovvio: un amplificatore differenziale con tali valori di resistenza non svolgerà la sua funzione di soppressione del comune- segnali in modalità (combinata) o eseguire questa funzione in modo scadente ...
Uno dei modi per risolvere questo problema potrebbe essere la disuguaglianza dei valori dei resistori collegati agli ingressi invertenti e non invertenti dell'amplificatore operazionale. Vale a dire, che Rin2 + R1 = Rin1. Un altro punto importante è raggiungere l'esatta osservanza dell'uguaglianza (4). Di norma, ciò si ottiene dividendo R1 in due resistori: una costante, solitamente il 90% della valutazione richiesta e una variabile (R2), la cui resistenza è il 20% della valutazione richiesta (Fig. 11, A).
Riso. 11 Opzioni di bilanciamento dell'amplificatore differenziale
Il modo è generalmente accettato, ma ancora una volta, con questo metodo di bilanciamento, anche se leggermente, cambia la resistenza di ingresso dell'ingresso non invertente. Molto più stabile è la variante con l'inclusione di un resistore di taglio (R5) in serie con Roos (Fig. 11, B), poiché Roos non partecipa alla formazione della resistenza di ingresso dell'ingresso invertente. La cosa principale è mantenere il rapporto tra le loro denominazioni, simile all'opzione "A" (Roos / Rin1 = R1 / Rin2).
Non appena abbiamo parlato di commutazione differenziale e di ripetitori menzionati, vorrei descrivere un circuito interessante (Fig. 12).
Riso. 12 Circuito ripetitore commutato invertente/non invertente
Il segnale di ingresso viene applicato contemporaneamente ad entrambi gli ingressi del circuito (invertente e non invertente). Le valutazioni di tutti i resistori (Rin1, Rin2 e Roos) sono uguali tra loro (in questo caso, prendiamo i loro valori reali: 10 ... 100 kOhm). L'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale con il tasto SA può essere chiuso al bus comune.
Nella posizione chiusa della chiave (Fig. 12, A), il resistore Rin2 non partecipa al funzionamento del circuito (solo la corrente lo attraversa "inutilmente" ioin 2 dalla sorgente del segnale al bus comune). Noi abbiamo ripetitore invertente con un guadagno pari a meno 1 (vedi Fig. 6). Ma con la posizione aperta della chiave SA (Fig. 12, B) otteniamo ripetitore non invertente con un guadagno di +1.
Il principio di funzionamento di questo circuito può essere espresso in modo leggermente diverso. Quando l'interruttore SA è chiuso, funziona come un amplificatore invertente con un guadagno pari a meno 1, e quando è aperto, funziona come contemporaneamente(!) e come amplificatore invertente con guadagno, meno 1, e come amplificatore non invertente con guadagno +2, da cui: Ku = +2 + (–1) = +1.
In questa forma, questo circuito può essere utilizzato se, ad esempio, in fase di progettazione, la polarità del segnale di ingresso è sconosciuta (ad esempio, da un sensore che non è accessibile prima dell'inizio della configurazione del dispositivo). Se, tuttavia, un transistor (ad esempio, effetto di campo) viene utilizzato come chiave, controllato dal segnale di ingresso utilizzando comparatore(ne parleremo di seguito), quindi otteniamo rivelatore sincrono(raddrizzatore sincrono). L'implementazione specifica di tale schema, ovviamente, va oltre la conoscenza iniziale del funzionamento dell'amplificatore operazionale e non lo considereremo in dettaglio qui di nuovo.
E ora diamo un'occhiata al principio della somma dei segnali di ingresso (Fig. 13, A) e allo stesso tempo scopriamo quali valori dei resistori Rin e Roos dovrebbero essere in realtà.
Riso. 13 Principio di funzionamento del sommatore invertente
Prendiamo come base l'amplificatore invertente già discusso sopra (Fig. 5), solo colleghiamo non uno, ma due resistori di ingresso Rin1 e Rin2 all'ingresso dell'amplificatore operazionale. Finora, per scopi "didattici", prendiamo le resistenze di tutti i resistori, incluso Roos, pari a 1 kOhm. Forniamo segnali di ingresso pari a +1 V ai terminali di sinistra Rin1 e Rin2 Attraverso queste resistenze fluiscono correnti pari a 1 mA (indicate dalle frecce che puntano da sinistra a destra). Per mantenere lo stesso potenziale all'ingresso invertente come all'ingresso non invertente (0 V), attraverso la resistenza di Roos, indicata da la freccia che punta nella direzione opposta (da destra a sinistra), per la quale deve esserci una tensione di meno 2 V all'uscita dell'amplificatore operazionale.
Lo stesso risultato (tensione di uscita meno 2 V) si ottiene applicando +2 V all'ingresso dell'amplificatore invertente (Fig. 5), oppure si dimezza il valore di Rin, es. fino a 500 ohm. Aumentiamo la tensione applicata al resistore Rin2 a +2 V (Fig. 13, B). All'uscita, otteniamo una tensione di meno 3 V, che è uguale alla somma delle tensioni di ingresso.
Non ci possono essere due input, ma quanti ne vuoi. Il principio di funzionamento di questo circuito non cambierà da questo: la tensione di uscita sarà comunque direttamente proporzionale alla somma algebrica (tenendo conto del segno!) delle correnti che attraversano i resistori collegati all'ingresso invertente dell'op -amp (inversamente proporzionale alle loro valutazioni), indipendentemente dal loro numero.
Se, tuttavia, segnali pari a +1 V e meno 1 V vengono applicati agli ingressi del sommatore invertente (Fig. 13, B), le correnti che li attraversano saranno in direzioni opposte, si compenseranno reciprocamente e l'uscita sarà 0 V. Attraverso il resistore Roos in questo caso non scorrerà corrente. In altre parole, la corrente che scorre attraverso Roos si riassume algebricamente con ingresso correnti.
Questo dà anche origine a un punto importante: mentre abbiamo operato con piccole tensioni di ingresso (1 ... 3 V), l'uscita di un amplificatore operazionale diffuso potrebbe fornire una tale corrente (1 ... 3 mA) per Roos e restava qualcos'altro per il carico collegato all'uscita dell'amplificatore operazionale. Ma se la tensione dei segnali di ingresso viene aumentata al massimo consentito (vicino alla tensione di alimentazione), si scopre che l'intera corrente di uscita andrà a Roos. Non rimarrà nulla per il carico. Chi ha bisogno di uno stadio amplificatore che funzioni "da solo"? Inoltre, i valori del resistore di ingresso di solo 1 kΩ (rispettivamente determinando la resistenza di ingresso dello stadio amplificatore invertente) richiedono il passaggio di correnti eccessivamente elevate, che caricano pesantemente la sorgente del segnale. Pertanto, nei circuiti reali, la resistenza Rin è scelta almeno 10 kOhm, ma preferibilmente non più di 100 kOhm, in modo che a un dato fattore di guadagno, Roos non dovrebbe essere impostato troppo alto. Sebbene questi valori non siano assoluti, ma solo approssimativi, come si suol dire, "in prima approssimazione", tutto dipende dallo schema specifico. In ogni caso, non è desiderabile che una corrente fluisca attraverso Roos in eccesso del 5 ... 10% della corrente di uscita massima di questo particolare amplificatore operazionale.
I segnali sommati possono essere applicati anche all'ingresso non invertente. Si scopre sommatore non invertente... In linea di principio, un tale circuito funzionerà allo stesso modo di un sommatore invertente, la cui uscita sarà un segnale direttamente proporzionale alle tensioni di ingresso e inversamente proporzionale ai valori dei resistori di ingresso. Tuttavia, in pratica, viene utilizzato molto meno spesso, perché contiene "rastrelli" che dovrebbero essere considerati.
Poiché la Regola 2 è valida solo per l'ingresso invertente, sul quale agisce il "potenziale zero virtuale", allora l'ingresso non invertente avrà un potenziale pari alla somma algebrica delle tensioni di ingresso. Pertanto, la tensione di ingresso disponibile su uno degli ingressi influenzerà la tensione applicata agli altri ingressi. Non c'è "potenziale virtuale" all'ingresso non invertente! Di conseguenza, devono essere applicati ulteriori trucchi per i circuiti.
Finora, abbiamo considerato i circuiti su un OA con OOS. E se il feedback viene rimosso del tutto? In questo caso, otteniamo comparatore(Fig. 14), ovvero un dispositivo che confronta in valore assoluto due potenziali ai suoi ingressi (dalla parola inglese confrontare- confrontare). Alla sua uscita ci sarà una tensione che si avvicina a una delle tensioni di alimentazione, a seconda di quale dei segnali è maggiore dell'altro. Tipicamente, ad uno degli ingressi viene applicato un segnale di ingresso e all'altro una tensione continua con cui viene confrontato (una cosiddetta "tensione di riferimento"). Può essere qualsiasi, compreso uguale a zero potenziale (Fig. 14, B).
Riso. 14 Schema di accensione dell'amplificatore operazionale come comparatore
Tuttavia, non tutto è così buono "nel Regno di Danimarca" ... Ma cosa succede se la tensione tra gli ingressi è zero? In teoria, anche l'output dovrebbe essere zero, ma in realtà - mai... Se il potenziale su uno degli ingressi supera anche leggermente il potenziale dell'altro, questo sarà già sufficiente per picchi di tensione caotici all'uscita dovuti a disturbi casuali indotti agli ingressi del comparatore.
In realtà, qualsiasi segnale è "rumoroso", perché non può esistere un ideale per definizione. E nella regione vicina al punto di uguaglianza dei potenziali degli ingressi, all'uscita del comparatore apparirà un burst di segnali di uscita invece di una chiara commutazione. Per contrastare questo fenomeno viene spesso introdotto il circuito comparatore isteresi creando un debole PIC positivo dall'uscita all'ingresso non invertente (Fig. 15).
Riso. 15 Il principio di funzionamento dell'isteresi nel comparatore dovuto al PIC
Analizziamo il funzionamento di questo schema. Le sue tensioni di alimentazione sono ± 10 V (per il conteggio pari). La resistenza Rin è 1 kOhm e Rpos è 10 kOhm. Il potenziale del punto centrale viene selezionato come tensione di riferimento fornita all'ingresso invertente. La curva rossa mostra il segnale di ingresso che arriva al pin Rin di sinistra (ingresso schema comparatore), blu - il potenziale all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale e verde - il segnale di uscita.
Mentre il segnale di ingresso ha polarità negativa, l'uscita è una tensione negativa, che tramite Rpos si somma alla tensione di ingresso in modo inversamente proporzionale ai valori delle corrispondenti resistenze. Di conseguenza, il potenziale dell'ingresso non invertente nell'intero intervallo di valori negativi è 1 V (valore assoluto) superiore al livello del segnale di ingresso. Non appena il potenziale dell'ingresso non invertente sarà uguale al potenziale di quello invertente (per il segnale di ingresso sarà + 1 V), la tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale inizierà a passare dalla polarità negativa a quella positiva. Il potenziale totale all'ingresso non invertente inizierà valanga diventare ancora più positivo sostenendo questo processo di passaggio. Di conseguenza, il comparatore semplicemente non "noterà" fluttuazioni di rumore insignificanti dei segnali di ingresso e di riferimento, poiché saranno di molti ordini di grandezza più piccoli in ampiezza rispetto al "passo" descritto del potenziale all'ingresso non invertente durante la commutazione .
Quando il segnale di ingresso diminuisce, si verificherà la commutazione inversa del segnale di uscita del comparatore alla tensione di ingresso meno 1 V. Questa è la differenza tra i livelli del segnale di ingresso che portano alla commutazione dell'uscita del comparatore, che nel nostro caso è uguale a un totale di 2 V, e si chiama isteresi... Maggiore è la resistenza Rpos rispetto a Rin (minore è la profondità del PIC), minore è l'isteresi di commutazione. Quindi, con Rpos = 100 kΩ sarà solo 0,2 V e con Rpos = 1 MΩ - 0,02 V (20 mV). L'isteresi (profondità PIC) viene selezionata in base alle condizioni operative effettive del comparatore in un particolare circuito. In quale e 10 mV saranno molti e in cui - e 2 V non sono sufficienti.
Sfortunatamente, non tutti gli amplificatori operazionali e non in tutti i casi possono essere utilizzati come comparatore. Sono disponibili microcircuiti comparatori specializzati per la corrispondenza tra segnali analogici e digitali. Alcuni di questi sono specializzati per il collegamento a microcircuiti TTL digitali (597CA2), alcuni - a microcircuiti ECL digitali (597CA1), ma la maggior parte sono cosiddetti. "Comparatori di ampia applicazione" (LM393 / LM339 / K554CA3 / K597CA3). La loro principale differenza rispetto all'amplificatore operazionale risiede nel dispositivo speciale dello stadio di uscita, che è realizzato su un transistor a collettore aperto (Fig. 16).
Riso. 16 Stadio di uscita per comparatori generici
e la sua connessione alla resistenza di pull-up
Ciò richiede l'uso obbligatorio di un esterno resistenza di carico(R1), senza il quale il segnale di uscita è semplicemente fisicamente incapace di formare un livello di uscita alto (positivo). La tensione + U2, a cui è collegata la resistenza di carico, può essere diversa dalla tensione di alimentazione + U1 del microcircuito comparatore stesso. Ciò consente di fornire il livello del segnale di uscita desiderato con mezzi semplici, che si tratti di TTL o CMOS.
Nota Nella maggior parte dei comparatori, un esempio dei quali può essere un doppio LM393 (LM193 / LM293) o esattamente lo stesso circuito, ma quadruplo LM339 (LM139 / LM239), l'emettitore del transistor dello stadio di uscita è collegato al terminale di alimentazione negativo, che in qualche modo limita la loro portata. A questo proposito, vorrei attirare la vostra attenzione sul comparatore LM31 (LM111 / LM211), un analogo del quale è il domestico 521 / 554CA3, in cui vengono estratti separatamente sia il collettore che l'emettitore del transistor di uscita, che può essere collegato a tensioni diverse dalla tensione di alimentazione del comparatore stesso. Il suo unico e relativo svantaggio è che è solo uno in un pacchetto a 8 pin (a volte a 14 pin). |
Finora, abbiamo considerato circuiti in cui il segnale di ingresso arrivava all'ingresso (i) tramite Rin, ad es. erano tutti convertitori ingresso ingresso di tensione fine settimana voltaggio lo stesso. In questo caso, la corrente di ingresso scorreva attraverso Rin. E cosa accadrà se la sua resistenza è presa uguale a zero? Il circuito funzionerà allo stesso modo dell'amplificatore invertente discusso sopra, solo la resistenza di uscita della sorgente del segnale (Rout) fungerà da Rin e otteniamo convertitore ingresso attuale v fine settimana voltaggio(fig.17).
Riso. 17 Circuito convertitore corrente-tensione sull'amplificatore operazionale
Poiché il potenziale all'ingresso invertente è lo stesso dell'ingresso non invertente (in questo caso è uguale a "zero virtuale"), l'intera corrente di ingresso ( ioin) scorrerà attraverso Roos tra l'uscita della sorgente del segnale (G) e l'uscita dell'amplificatore operazionale. L'impedenza di ingresso di un tale circuito è vicina allo zero, il che rende possibile costruire micro / milliampere sulla sua base, che praticamente non influiscono sulla corrente che scorre attraverso il circuito misurato. Forse l'unica limitazione è l'intervallo di tensione di ingresso consentito dell'amplificatore operazionale, che non dovrebbe essere superato. Può anche essere utilizzato per costruire, ad esempio, un convertitore corrente-tensione a fotodiodo lineare e molti altri circuiti.
Abbiamo esaminato i principi di base del funzionamento di un amplificatore operazionale in vari schemi della sua inclusione. Rimane una domanda importante: il loro nutrizione.
Come detto sopra, un amplificatore operazionale ha in genere solo 5 pin: due ingressi, un'uscita e due pin di alimentazione, positivo e negativo. Nel caso generale si utilizza un'alimentazione bipolare, cioè l'alimentatore ha tre terminali con potenziali: + U; 0; –U.
Ancora una volta, considera attentamente tutte le figure sopra e vedi che un'uscita separata del punto medio nell'amplificatore operazionale NO ! Perché i loro circuiti interni funzionino, semplicemente non sono necessari. In alcuni circuiti, al punto medio è stato collegato un ingresso non invertente, tuttavia questa non è una regola.
Quindi, stragrande maggioranza i moderni amplificatori operazionali sono progettati per fornire UNIPOLARE tensione! Viene spontaneo chiedersi: "Perché allora abbiamo bisogno dell'alimentazione bipolare" se l'abbiamo raffigurata con tanta insistenza e con invidiabile coerenza nei disegni?
Si scopre che è solo molto comodamente a fini pratici per i seguenti motivi:
A) Per garantire un'oscillazione sufficiente della corrente e della tensione di uscita attraverso il carico (Fig. 18).
Riso. 18 Flusso della corrente di uscita attraverso il carico con diverse opzioni di alimentazione dell'amplificatore operazionale
Per ora non considereremo i circuiti di ingresso (e OOS) dei circuiti mostrati in figura ("scatola nera"). Diamo per scontato che in ingresso venga inviato un segnale sinusoidale di qualche tipo (sinusoidale nera sui grafici) e l'uscita sia lo stesso segnale sinusoidale, amplificato rispetto all'onda sinusoidale colorata in ingresso sui grafici).
Quando il carico è collegato Rload. tra l'uscita dell'amplificatore operazionale e il punto medio del collegamento degli alimentatori (GB1 e GB2) - Fig. 18, A, la corrente attraverso il carico scorre simmetricamente attorno al punto medio (rispettivamente, le semionde rossa e blu), e la sua ampiezza è massima e l'ampiezza della tensione a Rload. anche il massimo possibile - può raggiungere quasi le tensioni di alimentazione. La corrente dall'alimentatore della polarità corrispondente viene chiusa attraverso l'amplificatore operazionale, Rload. e un alimentatore (linee rosse e blu che mostrano il flusso di corrente nella direzione corrispondente).
Poiché la resistenza interna degli alimentatori dell'amplificatore operazionale è molto piccola, la corrente attraverso il carico è limitata solo dalla sua resistenza e dalla corrente di uscita massima dell'amplificatore operazionale, che è tipicamente di 25 mA.
Quando l'amplificatore operazionale è alimentato con una tensione unipolare, la qualità autobus comune solitamente viene selezionato il polo negativo (meno) dell'alimentatore, al quale è collegata la seconda uscita del carico (Fig. 18, B). Ora la corrente attraverso il carico può fluire solo in una direzione (mostrata dalla linea rossa), la seconda direzione semplicemente non ha da nessuna parte venire. In altre parole, la corrente attraverso il carico diventa asimmetrica (pulsante).
È impossibile dire inequivocabilmente che questa opzione è cattiva. Se il carico è, diciamo, una testa dinamica, allora questo è inequivocabilmente negativo per questo. Tuttavia, ci sono molte applicazioni quando il collegamento di un carico tra l'uscita dell'amplificatore operazionale e uno dei binari di alimentazione (solitamente polarità negativa) non è solo accettabile, ma anche l'unico possibile.
Se, tuttavia, è necessario garantire la simmetria del flusso di corrente attraverso il carico con un'alimentazione unipolare, è necessario isolarlo galvanicamente dall'uscita dell'amplificatore operazionale con un condensatore galvanico C1 (Fig. 18, B).
B) Per garantire la corrente richiesta dell'ingresso invertente, nonché attacchi segnali in ingresso ad alcuni arbitrariamente scelto livello, accettato per il riferimento (zero) - impostazione della modalità operativa del sistema operativo in corrente continua (Fig. 19).
Riso. 19 Collegamento di una sorgente di segnale in ingresso con diverse opzioni di alimentazione dell'amplificatore operazionale
Consideriamo ora le opzioni per il collegamento delle sorgenti di ingresso, escludendo la connessione del carico.
Nell'analisi dei diagrammi precedenti è stata considerata la connessione degli ingressi invertenti e non invertenti al punto medio del collegamento degli alimentatori (Fig. 19, A). Se l'ingresso non invertente non consuma corrente e accetta semplicemente il potenziale del punto medio, quindi attraverso la sorgente di segnale (G) e Rin, collegati in serie, la corrente scorre, chiudendosi attraverso la corrispondente fonte di alimentazione! E poiché le loro resistenze interne sono trascurabili rispetto alla corrente di ingresso (molti ordini di grandezza inferiori a Rin), quindi non ha praticamente alcun effetto sulla tensione di alimentazione.
Pertanto, con un'alimentazione unipolare dell'amplificatore operazionale, è possibile formare abbastanza tranquillamente il potenziale fornito al suo ingresso non invertente utilizzando il divisore R1R2 (Fig. 19, B, C). I valori nominali tipici del resistore di questo divisore sono 10 ... 100 kΩ ed è altamente desiderabile shunt quello inferiore (collegato a un bus negativo comune) con un condensatore di 10 ... 22 μF per ridurre significativamente l'effetto di ondulazione della tensione di alimentazione sul potenziale di tale artificiale punto medio.
Ma è altamente indesiderabile collegare la sorgente del segnale (G) a questo punto medio artificiale a causa della stessa corrente di ingresso. Stimiamo. Anche con divisori R1R2 = 10 kOhm e Rin = 10 ... 100 kOhm, corrente di ingresso ioin sarà nel migliore dei casi 1/10 e, nel peggiore dei casi, fino al 100% della corrente che passa attraverso il divisore. Di conseguenza, il potenziale all'ingresso non invertente in combinazione (in fase) con il segnale di ingresso "fluttuerà" della stessa quantità.
Per eliminare l'influenza reciproca degli ingressi l'uno sull'altro quando si amplificano i segnali CC con tale accensione, è necessario disporre un potenziale separato di un punto medio artificiale formato dai resistori R3R4 (Fig. 19, B) per la sorgente del segnale o, se il segnale AC è amplificato, la sorgente del segnale deve essere isolata galvanicamente dal condensatore di ingresso invertente C2 (Fig. 19, B).
Va notato che nei diagrammi sopra (Fig. 18, 19), abbiamo assunto per impostazione predefinita che il segnale di uscita dovrebbe essere simmetrico rispetto al punto medio degli alimentatori o un punto medio artificiale. In realtà, questo non è sempre necessario. Molto spesso, si desidera che il segnale di uscita abbia una polarità prevalentemente positiva o negativa. Pertanto, non è affatto necessario che le polarità positiva e negativa dell'alimentatore siano uguali in valore assoluto. Uno di questi può essere significativamente inferiore in valore assoluto rispetto all'altro, solo per garantire il normale funzionamento dell'amplificatore operazionale.
Sorge una domanda naturale: "Come esattamente?" Per rispondere, consideriamo brevemente gli intervalli di tensione consentiti dei segnali di ingresso e uscita dell'amplificatore operazionale.
Per qualsiasi amplificatore operazionale, il potenziale di uscita non può essere superiore al binario di alimentazione positivo e inferiore al binario di alimentazione negativo. In altre parole, la tensione di uscita non può andare oltre le tensioni di alimentazione. Ad esempio, per l'amplificatore operazionale OPA277, la tensione di uscita con una resistenza di carico di 10 kOhm è inferiore alla tensione della linea di alimentazione positiva di 2 V e della linea di alimentazione negativa di 0,5 V. La larghezza di queste "zone morte" della tensione di uscita, che l'uscita dell'amplificatore operazionale non può raggiungere, dipende da fattori serie come il circuito dello stadio di uscita, la resistenza di carico, ecc.). Esistono amplificatori operazionali che hanno zone morte minime, ad esempio 50 mV fino alla tensione della linea di alimentazione con un carico di 10 kΩ (per l'OPA340), questa funzione è chiamata rail-to-rail (R2R).
D'altra parte, per gli amplificatori operazionali di uso diffuso, anche i segnali di ingresso non dovrebbero superare la tensione di alimentazione e, per alcuni, essere inferiori a quelli di 1,5 ... 2 V. Tuttavia, ci sono amplificatori operazionali con circuiti specifici dello stadio di ingresso (ad esempio, lo stesso LM358/LM324) , che può funzionare non solo dal livello di alimentazione negativa, ma anche "meno" di 0,3 V, il che facilita notevolmente il loro utilizzo con alimentazione unipolare con un comune autobus negativo.
Diamo finalmente un'occhiata e sentiamo questi "ragni". Puoi persino annusare e leccare. do il permesso. Considera le loro opzioni più comuni disponibili per i radioamatori alle prime armi. Inoltre, se devi dissaldare l'amplificatore operazionale dalla vecchia attrezzatura.
Per l'amplificatore operazionale di vecchi progetti, che richiedeva senza dubbio circuiti esterni per la correzione della frequenza, al fine di prevenire l'autoeccitazione, era caratteristica la presenza di cavi aggiuntivi. Per questo motivo, alcuni amplificatori operazionali non si "inserivano" nemmeno in un pacchetto a 8 conduttori (Fig. 20, A) e sono stati realizzati in quelli rotondi di metallo e vetro a 12 conduttori, ad esempio K140UD1, K140UD2, K140UD5 (Fig. 20, B) oc pacchetti DIP a 14 pin, ad esempio K140UD20, K157UD2 (Fig. 20, B). L'abbreviazione DIP è un'abbreviazione dell'espressione inglese "Dual In line Package" e si traduce come "packaging double-face".
Una custodia rotonda in metallo-vetro (Fig. 20, A, B) è stata utilizzata come principale per gli amplificatori operazionali importati fino a circa la metà degli anni '70 e per gli amplificatori operazionali domestici - fino alla metà degli anni '80 ed è ora utilizzata per il cosidetto. Applicazioni "militari" ("quinta accettazione").
A volte gli amplificatori operazionali domestici erano alloggiati in pacchetti attualmente piuttosto "esotici": metallo-vetro rettangolare a 15 conduttori per l'ibrido K284UD1 (Fig. 20, D), in cui la chiave è un quindicesimo cavo aggiuntivo dalla confezione, e altri. È vero, personalmente non ho mai incontrato pacchetti planari a 14 pin (Fig. 20, D) per ospitare amplificatori operazionali. Sono stati utilizzati per microcircuiti digitali.
Riso. 20 Custodie di amplificatori operazionali domestici
I moderni amplificatori operazionali, per la maggior parte, contengono circuiti di correzione direttamente sul cristallo, il che ha permesso di gestire con un numero minimo di pin (ad esempio - SOT23-5 a 5 pin per un singolo amplificatore operazionale - Fig. 23). Ciò ha permesso di inserire in un unico pacchetto due o quattro amplificatori operazionali completamente indipendenti (ad eccezione dei comuni pin di alimentazione) realizzati su un cristallo.
Riso. 21 alloggiamenti in plastica a doppia fila di moderni amplificatori operazionali con montaggio in uscita (DIP)
A volte è possibile trovare amplificatori operazionali situati in pacchetti a 8 derivazioni a riga singola (Fig. 22) oa 9 derivazioni (SIP) - K1005UD1. L'abbreviazione SIP è un'abbreviazione dell'espressione inglese "Single In line Package" e si traduce come "single-sided package".
Riso. 22 Custodia in plastica a fila singola di amplificatori operazionali doppi per montaggio in uscita (SIP-8)
Erano progettati per ridurre al minimo l'ingombro sulla scheda, ma sfortunatamente erano in ritardo: a questo punto i pacchetti SMD (Surface Mounting Device) si erano diffusi saldando direttamente alle piste della scheda (Figura 23). Tuttavia, per i principianti, il loro utilizzo presenta notevoli difficoltà.
Riso. 23 Contenitori di moderni amplificatori operazionali importati per montaggio superficiale (SMD)
Molto spesso lo stesso microcircuito può essere “confezionato” dal produttore in casi diversi (Fig. 24).
Riso. 24 Opzioni per posizionare lo stesso microcircuito in casi diversi
Le conclusioni di tutti i microcircuiti sono numerate in sequenza, contate dal cosiddetto. "Chiave" che indica la posizione del pin numero 1. (Fig. 25). V qualunque se organizzi il caso con i lead Spingere, la loro numerazione in ordine crescente va contro senso orario!
Riso. 25 piedinature dell'amplificatore operazionale
in vari edifici (pinout), vista dall'alto;
la direzione della numerazione è indicata dalle frecce
Nelle custodie rotonde in metallo-vetro, la chiave ha la forma di una sporgenza laterale (Fig. 25, A, B). Dalla posizione di questa chiave, sono possibili enormi "rastrelli"! Nei casi domestici a 8 derivazioni (302.8), la chiave si trova di fronte al primo terminale (Fig. 25, A) e in TO-5 importato - di fronte all'ottavo terminale (Fig. 25, B). Nelle confezioni da 12 derivazioni, sia domestiche (302.12) che importate, si trova la chiave tra prima e dodicesima conclusione.
Solitamente l'ingresso invertente, sia nei contenitori tondi metallo-vetro che DIP-case, è collegato al 2° pin, l'ingresso non invertente al 3°, l'uscita al 6°, l'alimentatore negativo al 4° e l'alimentatore più al 7. Tuttavia, ci sono eccezioni (un altro possibile "rake"!) Nel pinout di OU K140UD8, K574UD1. In essi, la numerazione dei pin è spostata di uno in senso antiorario rispetto a quella generalmente accettata per la maggior parte degli altri tipi, ad es. sono collegati ai terminali, come nei casi importati (Fig. 25, B), e la numerazione corrisponde a quelli domestici (Fig. 25, A).
Negli ultimi anni, la maggior parte dell'"uso domestico" del sistema operativo ha iniziato a essere collocata in custodie di plastica (Fig. 21, 25, V-D). In questi casi, la chiave è o un incavo (punto) opposto al primo perno, o un ritaglio all'estremità della custodia tra il primo e l'ottavo (DIP-8) o il quattordicesimo (DIP-14) perno, o uno smusso lungo la prima metà dei perni (Fig. 21, al centro). Anche la numerazione dei pin in questi pacchetti va contro senso orario se visto dall'alto (con conclusioni da se stessi).
Come accennato in precedenza, gli amplificatori operazionali corretti internamente hanno solo cinque pin, di cui solo tre (due ingressi e un'uscita) appartengono a ogni singolo amplificatore operazionale. Ciò ha permesso in un pacchetto a 8 conduttori di posizionare su un cristallo due amplificatori operazionali completamente indipendenti (ad eccezione dell'alimentazione più e meno, che richiedono due pin in più) (Fig. 25, D), e in un pacchetto di 14 conduttori - anche quattro (Fig. 25, D). Di conseguenza, al momento, la maggior parte degli amplificatori operazionali viene prodotta almeno il doppio, ad esempio TL062, TL072, TL082, LM358 economico e semplice, ecc. Esattamente lo stesso nella struttura interna, ma quadruplo: TL064, TL074, TL084 e LM324 , rispettivamente.
Per quanto riguarda l'analogo domestico di LM324 (K1401UD2), ce n'è un altro "rastrello": se in LM324, l'alimentatore positivo viene portato al 4 ° pin e il meno all'11 °, quindi in K1401UD2, al contrario: il potere più viene portato all'undicesimo pin e meno - al 4. Tuttavia, questa differenza non causa alcuna difficoltà con il cablaggio. Poiché il pinout dei pin dell'amplificatore operazionale è completamente simmetrico (Fig. 25, E), è sufficiente ruotare il case di 180 gradi in modo che il pin 1 prenda il posto del pin 8. E questo è tutto.
Qualche parola sull'etichettatura degli amplificatori operazionali importati (e non solo degli amplificatori operazionali). Per una serie di sviluppi delle prime 300 designazioni digitali, era consuetudine designare il gruppo di qualità con la prima cifra del codice digitale. Ad esempio, l'amplificatore operazionale LM158 / LM258 / LM358, i comparatori LM193 / LM293 / LM393, gli stabilizzatori a tre pin regolabili TL117 / TL217 / TL317, ecc. Sono completamente identici nella struttura interna, ma differiscono nel campo di funzionamento della temperatura. Per LM158 (TL117), l'intervallo di temperatura operativa va da meno 55 a + 125 ... 150 gradi Celsius (il cosiddetto "combattimento" o campo militare), per LM258 (TL217) - da meno 40 a +85 gradi ( gamma "industriale") e per LM358 (TL317) - da 0 a +70 gradi (intervallo "domestico"). Allo stesso tempo, il prezzo per loro potrebbe essere completamente incoerente con tale gradazione o differire leggermente ( modi imperscrutabili di determinazione del prezzo!). Quindi puoi acquistarli con qualsiasi segno disponibile per la tasca di un principiante, senza inseguire particolarmente i primi tre.
Dopo l'esaurimento delle prime trecento marcature digitali, i gruppi di affidabilità hanno iniziato a essere contrassegnati con lettere, il cui significato è decifrato nei fogli dati (foglio dati si traduce letteralmente come "tabella dati") per questi componenti.
Conclusione
Quindi abbiamo studiato "l'alfabeto" dell'amplificatore operazionale, catturando un po' i comparatori. Quindi devi imparare come mettere insieme parole, frasi e intere "composizioni" significative (schemi praticabili) da queste "lettere".
Sfortunatamente, "è impossibile afferrare l'immensità". Se il materiale presentato in questo articolo ha aiutato a capire come funzionano queste "scatole nere", approfondire ulteriormente l'analisi del loro "riempimento", l'influenza di input, output e caratteristiche transitorie, è un compito per uno studio più avanzato. Le informazioni su questo sono dettagliate e descritte in modo esauriente in una varietà di letteratura esistente. Come diceva nonno Guglielmo di Ockham: "Non bisogna moltiplicare le entità oltre il necessario". Non c'è bisogno di ripetere quanto già ben descritto. Devi solo non essere pigro e leggerlo.
11.http: //www.texnic.ru/tools/lekcii/electronika/l6/lek_6.html
Allora mi congedo, con rispetto, ecc., l'autore Alexey Sokolyuk ()
Gli amplificatori operazionali sono uno dei componenti principali dei moderni dispositivi elettronici analogici. Grazie alla semplicità dei calcoli e agli eccellenti parametri, gli amplificatori operazionali sono facili da usare. Sono anche chiamati amplificatori differenziali perché possono amplificare la differenza di tensioni di ingresso.
L'uso di amplificatori operazionali nella tecnologia audio è particolarmente diffuso per amplificare il suono degli altoparlanti musicali.
Designazione sui diagrammi
Cinque pin di solito escono dal case dell'amplificatore, di cui due pin sono ingressi, uno è un'uscita, gli altri due sono alimentazione.
Principio operativo
Ci sono due regole per aiutarti a capire come funziona un amplificatore operazionale:
- L'uscita dell'amplificatore operazionale tende a zero differenza di tensione attraverso gli ingressi.
- Gli ingressi dell'amplificatore non consumano corrente.
Il primo ingresso è contrassegnato con "+", è chiamato non invertente. Il secondo ingresso è contrassegnato da "-" ed è considerato invertente.
Gli ingressi dell'amplificatore hanno un'elevata resistenza chiamata impedenza. Ciò consente un consumo di corrente di diversi nanoampere agli ingressi. All'ingresso, viene valutata l'entità delle tensioni. A seconda di questa stima, l'amplificatore emette un segnale amplificato.
Il guadagno, che a volte raggiunge il milione, è di grande importanza. Ciò significa che se all'ingresso viene applicato almeno 1 millivolt, la tensione di uscita sarà uguale alla tensione dell'alimentatore dell'amplificatore. Pertanto, opamp non viene utilizzato senza feedback.
Gli ingressi dell'amplificatore funzionano secondo il seguente principio: se la tensione all'ingresso non invertente è superiore alla tensione dell'ingresso invertente, allora l'uscita sarà la tensione positiva più alta. Nella situazione opposta, l'output sarà il valore negativo più grande.
Le tensioni negative e positive all'uscita dell'amplificatore operazionale sono possibili grazie all'uso di un alimentatore bipolare diviso.
Alimentazione dell'amplificatore operazionale
Se prendi una batteria a dito, ha due poli: positivo e negativo. Se il polo negativo viene conteggiato come punto di riferimento zero, il polo positivo mostrerà +1,5 V. Questo può essere visto dal collegato.
Prendi due elementi e collegali in serie, ottieni la seguente immagine.
Se il polo negativo della batteria inferiore viene preso come punto zero e la tensione viene misurata al polo positivo della batteria superiore, il dispositivo mostrerà +10 volt.
Se prendiamo il punto medio tra le batterie come zero, si ottiene una sorgente di tensione bipolare, poiché esiste una tensione di polarità positiva e negativa, pari rispettivamente a +5 volt e -5 volt.
Esistono semplici diagrammi a blocchi a potenza divisa utilizzati nei progetti di radioamatori.
Il circuito è alimentato dalla rete domestica. Il trasformatore riduce la corrente a 30 volt. L'avvolgimento secondario ha un ramo nel mezzo, con l'aiuto del quale si ottiene una tensione raddrizzata +15 V e -15 V all'uscita.
varietà
Esistono diversi circuiti di amplificatori operazionali che vale la pena esaminare in dettaglio.
Amplificatore invertente
Questo è lo schema di base. Una caratteristica di questo circuito è che l'opamp è caratterizzato, oltre che dall'amplificazione, anche da un cambio di fase. La lettera "k" indica il parametro di guadagno. Il grafico mostra l'effetto dell'amplificatore in questo circuito.
Il blu rappresenta il segnale di ingresso e il rosso rappresenta il segnale di uscita. Il guadagno in questo caso è: k = 2. L'ampiezza del segnale di uscita è 2 volte maggiore di quella del segnale di ingresso. L'uscita dell'amplificatore è invertita, da cui il nome. Gli amplificatori operazionali invertenti hanno un circuito semplice:
Questi amplificatori operazionali sono diventati popolari grazie al loro design semplice. Per calcolare il guadagno, usa la formula:
Ciò dimostra che l'amplificazione dell'opamp non dipende dalla resistenza R3, quindi puoi farne a meno. Qui è usato per la protezione.
Amplificatori operazionali non invertenti
Questo circuito è simile al precedente, la differenza è che il segnale non è invertito (invertito). Ciò significa mantenere la fase del segnale. Il grafico mostra il segnale amplificato.
Anche il guadagno dell'amplificatore non invertente è: k = 2. Un segnale sotto forma di sinusoide viene inviato all'ingresso, solo la sua ampiezza è cambiata all'uscita.
Questo circuito non è meno semplice del precedente, ha due resistenze. All'ingresso, il segnale viene applicato al terminale positivo. Per calcolare il guadagno, è necessario utilizzare la formula:
Si può vedere da esso che il guadagno non è mai inferiore all'unità, poiché il segnale non viene soppresso.
Schema di sottrazione
Questo circuito permette di creare una differenza tra due segnali in ingresso, che può essere amplificata. Il grafico mostra il principio di funzionamento del circuito differenziale.
Questo circuito amplificatore è anche chiamato circuito di sottrazione.
Ha un design più complesso, in contrasto con gli schemi discussi in precedenza. Per calcolare la tensione di uscita, utilizzare la formula:
Il lato sinistro dell'espressione (R3 / R1) definisce il guadagno e il lato destro (Ua - Ub) è la differenza di tensione.
Schema di addizione
Questo è chiamato un amplificatore integrato. È l'opposto dello schema di sottrazione. La sua particolarità è la capacità di elaborare più di due segnali. Tutti i mixer audio funzionano secondo questo principio.
Questo diagramma mostra la possibilità di sommare più segnali. Per calcolare la tensione si applica la formula:
Circuito integratore
Se aggiungi un condensatore al circuito di feedback, ottieni un integratore. Questo è un altro dispositivo che utilizza amplificatori operazionali.
Il circuito integratore è simile a un amplificatore invertente, con l'aggiunta di capacità nella retroazione. Ciò porta a una dipendenza del funzionamento del sistema dalla frequenza del segnale di ingresso.
L'integratore è caratterizzato da un'interessante caratteristica della transizione tra segnali: prima un segnale rettangolare viene convertito in un segnale triangolare, quindi viene convertito in uno sinusoidale. Il guadagno si calcola con la formula:
In questa formula, la variabile ω = 2 π f aumenta con l'aumentare della frequenza, quindi, maggiore è la frequenza, minore è il guadagno. Pertanto, l'integratore può agire come un filtro passa basso attivo.
Circuito differenziatore
In questo schema, la situazione è invertita. Una capacità è collegata all'ingresso e una resistenza è collegata al feedback.
A giudicare dal nome del circuito, il suo principio di funzionamento sta nella differenza. Maggiore è la velocità di variazione del segnale, maggiore è il valore del guadagno. Questo parametro consente di creare filtri attivi per l'alta frequenza.
Il guadagno per il differenziatore viene calcolato utilizzando la formula:
Questa espressione è inversa a quella dell'integratore. Il guadagno aumenta nella direzione negativa con l'aumentare della frequenza.
Comparatore analogico
Il dispositivo comparatore confronta i due valori di tensione e converte il segnale in un valore basso o alto in uscita, a seconda dello stato della tensione. Questo sistema include elettronica digitale e analogica.
Una caratteristica di questo sistema è la mancanza di feedback nella versione principale. Ciò significa che la resistenza del circuito è molto alta.
Viene fornito un segnale all'ingresso positivo e la tensione principale viene applicata all'ingresso negativo, che è impostato da un potenziometro. A causa della mancanza di feedback, il guadagno tende all'infinito.
Quando la tensione in ingresso supera il valore della tensione di riferimento principale, si ottiene in uscita la tensione più alta, che è pari alla tensione di alimentazione positiva. Se la tensione di ingresso è inferiore al riferimento, il valore di uscita sarà una tensione negativa uguale alla tensione dell'alimentatore.
C'è uno svantaggio significativo nel circuito del comparatore analogico. Quando i valori di tensione ai due ingressi si avvicinano, la tensione di uscita può cambiare frequentemente, il che di solito porta a lacune e guasti nel funzionamento del relè. Ciò potrebbe causare un malfunzionamento dell'apparecchiatura. Per risolvere questo problema, viene utilizzato un circuito di isteresi.
Comparatore analogico con isteresi
La figura mostra lo schema di azione dello schema con, che è simile allo schema precedente. La differenza è che lo spegnimento e l'accensione non avvengono alla stessa tensione.
La direzione delle frecce sul grafico indica la direzione del movimento dell'isteresi. Esaminando il grafico da sinistra a destra, si può vedere che la transizione a un livello inferiore viene eseguita alla tensione Uph e spostandosi da destra a sinistra, la tensione in uscita raggiungerà il livello più alto alla tensione Upl .
Questo principio di funzionamento porta al fatto che con valori uguali delle tensioni di ingresso, lo stato all'uscita non cambia, poiché il cambiamento richiede una differenza di tensioni di una quantità significativa.
Tale funzionamento del circuito comporta una certa inerzia del sistema, ma è più sicuro, a differenza del circuito senza isteresi. Di solito, questo principio di funzionamento viene utilizzato nei dispositivi di riscaldamento con termostato: stufe, ferri da stiro, ecc. La figura mostra un circuito amplificatore con isteresi.
Le sollecitazioni sono calcolate secondo le seguenti relazioni:
Ripetitori di tensione
Gli amplificatori operazionali sono spesso utilizzati nei circuiti inseguitori di tensione. La caratteristica principale di questi dispositivi è che non amplificano o attenuano il segnale, cioè il guadagno in questo caso è uguale all'unità. Questa caratteristica è dovuta al fatto che il circuito di retroazione ha una resistenza zero.
Tali sistemi inseguitori di tensione vengono spesso utilizzati come buffer per aumentare la corrente di carico e l'operatività del dispositivo. Poiché la corrente di ingresso è vicina allo zero e la corrente di uscita dipende dal tipo di amplificatore, ovvero dalla possibilità di scaricare sorgenti di segnale deboli, ad esempio alcuni sensori.
24. Amplificatore invertente per op.
25. Amplificatore non invertente su op.
Un diagramma schematico di un amplificatore non invertente è mostrato in Fig. 9.6. L'espressione del guadagno di tensione per questo circuito si ottiene, analogamente al precedente, dalle equazioni redatte secondo la legge di Kirchhoff
Tenendo conto della (9.13), l'espressione per il guadagno avrà la forma
Ne consegue che il guadagno di tensione nel circuito dell'amplificatore non invertente è sempre maggiore di 1. Contrariamente al circuito dell'amplificatore invertente in questo circuito, l'amplificatore operazionale è coperto da un circuito di retroazione di tensione sequenziale all'ingresso. Pertanto, l'impedenza di ingresso di questo circuito è molto più alta dell'impedenza di ingresso di un amplificatore operazionale senza sistema operativo: 
L'impedenza di uscita è determinata, come per un amplificatore invertente, secondo (9.16).
26. Schema del sommatore sull'op.
I circuiti di somma includono sommatori e circuiti di sottrazione. Questi circuiti sono utilizzati per risolvere equazioni algebriche e in dispositivi di elaborazione del segnale analogico. Un sommatore è un dispositivo all'uscita del quale vengono sommati i segnali forniti ai suoi ingressi. I sommatori sono costruiti utilizzando amplificatori invertenti e non invertenti.
Invertire sommatore
Un circuito sommatore invertente con tre segnali di ingresso è mostrato in Fig. 11.10. Per semplicità di ragionamento, assumiamo che R1 = R2 = R3 = Roc. 
Poiché l'amplificatore operazionale ideale K U → ∞, Rvx → ∞ e la corrente di polarizzazione è molto piccola rispetto alla corrente di retroazione, quindi secondo la legge di Kirchhoff I1 + I2 + I3 = Ios. (11.19) A causa del fatto che l'ingresso invertente ha potenziale praticamente nullo, non vi è alcuna influenza reciproca dei segnali di ingresso in esso. L'espressione (11.19) può essere rappresentata come Di conseguenza, l'uscita è la somma invertita delle tensioni di ingresso. Se R1 ≠ R2 ≠ R3, allora l'uscita è la somma invertita delle tensioni di ingresso (11.20) con diversi fattori di scala. Il sommatore invertente combina le funzioni di un sommatore e di un amplificatore mantenendo la semplicità del circuito. Il resistore R viene utilizzato per compensare l'offset zero all'uscita dell'amplificatore operazionale causato dalle fluttuazioni di tempo e temperatura nella corrente di ingresso. La resistenza R è il valore corrente scelto in modo che le resistenze equivalenti collegate agli ingressi dell'amplificatore operazionale siano le stesse: R = Roc || R1 || R2 || R3. 
sommatore non invertente
Il circuito di un sommatore non invertente, che è costruito sulla base di un amplificatore non invertente, è mostrato in Fig. 11.11. Poiché a U0 = 0 le tensioni agli ingressi invertente e non invertente sono uguali, allora
Considerando che RinxОУ all'ingresso non invertente è molto grande, la corrente di ingresso è 0. Secondo la legge di Kirchhoff, puoi scrivere
Se nel circuito (Fig. 11.11) vengono ancora forniti segnali agli ingressi invertenti, il circuito esegue un'operazione di addizione-sottrazione. Affinché il sommatore funzioni correttamente, è necessario bilanciare il guadagno invertente e non invertente, ad es. garantire l'uguaglianza delle somme dei guadagni delle parti invertente e non invertente del circuito.
27. Amplificatore differenziante su op.
L'amplificatore differenziatore (differenziatore) è progettato per ottenere un segnale di uscita proporzionale alla velocità di variazione dell'ingresso. Quando si differenzia il segnale, l'amplificatore operazionale deve passare solo la componente CA della tensione di ingresso e il guadagno del collegamento di differenziazione deve aumentare con un aumento della velocità di variazione della tensione di ingresso. Il circuito del differenziatore, all'ingresso del quale è collegato il condensatore C, e il resistore nel circuito OS, è mostrato in Fig. 11.13. Supponendo che l'amplificatore operazionale sia ideale, la corrente attraverso il resistore di retroazione può essere considerata uguale alla corrente attraverso il condensatore Iñ + Ir = 0,
, poi
Il differenziatore considerato viene utilizzato raramente a causa dei seguenti svantaggi:
1. Bassa impedenza di ingresso alle alte frequenze, determinata dalla capacità C;
2. Rumore di uscita relativamente alto dovuto all'elevato guadagno alle alte frequenze;
3. Propensione all'autoeccitazione. (questo circuito può essere instabile nell'intervallo di frequenza in cui la risposta in frequenza del differenziatore (curva 1 in Figura 11.14), che ha un aumento di 20 dB / dec, si interseca con la risposta in frequenza dell'amplificatore operazionale corretto, che ha un roll-off di -20 dB/dec (curva 2 in Figura 11.14) La caratteristica ampiezza-frequenza di un sistema ad anello aperto in una parte della gamma di frequenza ha 
il decadimento di –40 dB / dec, che è determinato dalla differenza tra le pendenze delle curve 1 e 2, e lo sfasamento ϕ = –180 °, che indica la possibilità di autoeccitazione.)
Per evitare la manifestazione di queste carenze del differenziatore, vengono prese le seguenti soluzioni circuitali:
1. Il resistore di retroazione viene deviato da un condensatore, la cui capacità è scelta in modo tale che la risposta in frequenza dell'amplificatore operazionale con una caduta di -20 dB / dec inizi a una frequenza superiore alla frequenza massima del segnale differenziale utile. Ciò si traduce in una riduzione delle componenti di rumore ad alta frequenza nel segnale di uscita. Questo segmento inizia alla frequenza f = 1 / (2πRocCoc).
2. In serie al condensatore di ingresso C è collegata una resistenza che limita il guadagno alle alte frequenze del differenziatore. Ciò fornisce stabilità dinamica e riduce la corrente capacitiva in ingresso dalla sorgente del segnale.
3. L'uso di amplificatori operazionali con bassa tensione di polarizzazione e basse correnti di ingresso, nonché condensatori con basse correnti di dispersione e resistori a basso rumore.
Un diagramma pratico del differenziatore e della sua risposta in frequenza sono mostrati in
Riso. 11.15. L'introduzione del resistore R porta alla comparsa sulla risposta in frequenza (curva 1 in Fig. 11.15, b) di una sezione orizzontale, dove non c'è differenziazione a frequenze superiori alla frequenza
Ci sono molti argomenti importanti nel corso di elettronica. Oggi proveremo ad occuparci di amplificatori operazionali.
Ricominciare. Un amplificatore operazionale è una tale "cosa" che ti consente di operare con segnali analogici in ogni modo possibile. I più semplici e basilari sono il rafforzamento, l'indebolimento, l'addizione, la sottrazione e molti altri (ad esempio, differenziazione o logaritmo). La stragrande maggioranza delle operazioni sugli amplificatori operazionali (di seguito denominati amplificatori operazionali) viene eseguita utilizzando feedback positivi e negativi.
In questo articolo considereremo un certo "ideale" di un amplificatore operazionale, dal momento che non ha senso passare a un modello specifico. L'ideale significa che la resistenza di ingresso tenderà all'infinito (quindi la corrente di ingresso tenderà a zero) e la resistenza di uscita, al contrario, tenderà a zero (questo significa che il carico non dovrebbe influenzare la tensione di uscita). Inoltre, qualsiasi amplificatore operazionale ideale dovrebbe amplificare i segnali di qualsiasi frequenza. Bene, e soprattutto, anche il guadagno in assenza di feedback dovrebbe tendere all'infinito.
Arriva al punto
Un amplificatore operazionale nei circuiti è molto spesso indicato da un triangolo equilatero. Sulla sinistra ci sono gli ingressi, che sono contrassegnati con "-" e "+", a destra - l'uscita. La tensione può essere applicata a uno qualsiasi degli ingressi, uno dei quali cambia la polarità della tensione (quindi è stato chiamato invertente), l'altro non cambia (è logico supporre che si chiami non invertente). L'alimentazione dell'amplificatore operazionale è solitamente bipolare. Solitamente le tensioni di alimentazione positiva e negativa hanno lo stesso significato (ma segno diverso!).Nel caso più semplice, puoi collegare le sorgenti di tensione direttamente agli ingressi dell'amplificatore operazionale. E quindi la tensione di uscita verrà calcolata dalla formula:
, dove è la tensione all'ingresso non invertente, è la tensione all'ingresso invertente, è la tensione all'uscita ed è il guadagno ad anello aperto.
Diamo un'occhiata all'amplificatore operazionale ideale dal punto di vista di Proteus.
Propongo di "giocare" con lui. All'ingresso non invertente è stata applicata una tensione di 1V. Invertendo 3V. Usiamo l'amplificatore operazionale "ideale". Quindi, otteniamo:. Ma qui abbiamo un limitatore, perché non saremo in grado di amplificare il segnale al di sopra della nostra tensione di alimentazione. Pertanto, l'uscita otterrà ancora -15V. Risultato:
Cambiamo il guadagno (così puoi credermi). Lascia che il parametro Guadagno di tensione sia uguale a due. Lo stesso problema è chiaramente in via di risoluzione.
Applicazione reale di amplificatori operazionali utilizzando l'esempio di amplificatori invertenti e non invertenti
Ce ne sono due così principale regolamenti:IO. L'uscita dell'amplificatore operazionale tende a mantenere la tensione differenziale (la differenza tra la tensione agli ingressi invertente e non invertente) uguale a zero.
II. Gli ingressi dell'amplificatore operazionale non consumano corrente.
La prima regola viene implementata attraverso il feedback. Quelli. la tensione viene trasferita dall'uscita all'ingresso in modo tale che la differenza di potenziale diventi zero.
Questi sono, per così dire, "canoni sacri" nel tema dell'UO.
Ora, più specificamente. Amplificatore invertente si presenta così (attenzione a come si trovano gli input):
In base al primo "canone" otteniamo la proporzione:
, e dopo aver "colpito" un po' con la formula, deriviamo il valore per il guadagno dell'amplificatore operazionale invertente:
La schermata sopra non ha bisogno di commenti. Sostituisci tutto da solo e controlla.
Prossima fase - non invertente amplificatore.
Anche qui è tutto semplice. La tensione viene applicata direttamente all'ingresso non invertente. Il feedback viene applicato all'ingresso invertente. La tensione all'ingresso invertente sarà:
, ma applicando la prima regola si può sostenere che
E ancora una conoscenza "grandiosa" nel campo della matematica superiore ti consente di andare alla formula:
Ecco una schermata esaustiva che puoi ricontrollare se lo desideri: 
Infine, darò un paio di circuiti interessanti in modo da non avere l'impressione che gli amplificatori operazionali possano solo amplificare la tensione.
Inseguitore di tensione (amplificatore tampone). Il principio di funzionamento è lo stesso di un inseguitore a transistor. Utilizzato in catene pesanti. Inoltre, può essere utilizzato per risolvere il problema dell'adattamento dell'impedenza se nel circuito sono presenti divisori di tensione indesiderati. Lo schema è semplice al punto di genio: 
Amplificatore sommatore. Può essere utilizzato quando è necessario aggiungere (sottrarre) più segnali. Per chiarezza: un diagramma (di nuovo, presta attenzione alla posizione degli ingressi): 
Inoltre, presta attenzione al fatto che R1 = R2 = R3 = R4 e R5 = R6. La formula di calcolo in questo caso sarà: (familiare, no?)
Quindi, vediamo che i valori di tensione che vengono applicati all'ingresso non invertente "acquisiscono" un segno più. Invertendo - meno.
Conclusione
I circuiti degli amplificatori operazionali sono estremamente vari. Nei casi più complessi, puoi trovare circuiti di filtro attivi, ADC e dispositivi di campionamento di memoria, amplificatori di potenza, convertitori corrente-tensione e molti altri circuiti.Elenco delle fonti
Un breve elenco di fonti che ti aiuteranno ad abituarti rapidamente sia all'amplificatore operazionale che all'elettronica in generale:Wikipedia
P. Horowitz, W. Hill. "L'arte dei circuiti"
B. Baker. Quello che un designer digitale deve sapere sull'elettronica analogica
Appunti delle lezioni di elettronica (preferibilmente i tuoi)
AGGIORNAMENTO.: Grazie ufo per invito
In un amplificatore non invertente, il segnale di ingresso viene inviato all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale (+), questa è la differenza principale tra l'amplificatore non invertente sull'amplificatore operazionale da. In questo caso, la sorgente del segnale "vede" l'impedenza di ingresso infinita dell'amplificatore operazionale. La tensione di offset zero è zero e quindi l'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale deve essere allo stesso potenziale dell'ingresso non invertente. La corrente dall'uscita dell'amplificatore operazionale crea una caduta di tensione attraverso il resistore R G, che deve essere uguale alla tensione di ingresso V IN.
Riso. 1. Amplificatore operazionale non invertente
Per calcolare la tensione di uscita V OUT e il guadagno, verrà utilizzata la regola di calcolo del partitore di tensione:
Dopo la trasformazione, si ottiene un'espressione per il guadagno nella forma seguente:
È importante notare che l'espressione (2) contiene solo le denominazioni degli elementi passivi.
Se la resistenza del resistore R G viene scelta molto più di R F, il rapporto (R F / R G) tende a zero e, a resistenza zero R F, l'espressione (2) viene convertita in
In questo caso l'amplificatore non invertente si trasforma in un buffer (inseguitore di segnale) a guadagno unitario, con resistenze di ingresso infinite e resistenze di uscita nulle. La resistenza R G in questo caso può anche essere esclusa dal circuito. In pratica, alcuni amplificatori operazionali potrebbero "bruciarsi" se accesi senza resistore R F. Per questo motivo, questo resistore è presente in molti progetti di buffer. La sua funzione è quella di proteggere l'ingresso invertente dai picchi di tensione limitando la corrente a un livello di sicurezza. Il valore comunemente usato per questo resistore è 20 kΩ. Nei circuiti amplificatori a feedback di drenaggio, il resistore R F determina la stabilità ed è sempre necessario. Tuttavia, non essere pigro e guarda la scheda tecnica per l'amplificatore operazionale. Se l'inclusione è descritta lì come in Fig. 2 - sentiti libero di usare!
