Amplificatoarele operaționale sunt una dintre componentele principale ale dispozitivelor electronice analogice moderne. Datorită simplității calculelor și a parametrilor excelenți, amplificatoarele operaționale sunt ușor de utilizat. Se mai numesc și amplificatoare diferențiale deoarece pot amplifica diferența de tensiuni de intrare.
Utilizarea amplificatoarelor operaționale în tehnologia audio este deosebit de populară pentru a amplifica sunetul difuzoarelor muzicale.
Desemnarea pe diagrame
Din carcasa amplificatorului ies de obicei cinci pini, dintre care doi pini sunt intrări, unul este o ieșire, ceilalți doi sunt putere.
Principiul de funcționare
Există două reguli care vă ajută să înțelegeți cum funcționează un amplificator operațional:
- Ieșirea amplificatorului operațional tinde la zero diferența de tensiune pe intrări.
- Intrările amplificatorului nu consumă curent.
Prima intrare este marcată cu „+”, se numește non-inversoare. A doua intrare este marcată cu „-” și este considerată inversabilă.
Intrările amplificatorului au o rezistență mare numită impedanță. Acest lucru permite un consum de curent de câțiva nanoamperi la intrări. La intrare se evaluează mărimea tensiunilor. În funcție de această estimare, amplificatorul emite un semnal amplificat.
Câștigul, care ajunge uneori la un milion, este de mare importanță. Aceasta înseamnă că, dacă se aplică cel puțin 1 milivolt la intrare, atunci tensiunea de ieșire va fi egală cu tensiunea sursei de alimentare a amplificatorului. Prin urmare, opamp nu este utilizat fără feedback.
Intrările amplificatorului funcționează după următorul principiu: dacă tensiunea la intrarea neinversoare este mai mare decât tensiunea intrării inversoare, atunci ieșirea va fi cea mai mare tensiune pozitivă. În situația opusă, rezultatul va fi cea mai mare valoare negativă.
Tensiunile negative și pozitive la ieșirea amplificatorului operațional sunt posibile datorită utilizării unei surse de alimentare bipolare divizate.
Sursa de alimentare a amplificatorului operațional
Dacă luați o baterie de tip deget, atunci are doi poli: pozitiv și negativ. Dacă polul negativ este numărat ca punct de referință zero, atunci polul pozitiv va afișa +1,5 V. Acest lucru poate fi văzut de la conectat.
Luați două elemente și conectați-le în serie, obțineți următoarea imagine.
Dacă polul negativ al bateriei inferioare este luat ca punct zero, iar tensiunea este măsurată la polul pozitiv al bateriei superioare, atunci dispozitivul va afișa +10 volți.
Dacă luăm punctul de mijloc dintre baterii ca zero, atunci se obține o sursă de tensiune bipolară, deoarece există o tensiune de polaritate pozitivă și negativă, egală cu +5 volți, respectiv -5 volți.
Există diagrame bloc simple cu putere împărțită utilizate în proiecte de radio amatori.
Circuitul este alimentat de la rețeaua casnică. Transformatorul reduce curentul la 30 volți. Înfășurarea secundară are o ramură în mijloc, cu ajutorul căreia se obține la ieșire tensiune redresată de +15 V și -15 V.
Soiuri
Există mai multe circuite op-amp diferite care merită examinate în detaliu.
Amplificator inversor
Aceasta este schema de bază. O caracteristică a acestui circuit este că opamp-ul este caracterizat, pe lângă amplificare, și printr-o schimbare de fază. Litera „k” indică parametrul de câștig. Graficul arată efectul amplificatorului în acest circuit.
Albastrul reprezintă semnalul de intrare, iar roșul reprezintă semnalul de ieșire. Câștigul în acest caz este: k = 2. Amplitudinea semnalului de ieșire este de 2 ori mai mare decât cea a semnalului de intrare. Ieșirea amplificatorului este inversată, de unde și numele. Amplificatoarele operaționale inversoare au un circuit simplu:
Aceste amplificatoare operaționale au devenit populare datorită designului lor simplu. Pentru a calcula câștigul, utilizați formula:
Acest lucru arată că amplificarea opamp-ului nu depinde de rezistența R3, așa că te poți descurca fără ea. Aici este folosit pentru protecție.
Amplificatoare operaționale neinversoare
Acest circuit este similar cu cel anterior, diferența este că semnalul nu este inversat (inversat). Aceasta înseamnă menținerea fazei semnalului. Graficul arată semnalul amplificat.
Câștigul amplificatorului neinversător este de asemenea: k = 2. Un semnal sub formă de sinusoid este alimentat la intrare, doar amplitudinea acestuia s-a modificat la ieșire.
Acest circuit nu este mai puțin simplu decât precedentul, are două rezistențe. La intrare, semnalul este aplicat terminalului pozitiv. Pentru a calcula câștigul, trebuie să utilizați formula:
Din aceasta se poate observa că câștigul nu este niciodată mai mic decât unitatea, deoarece semnalul nu este suprimat.
Schema de scădere
Acest circuit face posibilă crearea unei diferențe între două semnale la intrare, care poate fi amplificată. Graficul arată principiul de funcționare al circuitului diferențial.
Acest circuit amplificator se mai numește și circuit de scădere.
Are un design mai complex, spre deosebire de schemele discutate anterior. Pentru a calcula tensiunea de ieșire, utilizați formula:
Partea stângă a expresiei (R3 / R1) definește câștigul, iar partea dreaptă (Ua - Ub) este diferența de tensiune.
Schema de adaos
Acesta se numește amplificator integrat. Este opusul schemei de scădere. Particularitatea sa este capacitatea de a procesa mai mult de două semnale. Toate mixerele de sunet funcționează pe acest principiu.
Această diagramă arată posibilitatea însumării mai multor semnale. Pentru a calcula tensiunea, se aplică formula:
Circuit integrator
Dacă adăugați un condensator la circuitul de feedback, obțineți un integrator. Acesta este un alt dispozitiv care folosește amplificatoare operaționale.
Circuitul integrator este similar cu un amplificator inversor, cu adăugarea capacității în feedback. Acest lucru duce la o dependență a funcționării sistemului de frecvența semnalului de intrare.
Integratorul este caracterizat de o caracteristică interesantă a tranziției dintre semnale: mai întâi, un semnal dreptunghiular este convertit într-un semnal triunghiular, apoi este transformat într-unul sinusoidal. Câștigul se calculează folosind formula:
În această formulă, variabila ω = 2 π f crește odată cu creșterea frecvenței, prin urmare, cu cât frecvența este mai mare, cu atât câștigul este mai mic. Prin urmare, integratorul poate acționa ca un filtru activ trece-jos.
Circuit diferențiator
În această schemă, situația este inversată. O capacitate este conectată la intrare și o rezistență este conectată în feedback.
Judecând după numele circuitului, principiul său de funcționare constă în diferență. Cu cât este mai mare rata de schimbare a semnalului, cu atât valoarea câștigului este mai mare. Acest parametru vă permite să creați filtre active pentru frecvență înaltă.
Câștigul pentru diferențiator se calculează folosind formula:
Această expresie este inversă cu cea a integratorului. Câștigul crește în direcția negativă odată cu creșterea frecvenței.
Comparator analogic
Dispozitivul comparator compară cele două valori ale tensiunii și convertește semnalul la o valoare scăzută sau ridicată la ieșire, în funcție de starea tensiunii. Acest sistem include electronice digitale și analogice.
O caracteristică a acestui sistem este lipsa de feedback în versiunea principală. Aceasta înseamnă că rezistența buclei este foarte mare.
Un semnal este furnizat la intrarea pozitivă, iar tensiunea principală este aplicată la intrarea negativă, care este setată de un potențiometru. Din cauza lipsei de feedback, câștigul tinde spre infinit.
Când tensiunea la intrare depășește valoarea tensiunii de referință principale, la ieșire se obține cea mai mare tensiune, care este egală cu tensiunea de alimentare pozitivă. Dacă tensiunea de intrare este mai mică decât cea de referință, atunci valoarea de ieșire va fi o tensiune negativă egală cu tensiunea sursei de alimentare.
Există un dezavantaj semnificativ în circuitul comparator analogic. Când valorile tensiunii la cele două intrări se apropie una de cealaltă, tensiunea de ieșire se poate schimba frecvent, ceea ce duce de obicei la lacune și defecțiuni în funcționarea releului. Acest lucru ar putea duce la funcționarea defectuoasă a echipamentului. Pentru a rezolva această problemă, se folosește un circuit de histerezis.
Comparator analog cu histerezis
Figura arată schema de acțiune a schemei cu, care este similară cu schema anterioară. Diferența este că oprirea și pornirea nu au loc la aceeași tensiune.
Direcția săgeților de pe grafic indică direcția de mișcare a histerezisului. Când se examinează graficul de la stânga la dreapta, se poate observa că tranziția la un nivel inferior se realizează la tensiunea Uph, iar deplasându-se de la dreapta la stânga, tensiunea de la ieșire va atinge cel mai înalt nivel la tensiunea Upl. .
Acest principiu de funcționare duce la faptul că, cu valori egale ale tensiunilor de intrare, starea la ieșire nu se schimbă, deoarece modificarea necesită o diferență de tensiuni semnificativă.
O astfel de funcționare a circuitului duce la o anumită inerție a sistemului, dar este mai sigură, spre deosebire de circuitul fără histerezis. De obicei, acest principiu de funcționare este utilizat în dispozitivele de încălzire cu termostat: sobe, fiare de călcat etc. Figura prezintă un circuit amplificator cu histerezis.
Tensiunile se calculează în funcție de următoarele relații:
Repetoare de tensiune
Amplificatoarele operaționale sunt adesea folosite în circuitele de urmărire a tensiunii. Caracteristica principală a acestor dispozitive este că nu amplifică sau atenuează semnalul, adică câștigul în acest caz este egal cu unitatea. Această caracteristică se datorează faptului că bucla de feedback are rezistență zero.
Astfel de sisteme de urmărire a tensiunii sunt cel mai adesea folosite ca un tampon pentru a crește curentul de sarcină și operabilitatea dispozitivului. Deoarece curentul de intrare este aproape de zero, iar curentul de ieșire depinde de tipul de amplificator, adică de posibilitatea de a descărca surse slabe de semnal, de exemplu, unii senzori.
S-a arătat că atunci când se utilizează un amplificator operațional în diferite scheme de comutare, câștigul unei etape pe un singur amplificator operațional (op-amp) depinde numai de adâncimea feedback-ului. Prin urmare, formulele pentru determinarea câștigului unui anumit circuit nu folosesc câștigul amplificatorului operațional „gol” în sine, ca să spunem așa. Adică doar acel coeficient uriaș, care este indicat în cărțile de referință.
Atunci este destul de potrivit să punem întrebarea: „Dacă rezultatul final (castigul) nu depinde de acest coeficient de referință uriaș, atunci care este diferența dintre un amplificator operațional cu un câștig de câteva mii de ori și cu același op-amp, dar cu un câștig de câteva sute de mii și chiar milioane?"
Răspunsul este destul de simplu. În ambele cazuri, rezultatul va fi același, amplificarea cascadei va fi determinată de elementele OOS, dar în al doilea caz (amplificator operațional cu câștig mare), circuitul funcționează mai stabil, mai precis, viteza de astfel de circuite este mult mai mare. Nu degeaba amplificatoarele operaționale sunt împărțite în amplificatoare operaționale de uz general și cele de înaltă precizie, de precizie.
După cum sa menționat deja, denumirea „operațională” considera amplificatoare primite la acea perioadă îndepărtată, când erau folosite în principal pentru a efectua operații matematice în calculatoare analogice (AVM). Acestea erau operații de adunare, scădere, înmulțire, împărțire, pătrat și multe alte funcții.
Aceste amplificatoare operaționale antediluviane au fost realizate pe tuburi electronice, mai târziu pe tranzistoare discrete și alte componente radio. Desigur, dimensiunile chiar și ale amplificatoarelor operaționale cu tranzistori au fost suficient de mari pentru a fi utilizate în proiecte de amatori.
Și numai după ce, datorită realizărilor electronice integrate, amplificatoarele operaționale au devenit de dimensiunea unui tranzistor obișnuit de putere mică, atunci utilizarea acestor părți în echipamentele de uz casnic și în circuitele de amatori a devenit justificată.
Apropo, amplificatoarele operaționale moderne, chiar și de calitate destul de înaltă, au prețuri puțin mai mari decât două sau trei tranzistoare. Această declarație se aplică amplificatoarelor operaționale de uz general. Amplificatoarele de precizie pot costa ceva mai mult.
În ceea ce privește circuitele de pe amplificatorul operațional, merită imediat să facem o remarcă că toate sunt proiectate pentru a fi alimentate de la o sursă de alimentare bipolară. Acest mod este cel mai „obișnuit” pentru un amplificator operațional, permițând amplificarea nu numai a semnalelor de tensiune AC, cum ar fi un sinusoid, ci și a semnalelor DC sau pur și simplu a tensiunii.
Și totuși, destul de des, alimentarea circuitelor de la amplificatorul operațional este realizată dintr-o sursă unipolară. Adevărat, în acest caz nu este posibilă creșterea tensiunii constante. Dar se întâmplă adesea ca acest lucru pur și simplu să nu fie necesar. Despre circuitele cu alimentare unipolară vom vorbi mai târziu, dar deocamdată vom continua despre circuitele pentru pornirea unui amplificator operațional cu sursă bipolară.
Tensiunea de alimentare a majorității amplificatoarelor operaționale este cel mai adesea în ± 15V. Dar asta nu înseamnă deloc că această tensiune nu poate fi redusă oarecum (mai mare nu este recomandată). Multe amplificatoare operaționale funcționează foarte stabil de la ± 3V, iar unele modele chiar și la ± 1,5V. Această posibilitate este indicată în documentația tehnică (Fișa de date).
Următorul de tensiune
Este cel mai simplu dispozitiv de pe un amplificator operațional din circuite, circuitul său este prezentat în Figura 1.
Figura 1. Circuitul unui adept de tensiune pe un amplificator operațional
Este ușor de observat că nu a fost nevoie de niciun detaliu pentru a crea un astfel de circuit, cu excepția op-amp-ului în sine. Adevărat, figura nu arată conexiunea de alimentare, dar o astfel de contur a circuitelor se găsește tot timpul. Singurul lucru pe care aș dori să remarc este că între pinii de putere ai amplificatorului operațional (de exemplu, pentru amplificatorul operațional KR140UD708, aceștia sunt pinii 7 și 4) și firul comun ar trebui să fie conectat cu o capacitate de 0,01 .. 0,5 mkF.
Scopul lor este de a face funcționarea amplificatorului operațional mai stabilă, pentru a scăpa de autoexcitarea circuitului din circuitele de alimentare. Condensatorii trebuie conectați cât mai aproape de pinii de alimentare ai microcircuitului. Uneori, un condensator este conectat pe baza unui grup de mai multe microcircuite. Aceiași condensatoare pot fi văzute pe plăci cu microcircuite digitale, scopul lor este același.
Câștigul repetitorului este egal cu unitatea sau, altfel spus, nu există niciun câștig. Atunci de ce este nevoie de o astfel de schemă? Aici este destul de potrivit să ne amintim că există un circuit tranzistor - un adept de emițător, al cărui scop principal este de a potrivi cascade cu diferite rezistențe de intrare. Astfel de cascade (repetoare) sunt numite și cascade tampon.
Impedanța de intrare a repetorului pe amplificatorul operațional este calculată ca produsul dintre impedanța de intrare a amplificatorului operațional și câștigul acestuia. De exemplu, pentru UD708 menționat, impedanța de intrare este de aproximativ 0,5 MΩ, câștigul este de cel puțin 30.000 și poate chiar mai mult. Dacă aceste numere sunt înmulțite, atunci rezistența de intrare este de 15GΩ, ceea ce este comparabil cu rezistența izolației nu foarte de înaltă calitate, de exemplu, hârtie. Este puțin probabil să se obțină un rezultat atât de ridicat cu un emițător de urmărire convențional.
Pentru ca descrierile să nu dea naștere la îndoieli, mai jos vor exista figuri care arată funcționarea tuturor circuitelor descrise în programul simulator Multisim. Desigur, toate aceste circuite pot fi asamblate pe prototipuri, dar nu puteți obține rezultate mai proaste și pe ecranul monitorului.
De fapt, aici este și puțin mai bine: nu trebuie să te urci undeva pe raft pentru a schimba rezistența sau microcircuitul. Totul aici, chiar și dispozitivele de măsurare, este în program și „obține” cu ajutorul unui mouse sau al tastaturii.
Figura 2 prezintă circuitul repetitor realizat în programul Multisim.
Figura 2.
Studiul circuitului este destul de simplu de realizat. Un semnal sinusoidal cu o frecvență de 1 KHz și o amplitudine de 2 V este aplicat la intrarea adeptului de la generatorul de funcții, așa cum se arată în Figura 3.
Figura 3.
Semnalul la intrarea și la ieșirea repetitorului este observat de un osciloscop: semnalul de intrare este afișat ca un fascicul albastru, fasciculul de ieșire este roșu.
Figura 4.
Și de ce, se va întreba cititorul atent, semnalul de ieșire (roșu) este de două ori cel de intrare albastru? Totul este foarte simplu: cu aceeași sensibilitate a canalelor osciloscopului, ambele sinusoide cu aceeași amplitudine și fază se contopesc într-unul singur, se ascund unul în spatele celuilalt.
Pentru a le vedea pe amândouă deodată, a trebuit să reducem sensibilitatea unuia dintre canale, în acest caz a celui de intrare. Drept urmare, unda sinusoidală albastră a devenit exact jumătate din dimensiunea ecranului și a încetat să se mai ascundă în spatele celei roșii. Deși pentru a obține un rezultat similar, puteți pur și simplu să mutați fasciculele folosind comenzile osciloscopului, lăsând sensibilitatea canalelor aceeași.
Ambele sinusoide sunt situate simetric în jurul axei timpului, ceea ce înseamnă că componenta constantă a semnalului este zero. Ce se întâmplă dacă adăugați o componentă DC mică la semnalul de intrare? Generatorul virtual vă permite să mutați unda sinusoidală de-a lungul axei Y. Să încercăm să o deplasăm în sus cu 500 mV.
Figura 5.
Ce a rezultat din aceasta este prezentat în Figura 6.
Figura 6.
Este de observat că sinusoidele de intrare și de ieșire au crescut cu jumătate de volt, fără a se schimba deloc. Acest lucru indică faptul că repetorul a transmis cu exactitate și componenta DC a semnalului. Dar cel mai adesea încearcă să scape de această componentă constantă, să o facă egală cu zero, ceea ce face posibilă evitarea utilizării unor astfel de elemente de circuit, cum ar fi condensatorii de decuplare interetajate.
Un repetor este, desigur, bun și chiar frumos: nu a fost nevoie de niciun detaliu suplimentar (deși există circuite de repetoare cu „adăugiri”) nesemnificative, dar nu au primit nicio amplificare. Ce fel de amplificator este atunci? Pentru a obține un amplificator, este suficient să adăugați doar câteva detalii, cum să faceți acest lucru va fi descris în continuare.
Amplificator inversor
Pentru a face un amplificator inversor din amplificatorul operațional, este suficient să adăugați doar două rezistențe. Ce a rezultat din aceasta este prezentat în Figura 7.
Figura 7. Schema unui amplificator inversor
Câștigul unui astfel de amplificator este calculat prin formula K = - (R2 / R1). Semnul minus nu înseamnă că amplificatorul s-a dovedit a fi rău, ci doar că semnalul de ieșire va fi opus în fază semnalului de intrare. Nu e de mirare că amplificatorul se numește inversor. Aici ar fi potrivit să reamintim un tranzistor conectat conform unui circuit cu un OE. Și acolo, semnalul de ieșire de pe colectorul tranzistorului este în antifază cu semnalul de intrare alimentat la bază.
Aici merită să ne amintim cât de mult efort va trebui depus pentru a obține un sinusoid pur nedistorsionat pe colectorul tranzistorului. Este necesar să selectați în mod corespunzător polarizarea pe baza tranzistorului. Acest lucru este de obicei destul de dificil, în funcție de mulți parametri.
Când utilizați un amplificator operațional, este suficient să calculați pur și simplu rezistența rezistențelor conform formulei și să obțineți câștigul specificat. Se pare că configurarea unui circuit op-amp este mult mai ușoară decât configurarea mai multor trepte de tranzistor. Prin urmare, nu trebuie să vă temeți că schema nu va funcționa, nu va funcționa.
Figura 8.
Aici totul este la fel ca în figurile anterioare: semnalul de intrare este afișat în albastru, iar în roșu este după amplificator. Totul corespunde formulei K = - (R2 / R1). Semnalul de ieșire este în antifază cu semnalul de intrare (care corespunde semnului minus din formulă), iar amplitudinea semnalului de ieșire este exact de două ori mai mare decât cea de intrare. Acest lucru este valabil și atunci când raportul (R2 / R1) = (20/10) = 2. Pentru a obține câștigul, de exemplu, 10, este suficient să creșteți rezistența rezistorului R2 la 100KΩ.
De fapt, circuitul amplificatorului inversor poate fi ceva mai complicat, această opțiune este prezentată în Figura 9.
Figura 9.
O parte nouă a apărut aici - rezistența R3 (mai degrabă, pur și simplu a dispărut din circuitul anterior). Scopul său este de a compensa curenții de intrare ai unui amplificator operațional real pentru a reduce instabilitatea temperaturii componentei constante la ieșire. Valoarea acestui rezistor este aleasă după formula R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).
Amplificatoarele operaționale moderne extrem de stabile permit conectarea unei intrări non-inversoare la firul comun direct fără rezistența R3. Deși prezența acestui element nu va face nimic rău, dar la scara actuală de producție, atunci când economisesc pe tot, preferă să nu instaleze acest rezistor.
Formulele pentru calcularea amplificatorului inversor sunt prezentate în figura 10. De ce în figură? Da, doar pentru claritate, într-o linie de text nu ar părea atât de familiare și de înțeles, nu ar fi atât de vizibile.
Figura 10.
Câștigul a fost menționat mai devreme. Aici merită atenție doar rezistențele de intrare și de ieșire ale unui amplificator neinversător. Cu rezistența de intrare, totul pare să fie clar: se dovedește a fi egală cu rezistența rezistorului R1, dar rezistența de ieșire va trebui calculată folosind formula prezentată în Figura 11.
Litera K ”indică coeficientul de referință al DT. Aici, vă rog, calculați care va fi impedanța de ieșire. Se va dovedi a fi o cifră destul de mică, chiar și pentru un OA mediu de tip UD7 cu K ”egal cu cel mult 30.000 , desigur, în limite, vă puteți conecta la această cascadă.
Trebuie făcută o notă separată despre unitatea din numitorul formulei de calcul a rezistenței de ieșire. Să presupunem că raportul R2 / R1 va fi, de exemplu, 100. Acesta este raportul care va fi obținut în cazul câștigului amplificatorului inversor 100. Se dovedește că dacă această unitate este aruncată, atunci nimic nu se va schimba prea mult . De fapt, acest lucru nu este adevărat.
Să presupunem că rezistența rezistorului R2 este egală cu zero, așa cum este cazul repetorului. Apoi, fără unul, întregul numitor se întoarce la zero, iar rezistența de ieșire va fi același zero. Și dacă atunci acest zero se dovedește a fi undeva în numitorul formulei, cum ordonați să împărțiți la el? Prin urmare, este pur și simplu imposibil să scapi de această unitate aparent nesemnificativă.
Într-un articol, chiar și unul destul de mare, nu poți scrie totul. Prin urmare, va trebui să faci tot ce nu se încadrează în articolul următor. Va fi o descriere a unui amplificator neinversător, a unui amplificator diferenţial, a unui amplificator cu sursă unipolară. Va fi, de asemenea, o descriere a circuitelor simple pentru testarea amplificatorului operațional.
Ea a deschis o serie de articole despre elementele de bază ale electronicii analogice moderne - amplificatoare operaționale. S-a dat definiția op-amp și unii parametri și a fost dată și clasificarea amplificatoarelor operaționale. Acest articol va dezvălui un astfel de concept ca un amplificator operațional ideal și vor fi prezentate circuitele de bază pentru pornirea unui amplificator operațional.
Amplificatorul operațional ideal și proprietățile acestuia
Deoarece lumea noastră nu este ideală, nu există amplificatoare operaționale ideale. Cu toate acestea, parametrii amplificatoarelor operaționale moderne sunt la un nivel destul de ridicat, astfel încât analiza circuitelor cu amplificatoare operaționale ideale oferă rezultate foarte apropiate de amplificatoarele reale.
Pentru a înțelege cum funcționează circuitele op-amp, se fac o serie de ipoteze care conduc amplificatoarele operaționale reale la amplificatoare ideale. Există doar cinci astfel de ipoteze:
- Se presupune că curentul care trece prin intrările amplificatorului operațional este zero.
- Se presupune că factorul de amplificare al amplificatorului operațional este infinit de mare, adică tensiunea de ieșire a amplificatorului poate atinge orice valoare, dar în realitate este limitată de tensiunea de alimentare.
- Diferența de tensiune dintre intrările unui amplificator operațional ideal este zero, adică dacă unul dintre terminale este conectat la masă, atunci al doilea terminal are același potențial. De asemenea, rezultă că impedanța de intrare a unui amplificator ideal este infinită.
- Impedanța de ieșire a unui amplificator operațional ideal este zero.
- Răspunsul în frecvență al unui amplificator operațional ideal este plat, adică câștigul este independent de frecvența semnalului de intrare.
Apropierea parametrilor unui amplificator operațional real de ideal determină acuratețea cu care poate funcționa un anumit amplificator operațional, precum și aflarea valorii unui anumit amplificator operațional și alegerea rapid și corect a unei opțiuni adecvate. -amp.
Pe baza ipotezelor de mai sus, devine posibilă analizarea și derivarea relațiilor pentru circuitele principale de comutare ale unui amplificator operațional.
Circuite de bază pentru pornirea unui amplificator operațional
După cum sa menționat în articolul anterior, amplificatoarele operaționale funcționează numai cu feedback, al cărui tip determină dacă amplificatorul operațional funcționează în modul liniar sau în modul de saturație. Feedback-ul de la ieșirea amplificatorului operațional la intrarea sa inversată determină, de obicei, amplificatorul operațional să funcționeze într-un mod liniar, iar feedback-ul de la ieșirea amplificatorului operațional la intrarea sa fără inversare sau la funcționarea în buclă deschisă duce la saturația amplificatorului.
Amplificator non-inversoare
Un amplificator neinversător este caracterizat prin aceea că semnalul de intrare merge la intrarea neinversoare a amplificatorului operațional. Această diagramă de conectare este prezentată mai jos.
Funcționarea acestui circuit este explicată după cum urmează, ținând cont de caracteristicile unui amplificator operațional ideal. Semnalul este alimentat la un amplificator cu impedanță de intrare infinită, iar tensiunea la intrarea neinversoare are aceeași valoare ca la intrarea inversoare. Curentul de la ieșirea amplificatorului operațional creează o tensiune pe rezistorul R2 egală cu tensiunea de intrare.
Astfel, parametrii principali ai acestui circuit sunt descriși prin următoarea relație
Prin urmare, este derivată relația pentru câștigul amplificatorului neinversător
Astfel, putem concluziona că câștigul este influențat doar de evaluările componentelor pasive.
Trebuie remarcat un caz special, când rezistorul R2 este mult mai mare decât R1 (R2 >> R1), atunci câștigul va tinde spre unitate. În acest caz, circuitul amplificator non-inversător este convertit într-un tampon analog sau repetor operațional cu un câștig unitar, impedanță de intrare foarte mare și impedanță de ieșire practic zero. Acest lucru asigură decuplarea eficientă a intrării și ieșirii.
Amplificator inversor
Un amplificator inversor se caracterizează prin faptul că intrarea neinversoare a amplificatorului operațional este împământat (adică conectată la borna comună de putere). Într-un amplificator operațional ideal, diferența de tensiune dintre intrările amplificatorului este zero. Prin urmare, bucla de feedback trebuie să se asigure că tensiunea la intrarea inversoare este, de asemenea, zero. Circuitul amplificatorului inversor este prezentat mai jos.
Funcționarea circuitului este explicată după cum urmează. Curentul care curge prin terminalul inversor într-un amplificator operațional ideal este zero, deci curenții care curg prin rezistențele R1 și R2 sunt egali între ei și opus în direcție, atunci relația de bază va arăta ca
Atunci câștigul acestui circuit va fi egal cu
Un semn minus în această formulă indică faptul că semnalul de la ieșirea circuitului este inversat față de semnalul de intrare.
Integrator
Integratorul vă permite să implementați un circuit în care modificarea tensiunii de ieșire este proporțională cu semnalul de intrare. Diagrama schematică a celui mai simplu integrator op-amp este prezentată mai jos.
Un integrator bazat pe un amplificator operațional.
Acest circuit implementează operația de integrare peste semnalul de intrare. Am luat deja în considerare scheme pentru integrarea diferitelor semnale folosind integratori. Integratorul implementează o modificare similară a semnalului de intrare, dar are câteva avantaje față de lanțurile de integrare. În primul rând, circuitele RC și RL atenuează semnificativ semnalul de intrare și, în al doilea rând, au o impedanță mare de ieșire.
Astfel, principalele rapoarte de proiectare ale integratorului sunt similare cu circuitele integratoare RC și RL, iar tensiunea de ieșire va fi
Integratorii sunt utilizați pe scară largă în multe dispozitive analogice, cum ar fi filtrele active și sistemele de control automat.
Diferențiator
Diferențiatorul în acțiunea sa este opusă activității integratorului, adică semnalul de ieșire este proporțional cu rata de schimbare a semnalului de intrare. O diagramă a celui mai simplu diferențiator este prezentată mai jos.
Diferențiatorul implementează operația de diferențiere pe semnalul de intrare și este similar cu acțiunea diferențiatorilor, în plus, are parametri mai buni față de circuitele RC și RL: practic nu atenuează semnalul de intrare și are o impedanță de ieșire semnificativ mai mică. Rapoartele de proiectare de bază și răspunsul la diverse impulsuri sunt similare cu cele ale lanțurilor de diferențiere.
Tensiunea de ieșire va fi
Unul dintre circuitele op-amp care și-a găsit aplicație este convertorul de logaritm. Acest circuit folosește o proprietate sau un tranzistor bipolar. O diagramă a celui mai simplu convertor logaritmic este prezentată mai jos.
Acest circuit este folosit în primul rând ca compresor de semnal pentru a crește intervalul dinamic, precum și pentru a îndeplini funcții matematice.
Să luăm în considerare principiul de funcționare al unui convertor logaritmic. După cum știți, curentul care curge prin diodă este descris de următoarea expresie
unde I O este curentul invers al diodei,
e - numărul e, baza logaritmului natural, e ≈ 2,72,
q este sarcina electronului,
U este tensiunea pe diodă,
k - constanta Boltzmann,
T este temperatura în grade Kelvin.
Când calculați, puteți lua I O ≈ 10-9 A, kT / q = 25 mV. Astfel, curentul de intrare al acestui circuit va fi
apoi tensiunea de ieșire
Cel mai simplu convertor logaritmic nu este practic utilizat, deoarece are o serie de dezavantaje serioase:
- Sensibilitate ridicată la temperatură.
- Dioda nu oferă suficientă precizie de conversie, deoarece relația dintre căderea de tensiune și curentul diodei nu este destul de logaritmică.
Ca urmare, în loc de diode, acestea sunt utilizate într-o conexiune de diodă sau cu o bază împământă.
Un circuit convertor exponențial este obținut dintr-un convertor logaritmic prin inversarea poziției diodei și a rezistenței în circuit. Și funcționarea unui astfel de circuit, precum și a unui convertor logaritmic, se bazează pe relația logaritmică dintre căderea de tensiune pe diodă și curentul care curge prin diodă. Circuitul convertorului exponențial este prezentat mai jos
Funcționarea circuitului este descrisă de expresiile binecunoscute
Astfel, tensiunea de ieșire va fi
Pe lângă un convertor logaritmic, cel mai simplu convertor exponențial cu o diodă la intrare este rar utilizat, din motivele de mai sus, prin urmare, în loc de diodele la intrare, tranzistoarele bipolare sunt utilizate într-o conexiune de diodă sau cu o bază comună.
Amplificatoare de putere. Circuite liniare pe un amplificator operațional.
Amplificatoarele operaționale sunt utilizate pe scară largă în dispozitivele electronice analogice. Este convenabil să luăm în considerare funcțiile implementate de un OA cu OOS dacă OA este prezentat sub forma unui model ideal, în care:
- Impedanța de intrare a amplificatorului operațional este egală cu infinit, curenții electrozilor de intrare sunt egali cu zero (Rin> ∞, i + = i- = 0).
- Impedanța de ieșire a amplificatorului operațional este zero, adică amplificatorul operațional de pe partea de intrare este o sursă de tensiune ideală (Rout = 0).
- Câștigul de tensiune (factorul de tensiune al semnalului diferențial) este infinit, iar semnalul diferențial în modul câștig este zero (nu este permisă scurtcircuitarea pinilor amplificatorului operațional).
- În modul de saturație, tensiunea de ieșire este egală ca mărime cu tensiunea de alimentare, iar semnul este determinat de polaritatea tensiunii de intrare. Este util să rețineți că semnalul diferențial nu poate fi întotdeauna presupus a fi zero în modul de saturație.
- Semnalul modului comun nu are efect asupra amplificatorului operațional.
- Tensiunea de compensare a zero este zero.
Amplificator inversor op-amp
Circuitul unui amplificator inversor acoperit de un feedback de tensiune paralel este prezentat în figuri:
OOS este implementat prin conectarea ieșirii amplificatorului la intrare cu rezistorul R2.
Curenții sunt însumați la intrarea de inversare a amplificatorului operațional. Deoarece curentul de intrare al amplificatorului operațional i- = 0, atunci i1 = i2. Deoarece i1 = Uin / R1 și i2 = -Uout / R2, atunci. Ku = = -R2 / R1. Semnul „-” indică faptul că are loc inversarea semnului tensiunii de intrare.
În figura (b), un rezistor R3 este inclus în circuitul de intrare fără inversare pentru a reduce influența curenților de intrare op-amp, a căror rezistență este determinată din expresia:
Impedanța de intrare a amplificatorului la frecvențe joase este aproximativ egală cu Rin.os = ≈ R1
Rezistența de ieșire Rout.os = semnificativ mai mică decât Rout a amplificatorului operațional real.
Amplificator op-amp fără inversare
O schemă a unui amplificator neinversător acoperit de un feedback de tensiune serial este prezentată în figură:
OOS este implementat folosind rezistențele R1, R2.
Folosind ipotezele acceptate anterior pentru modelul ideal, obținem
Impedanta de intrare: Rin.os → ∞
Impedanța de ieșire: Rout.os = → 0
Dezavantajul amplificării este prezența unui semnal de mod comun la intrările egale cu Uin.
Adept de tensiune pe amplificator operațional
Circuitul urmăritor, obținut din circuitul amplificator neinversător, la R1 → ∞, R2 → 0, este prezentat în figură:
Coeficientul β = 1, Ku.os = K / 1 + K ≈ 1, i.e. tensiunea la intrarea și la ieșirea amplificatorului operațional este egală: Uin = Uout.
Adunator de tensiune op-amp (adunator inversor)
Un circuit amplificator inversor cu circuite de intrare suplimentare este prezentat în figură:
Considerând că i + = i- = 0, ioc = - Uout / Roc = Uin1 / R1 + Uin2 / R2 + ... + Uinn / Rn, obținem: Uout = -Ros (Uin1 / R1 + Uin2 / R2 + . ... + Uin / Rn)
Dacă Roc = R1 = R2 = ... = Rn, atunci Uout = - (Uin1 + Uin2 + ... + Uin).
Op-amp-ul funcționează în modul liniar.
Pentru a reduce influența curenților de intrare op-amp, un rezistor Re (indicat printr-o linie punctată în figură) este inclus în circuitul de intrare neinversător cu rezistența: Re = R1 // R2 //… // Rn // Roc.
Amplificator subtractiv pe amplificator operațional
Circuitul amplificatorului cu intrare diferențială este prezentat în figură:
Amplificatorul este o combinație între un amplificator inversor și un amplificator neinversător. În acest caz, tensiunea de ieșire este determinată din expresia:
Uout = Uin2 R3 / (R3 + R4) (1 + R2 / R1) - Uin1 R2 / R1
Cu R1 = R2 = R3 = R4: Uout = Uin2 - Uin1 - i.e. depinde de diferența dintre semnalele de intrare.
Amplificator integrator op-amp
Circuitul integrator, în care este instalat un condensator în circuitul de feedback, este prezentat în figură:
Să fie introdus un impuls dreptunghiular Uin la intrare. Pe intervalul t1 ... t2, amplitudinea Uin este egală cu U. Deoarece curentul de intrare al amplificatorului operațional este zero, atunci | iin | = | -ic |, iin = Uin / R1, ic = C dUout / dt.
Uin / R1 = C dUout / dt or 
unde Uout (0) este tensiunea la ieșire (condensator C) până la momentul începerii integrării (până la momentul t1).
τ = R1 C este constanta de timp de integrare, i.e. timpul în care Uout se va modifica cu valoarea ΔUout = U.
Astfel, tensiunea de ieșire în intervalul t1 ... t2 se modifică liniar și reprezintă integrala tensiunii de intrare. Constanta de timp ar trebui să fie astfel încât până la sfârșitul integrării Uout< Eпит .
Amplificator de diferentiere
Schimbând R1 și C1 în integrală, obținem un circuit amplificator diferenţial:
Prin analogie cu amplificatorul de integrare, scriem:
Ic = C dUin / dt, IR2 = -Uout / R
pentru că | Ic | = | -IR2 |, apoi Uout = - CR dUin / dt
τ = CR - constanta de diferentiere.
Utilizarea op-amp este departe de a fi limitată la schemele de mai sus.
Filtre active
În electronică, un dispozitiv este utilizat pe scară largă pentru a separa un semnal util de un număr de semnale de intrare cu o atenuare simultană a semnalelor de interferență prin utilizarea filtrelor.
Filtrele sunt împărțite în nepasive bazate pe condensatoare, inductori și rezistențe și active pe bază de tranzistoare și amplificatoare operaționale.
În electronica informațională, filtrele active sunt utilizate în mod obișnuit. Termenul „activ” se explică prin includerea unui element activ (de la un tranzistor sau amplificator operațional) în circuitul RLC - un element activ (de la un tranzistor sau amplificator operațional) pentru a compensa pierderile pe elementele pasive.
Un filtru este un dispozitiv care transmite semnale într-o bandă de trecere și le întârzie în restul intervalului de frecvență.
După tipul de răspuns în frecvență, filtrele sunt împărțite în filtre low-pass (LPF) și filtre high-pass (HPF), filtre trece-bandă și filtre notch.
Diagrama celui mai simplu filtru trece-jos și răspunsul său în frecvență sunt prezentate în figură:
În lățimea de bandă 0 - fc, semnalul util trece prin filtrul trece jos fără distorsiuni.
Fс - fз - bandă de tranziție,
fз - ∞ - bandă de oprire,
fс - frecvența de tăiere,
fs - frecvența întârzierii.
Filtrul de trecere înaltă trece semnalele de înaltă frecvență și întârzie semnalele de joasă frecvență.
Un filtru trece-bandă trece semnale dintr-o bandă de frecvență situată într-o parte interioară a axei frecvenței.
Circuitul de filtrare se numește Podul Viena. La frecventa f0 =
Puntea lui Vin are un raport de transmisie de β = 1/3. Pentru R1 = R2 = R și C1 = C2 = C
Un filtru notch nu permite trecerea semnalelor care se află într-o anumită bandă de frecvență și transmite semnale cu alte frecvențe.
Circuitul de filtru se numește punte dublă în T dezechilibrat.
Unde R1 = R2 = R3 = R, C1 = C2 = C3 = C.
Ca exemplu, luați în considerare un filtru trece-jos activ cu doi poli (în ceea ce privește numărul de condensatori).
Op-amp-ul funcționează în modul liniar. Când se calculează, fс este setat. Câștigul din banda de trecere trebuie să îndeplinească condiția: K0 ≤ 3.
Dacă luăm C1 = C2 = C, R1 = R2 = R, atunci C = 10 / fc, unde fc - în Hz, C - în μF,
Pentru a obține o schimbare mai rapidă a câștigului pentru a se îndepărta de banda de trecere, circuite similare sunt incluse secvenţial.
Schimbând rezistențele R1, R2 și condensatoarele C1, C2, obținem un filtru trece-înalt.
Amplificatoare selective
Amplificatoarele selective vă permit să amplificați semnalele într-un interval limitat de frecvență, izolând semnalele utile și atenuând toate celelalte. Acest lucru se realizează prin utilizarea filtrelor speciale în circuitul de feedback al amplificatorului. Un circuit amplificator selectiv cu o punte T dublă în circuitul de feedback negativ este prezentat în figură:
Câștigul filtrului (curba 3) scade de la 0 la 1. Răspunsul în frecvență a amplificatorului este ilustrat de curba 1. La frecvența cvasi-rezonantă, câștigul filtrului în circuitul de feedback negativ este zero, Uout este maxim. La frecvențele la stânga și la dreapta lui f0, coeficientul de transfer al filtrului tinde spre unitate și Uout = Uin. Astfel, filtrul alocă lățimea de bandă Δf, iar amplificatorul realizează operația de amplificare analogică.
Oscilatoare armonice
În sistemele de control se folosesc generatoare de semnal de diferite tipuri. Un oscilator armonic este un dispozitiv care creează o tensiune sinusoidală alternativă.
Schema bloc a unui astfel de generator este prezentată în figură:
Nu există semnal de intrare. Uout = K · Uos.
Pentru ca oscilații sinusoidale să apară, condiția de autoexcitare trebuie îndeplinită pentru o singură frecvență:
К γ = 1 este echilibrul amplitudinilor,
φ + ψ = 2πn - echilibru de fază,
unde K este câștigul amplificatorului,
γ este coeficientul de transmisie al legăturii de feedback pozitiv,
φ este defazajul pentru amplificator,
ψ este defazajul pentru circuitul de feedback,
n = 0, 1,...
Principalii generatori de semnale sinusoidale sunt filtrele, cum ar fi podul Wien. Un generator bazat pe amplificator operațional care conține un pod Wien este prezentat în figură:
Generatorul generează un semnal sinusoidal cu frecvență.
La frecvența f0, câștigul filtrului este β = 1/3. Amplificatorul trebuie să aibă un câștig K ≥ 3, care este setat de rezistențele R1 și R2. O problemă importantă este stabilizarea amplitudinii Uout, care este asigurată de introducerea rezistorului R3 și a diodelor Zener VD1 și VD2. La Uout scăzut, tensiunea la VD1 și VD2 este mai mică decât tensiunea de stabilizare, iar R3 nu este manevrat de diode Zener. În acest caz, K> 3 și Uout crește. Când tensiunea de pe diodele Zener este egală cu tensiunea de stabilizare, una sau alta diodă Zener se deschide și o pereche de diode Zener șuntează rezistența R3. Câștigul devine egal și tensiunea Uout începe să scadă, câștigul devine din nou mai mare de 3 și Uout va scădea din nou, dar în sens opus. În acest fel, diodele zener previn saturația.
Când utilizați acest generator, este recomandabil să conectați sarcina printr-o etapă tampon.
Material pentru pregătirea pentru certificare
