Përforcuesit operativë janë një nga komponentët kryesorë në pajisjet moderne elektronike analoge. Për shkak të thjeshtësisë së llogaritjeve dhe parametrave të shkëlqyer, amplifikatorët operacionalë janë të lehtë për t'u përdorur. Ata quhen gjithashtu përforcues diferencial sepse mund të amplifikojnë ndryshimin në tensionet e hyrjes.
Përdorimi i amplifikatorëve operacionalë në teknologjinë audio është veçanërisht i popullarizuar për të përforcuar tingullin e altoparlantëve të muzikës.
Përcaktimi në diagrame
Pesë kunja zakonisht dalin nga kutia e amplifikatorit, nga të cilat dy kunja janë hyrje, njëra është dalje, dy të tjerat janë fuqi.
Parimi i funksionimit
Ekzistojnë dy rregulla për t'ju ndihmuar të kuptoni se si funksionon një përforcues operacional:
- Dalja e amplifikatorit operacional tenton të zero diferencën e tensionit nëpër hyrje.
- Hyrja e amplifikatorit nuk konsumon asnjë rrymë.
Hyrja e parë është shënuar "+", quhet jo invertuese. Hyrja e dytë është shënuar me "-" dhe konsiderohet të jetë përmbysëse.
Inputet e amplifikatorit kanë një rezistencë të lartë të quajtur impedancë. Kjo lejon një konsum aktual prej disa nanoamperësh në hyrje. Në hyrje, vlerësohet madhësia e tensioneve. Në varësi të këtij vlerësimi, amplifikatori nxjerr një sinjal të përforcuar.
Fitimi, i cili ndonjëherë arrin një milion, ka një rëndësi të madhe. Kjo do të thotë që nëse në hyrje aplikohet të paktën 1 milivolt, atëherë voltazhi i daljes do të jetë i barabartë me tensionin e furnizimit me energji të amplifikatorit. Prandaj, opamp nuk përdoret pa reagime.
Hyrja e amplifikatorit funksionon sipas parimit të mëposhtëm: nëse voltazhi në hyrjen jo-invertuese është më i lartë se tensioni i hyrjes invertuese, atëherë dalja do të jetë tensioni më i lartë pozitiv. Në situatën e kundërt, prodhimi do të jetë vlera më e madhe negative.
Tensionet negative dhe pozitive në daljen op-amp janë të mundshme për shkak të përdorimit të një furnizimi me energji bipolare të ndarë.
Furnizimi me energji i amplifikatorit operacional
Nëse merrni një bateri të tipit gisht, atëherë ajo ka dy pole: pozitive dhe negative. Nëse poli negativ llogaritet si pikë referimi zero, atëherë poli pozitiv do të tregojë +1,5 V. Kjo mund të shihet nga lidhja.
Merrni dy elementë dhe lidhni ato në seri, ju merrni foton e mëposhtme.
Nëse poli negativ i baterisë së poshtme merret si pika zero, dhe voltazhi matet në polin pozitiv të baterisë së sipërme, atëherë pajisja do të tregojë +10 volt.
Nëse e marrim pikën e mesit midis baterive si zero, atëherë fitohet një burim tensioni bipolar, pasi ekziston një tension i polaritetit pozitiv dhe negativ, përkatësisht i barabartë me +5 volt dhe -5 volt.
Ekzistojnë diagrame të thjeshta të bllokut të fuqisë së ndarë që përdoren në dizajnet e radios amatore.
Qarku mundësohet nga rrjeti familjar. Transformatori zvogëlon rrymën në 30 volt. Dredha-dredha dytësore ka një degë në mes, me ndihmën e së cilës fitohet tension i korrigjuar +15 V dhe -15 V në dalje.
Varietetet
Ekzistojnë disa qarqe të ndryshme op-amp që ia vlen të shqyrtohen në detaje.
Përforcues përmbysës
Kjo është skema bazë. Një tipar i këtij qarku është se opampi karakterizohet, përveç amplifikimit, edhe nga një ndryshim fazor. Shkronja "k" tregon parametrin e fitimit. Grafiku tregon efektin e amplifikatorit në këtë qark.
Blu përfaqëson sinjalin hyrës dhe e kuqja përfaqëson sinjalin e daljes. Fitimi në këtë rast është: k = 2. Amplituda e sinjalit të daljes është 2 herë më e madhe se ajo e sinjalit hyrës. Dalja e amplifikatorit është e përmbysur, prandaj emri. Përforcuesit operacional invertues kanë një qark të thjeshtë:
Këta op-amp janë bërë të njohur për shkak të dizajnit të tyre të thjeshtë. Për të llogaritur fitimin, përdorni formulën:
Kjo tregon se amplifikimi i opamp-it nuk varet nga rezistenca R3, kështu që mund të bëni pa të. Këtu përdoret për mbrojtje.
Amplifikatorë operacionalë jo-invertues
Ky qark është i ngjashëm me atë të mëparshëm, ndryshimi është se sinjali nuk është i përmbysur (i përmbysur). Kjo nënkupton ruajtjen e fazës së sinjalit. Grafiku tregon sinjalin e përforcuar.
Fitimi i amplifikatorit joinvertues është gjithashtu: k = 2. Në hyrje futet një sinjal në formën e një sinusoidi, vetëm amplituda e tij ka ndryshuar në dalje.
Ky qark nuk është më pak i thjeshtë se ai i mëparshmi, ai ka dy rezistenca. Në hyrje, sinjali aplikohet në terminalin pozitiv. Për të llogaritur fitimin, duhet të përdorni formulën:
Nga ajo mund të shihet se fitimi nuk është kurrë më pak se uniteti, pasi sinjali nuk shtypet.
Skema e zbritjes
Ky qark bën të mundur krijimin e një ndryshimi midis dy sinjaleve në hyrje, të cilat mund të përforcohen. Grafiku tregon parimin e funksionimit të qarkut diferencial.
Ky qark përforcues quhet edhe qark zbritës.
Ka një dizajn më kompleks, në kontrast me skemat e diskutuara më parë. Për të llogaritur tensionin e daljes, përdorni formulën:
Ana e majtë e shprehjes (R3 / R1) përcakton fitimin, dhe ana e djathtë (Ua - Ub) është diferenca e tensionit.
Skema e shtimit
Ky quhet një përforcues i integruar. Është e kundërta e skemës së zbritjes. E veçanta e saj është aftësia për të përpunuar më shumë se dy sinjale. Të gjithë përzierësit e zërit funksionojnë në këtë parim.
Ky diagram tregon mundësinë e përmbledhjes së disa sinjaleve. Për të llogaritur tensionin, zbatohet formula:
Qarku integrues
Nëse shtoni një kondensator në qarkun e reagimit, ju merrni një integrues. Kjo është një pajisje tjetër që përdor amplifikatorë operacionalë.
Qarku integrues është i ngjashëm me një përforcues invertues, me shtimin e kapacitetit në reagim. Kjo çon në një varësi të funksionimit të sistemit nga frekuenca e sinjalit të hyrjes.
Integruesi karakterizohet nga një tipar interesant i tranzicionit midis sinjaleve: së pari, një sinjal drejtkëndor shndërrohet në një sinjal trekëndor, pastaj shndërrohet në një sinusoidal. Fitimi llogaritet duke përdorur formulën:
Në këtë formulë, ndryshorja ω = 2 π f rritet me rritjen e frekuencës, prandaj, sa më e lartë të jetë frekuenca, aq më e ulët është fitimi. Prandaj, integruesi mund të veprojë si një filtër aktiv i kalimit të ulët.
Qarku diferencues
Në këtë skemë, situata është e kundërt. Një kapacitet është i lidhur në hyrje dhe një rezistencë lidhet në reagim.
Duke gjykuar nga emri i qarkut, parimi i tij i funksionimit qëndron në ndryshim. Sa më e lartë të jetë shkalla e ndryshimit të sinjalit, aq më e madhe është vlera e fitimit. Ky parametër ju lejon të krijoni filtra aktivë për frekuencë të lartë.
Fitimi për diferencuesin llogaritet duke përdorur formulën:
Kjo shprehje është e kundërt me atë të integruesit. Fitimi rritet në drejtim negativ me rritjen e frekuencës.
Krahasues analog
Pajisja krahasuese krahason dy vlerat e tensionit dhe konverton sinjalin në një vlerë të ulët ose të lartë në dalje, në varësi të gjendjes së tensionit. Ky sistem përfshin elektronikë dixhitale dhe analoge.
Një tipar i këtij sistemi është mungesa e reagimeve në versionin kryesor. Kjo do të thotë që rezistenca e lakut është shumë e lartë.
Një sinjal i jepet hyrjes pozitive, dhe tensioni kryesor aplikohet në hyrjen negative, e cila vendoset nga një potenciometër. Për shkak të mungesës së reagimeve, fitimi priret në pafundësi.
Kur voltazhi në hyrje tejkalon vlerën e tensionit kryesor të referencës, tensioni më i lartë fitohet në dalje, i cili është i barabartë me tensionin pozitiv të furnizimit. Nëse voltazhi i hyrjes është më i vogël se referenca, atëherë vlera e daljes do të jetë një tension negativ i barabartë me tensionin e furnizimit me energji elektrike.
Ekziston një disavantazh i rëndësishëm në qarkun analog krahasues. Kur vlerat e tensionit në dy hyrje afrohen me njëra-tjetrën, tensioni i daljes mund të ndryshojë shpesh, gjë që zakonisht çon në boshllëqe dhe dështime në funksionimin e stafetës. Kjo mund të rezultojë në mosfunksionim të pajisjes. Për të zgjidhur këtë problem, përdoret një qark histeresis.
Krahasues analog me histerezë
Figura tregon skemën e veprimit të skemës me, e cila është e ngjashme me skemën e mëparshme. Dallimi është se fikja dhe ndezja nuk ndodh në të njëjtin tension.
Drejtimi i shigjetave në grafik tregon drejtimin e lëvizjes së histerezës. Gjatë ekzaminimit të grafikut nga e majta në të djathtë, mund të shihet se kalimi në një nivel më të ulët kryhet në tensionin Uph, dhe duke lëvizur nga e djathta në të majtë, tensioni në dalje do të arrijë nivelin më të lartë në tensionin Upl. .
Ky parim i funksionimit çon në faktin se me vlera të barabarta të tensioneve të hyrjes, gjendja në dalje nuk ndryshon, pasi ndryshimi kërkon një ndryshim në tensione me një sasi të konsiderueshme.
Një funksionim i tillë i qarkut çon në njëfarë inercie të sistemit, por është më i sigurt, ndryshe nga qarku pa histerezë. Zakonisht, ky parim i funksionimit përdoret në pajisjet e ngrohjes me një termostat: soba, hekura, etj. Figura tregon një qark përforcues me histerezë.
Sforcimet llogariten sipas marrëdhënieve të mëposhtme:
Përsëritësit e tensionit
Përforcuesit operacionalë përdoren shpesh në qarqet përcjellëse të tensionit. Karakteristika kryesore e këtyre pajisjeve është se ato nuk e përforcojnë ose dobësojnë sinjalin, domethënë, fitimi në këtë rast është i barabartë me unitetin. Kjo veçori është për shkak të faktit se cikli i reagimit ka rezistencë zero.
Sisteme të tilla përcjellëse të tensionit përdoren më shpesh si një tampon për të rritur rrymën e ngarkesës dhe funksionueshmërinë e pajisjes. Meqenëse rryma e hyrjes është afër zeros, dhe rryma e daljes varet nga lloji i amplifikatorit, domethënë nga mundësia e shkarkimit të burimeve të dobëta të sinjalit, për shembull, disa sensorë.
U tregua se kur përdorni një përforcues operacional në skema të ndryshme komutuese, fitimi i një faze në një amplifikues të vetëm operacional (op-amp) varet vetëm nga thellësia e reagimit. Prandaj, formulat për përcaktimin e fitimit të një qarku të veçantë nuk përdorin fitimin e vetë op-amp "të zhveshur", si të thuash. Kjo është, vetëm ai koeficient i madh, i cili tregohet në librat e referencës.
Atëherë është mjaft e përshtatshme të shtrohet pyetja: "Nëse rezultati (përfitimi) përfundimtar nuk varet nga ky koeficient "i madh" referues, atëherë cili është ndryshimi midis një op-amp me një fitim prej disa mijëra herë, dhe me i njëjti op-amp, por me një fitim prej disa qindra mijëra dhe madje miliona?
Përgjigja është mjaft e thjeshtë. Në secilin rast, rezultati do të jetë i njëjtë, amplifikimi i kaskadës do të përcaktohet nga elementët OOS, por në rastin e dytë (op-amp me fitim të lartë), qarku funksionon më stabil, më saktë, shpejtësia e qarqe të tilla janë shumë më të larta. Jo më kot op-amp ndahen në op-amp të përdorimit të përgjithshëm dhe me precizion të lartë, precizion.
Siç është përmendur tashmë, emri "operativ" konsiderohet përforcues i marrë në atë kohë të largët, kur ato përdoreshin kryesisht për të kryer operacione matematikore në kompjuterët analogë (AVM). Këto ishin veprimet e mbledhjes, zbritjes, shumëzimit, pjesëtimit, katrorit dhe shumë funksione të tjera.
Këta amplifikatorë antidiluvian u bënë në tuba elektronikë, më vonë në transistorë diskretë dhe komponentë të tjerë radio. Natyrisht, dimensionet edhe të amplifikatorëve të tranzistorit ishin mjaft të mëdha për t'u përdorur në dizajne amatore.
Dhe vetëm pasi, falë arritjeve të elektronikës së integruar, op-amps u bënë madhësia e një transistori të zakonshëm me fuqi të ulët, atëherë përdorimi i këtyre pjesëve në pajisjet shtëpiake dhe qarqet amatore u bë i justifikuar.
Nga rruga, op-amps moderne, madje edhe me cilësi mjaft të lartë, kanë një çmim pak më të lartë se dy ose tre transistorë. Kjo deklaratë vlen për amplifikatorët e funksionimit të përgjithshëm. Përforcuesit e saktë mund të kushtojnë pak më shumë.
Sa i përket qarqeve në op-amp, ia vlen të bëni menjëherë një vërejtje se të gjitha ato janë krijuar për t'u ushqyer nga një burim energjie bipolare. Ky modalitet është më "i zakonshmi" për një përforcues operativ, duke lejuar që të përforcohen jo vetëm sinjalet e tensionit AC, të tilla si një sinusoid, por edhe sinjalet DC ose thjesht tensioni.
E megjithatë, mjaft shpesh, furnizimi me energji i qarqeve në op-amp bëhet nga një burim unipolar. Vërtetë, në këtë rast, nuk është e mundur të rritet tensioni konstant. Por shpesh ndodh që kjo thjesht nuk është e nevojshme. Më vonë do të flasim për qarqet me një furnizim unipolar, por tani për tani do të vazhdojmë me qarqet për ndezjen e një op-amp me një furnizim me energji bipolare.
Tensioni i furnizimit të shumicës së amplifikatorëve operativ është më shpesh brenda ± 15 V. Por kjo nuk do të thotë aspak se ky tension nuk mund të bëhet disi më i ulët (nuk rekomandohet më i lartë). Shumë operativë funksionojnë në mënyrë shumë të qëndrueshme nga ± 3V, dhe disa modele edhe ± 1.5V. Kjo mundësi tregohet në dokumentacionin teknik (DataSheet).
Ndjekësi i tensionit
Është pajisja më e thjeshtë në një op-amp në qark, qarku i saj është paraqitur në Figurën 1.
Figura 1. Qarku i një përcjellësi të tensionit në një përforcues operacional
Shtë e lehtë të shihet se asnjë detaj i vetëm nuk ishte i nevojshëm për të krijuar një qark të tillë, përveç vetë op-amp. Vërtetë, figura nuk tregon lidhjen e energjisë, por një skicë e tillë e qarqeve gjendet gjatë gjithë kohës. E vetmja gjë që dua të vërej është se midis kunjave të fuqisë së op-amp (për shembull, për op-amp KR140UD708, këto janë kunjat 7 dhe 4) dhe tela e përbashkët duhet të lidhet me një kapacitet prej 0,01 .. 0,5 mkF.
Qëllimi i tyre është të bëjnë funksionimin e op-amp më të qëndrueshëm, për të hequr qafe vetë-ngacmimin e qarkut në qarqet e furnizimit me energji elektrike. Kondensatorët duhet të lidhen sa më afër që të jetë e mundur me kunjat e furnizimit me energji të mikroqarkut. Ndonjëherë një kondensator lidhet bazuar në një grup prej disa mikroqarqeve. Të njëjtët kondensatorë mund të shihen në bordet me mikroqarqe dixhitale, qëllimi i tyre është i njëjtë.
Fitimi përsëritës është i barabartë me unitetin, ose, për ta thënë ndryshe, nuk ka fare fitim. Atëherë pse nevojitet një skemë e tillë? Është mjaft e përshtatshme këtu të kujtojmë se ekziston një qark transistor - një pasues emetues, qëllimi kryesor i të cilit është të përputhet me kaskada me rezistenca të ndryshme hyrëse. Kaskada të tilla (përsëritës) quhen edhe kaskada buferike.
Impedanca hyrëse e përsëritësit në op-amp llogaritet si produkt i impedancës hyrëse të op-amp dhe fitimit të tij. Për shembull, për UD708 të përmendur, impedanca e hyrjes është afërsisht 0,5 MΩ, fitimi është të paktën 30,000, dhe ndoshta edhe më shumë. Nëse këto numra shumëzohen, atëherë rezistenca e hyrjes është 15GΩ, e cila është e krahasueshme me rezistencën e izolimit jo shumë të cilësisë, për shembull, letrës. Një rezultat kaq i lartë nuk ka gjasa të arrihet me një ndjekës konvencional emetues.
Në mënyrë që përshkrimet të mos shkaktojnë dyshime, më poshtë do të ketë figura që tregojnë funksionimin e të gjitha qarqeve të përshkruara në programin simulator Multisim. Sigurisht, të gjitha këto qarqe mund të montohen në prototipe, por nuk mund të merrni rezultate më të këqija edhe në ekranin e monitorit.
Në fakt, këtu është edhe pak më mirë: nuk keni pse të ngjiteni diku në raft për të ndryshuar rezistencën ose mikroqarkun. Gjithçka këtu, edhe pajisjet matëse, janë në program dhe "merren" me ndihmën e mausit ose tastierës.
Figura 2 tregon qarkun e përsëritësit të bërë në programin Multisim.
Figura 2.
Studimi i qarkut është mjaft i thjeshtë për t'u kryer. Një sinjal sinusoidal me një frekuencë 1KHz dhe një amplitudë prej 2V aplikohet në hyrjen e ndjekësit nga gjeneratori i funksionit, siç tregohet në figurën 3.
Figura 3.
Sinjali në hyrje dhe dalje të përsëritësit vëzhgohet nga një oshiloskop: sinjali i hyrjes shfaqet si një rreze blu, rrezja e daljes është e kuqe.
Figura 4.
Dhe pse, lexuesi i vëmendshëm do të pyesë, a është sinjali i daljes (i kuq) dyfishi i hyrjes blu? Gjithçka është shumë e thjeshtë: me të njëjtën ndjeshmëri të kanaleve të oshiloskopit, të dy sinusoidet me të njëjtën amplitudë dhe fazë bashkohen në një, fshihen pas njëri-tjetrit.
Për t'i parë të dyja menjëherë, duhej të reduktonim ndjeshmërinë e njërit prej kanaleve, në këtë rast atij të hyrjes. Si rezultat, vala e sinusit blu u bë saktësisht gjysma e madhësisë në ekran dhe pushoi së fshehuri pas asaj të kuqe. Edhe pse për të arritur një rezultat të ngjashëm, thjesht mund të zhvendosni rrezet duke përdorur kontrollet e oshiloskopit, duke lënë të njëjtën ndjeshmëri të kanaleve.
Të dy sinusoidet janë të vendosura në mënyrë simetrike rreth boshtit të kohës, që do të thotë se komponenti konstant i sinjalit është zero. Çfarë ndodh nëse shtoni një komponent të vogël DC në sinjalin e hyrjes? Gjeneratori virtual ju lejon të zhvendosni valën sinusale përgjatë boshtit Y. Le të përpiqemi ta zhvendosim atë lart me 500 mV.
Figura 5.
Ajo që erdhi nga kjo është treguar në Figurën 6.
Figura 6.
Vihet re se sinusoidet hyrëse dhe dalëse janë ngritur me gjysmë volt, duke mos ndryshuar fare. Kjo tregon se përsëritësi gjithashtu transmetoi me saktësi komponentin DC të sinjalit. Por më shpesh ata përpiqen të heqin qafe këtë komponent konstant, ta bëjnë atë të barabartë me zero, gjë që bën të mundur shmangien e përdorimit të elementëve të tillë të qarkut si kondensatorët e shkëputjes ndërfazore.
Një përsëritës është, natyrisht, i mirë dhe madje i bukur: nuk nevojitej asnjë detaj i vetëm shtesë (megjithëse ka qarqe përsëritëse me "shtesa" të vogla), por ato nuk morën asnjë përforcim. Çfarë lloj amplifikuesi është atëherë? Për të marrë një përforcues, mjafton të shtoni vetëm disa detaje, si ta bëni këtë do të përshkruhet më tej.
Përforcues përmbysës
Për të bërë një përforcues përmbysës nga op-amp, mjafton të shtoni vetëm dy rezistorë. Çfarë erdhi nga kjo është treguar në Figurën 7.
Figura 7. Skema e një përforcuesi invertues
Fitimi i një amplifikuesi të tillë llogaritet me formulën K = - (R2 / R1). Shenja minus nuk do të thotë që amplifikatori doli i keq, por vetëm se sinjali i daljes do të jetë i kundërt në fazë me sinjalin hyrës. Nuk është çudi që përforcuesi quhet invertues. Këtu do të ishte e përshtatshme të kujtoni një transistor të lidhur sipas një qarku me një OE. Atje, gjithashtu, sinjali i daljes në kolektorin e tranzitorit është në antifazë me sinjalin hyrës të futur në bazë.
Këtu ia vlen të kujtojmë se sa përpjekje do të duhet të bëhen për të marrë një sinusoid të pastër të pa shtrembëruar në kolektorin e tranzistorit. Kërkohet të zgjidhet siç duhet paragjykimi bazuar në tranzistor. Kjo zakonisht është mjaft e vështirë, në varësi të shumë parametrave.
Kur përdorni një op-amp, mjafton thjesht të llogaritni rezistencën e rezistorëve sipas formulës dhe të merrni fitimin e specifikuar. Rezulton se vendosja e një qarku op-amp është shumë më e lehtë sesa vendosja e disa fazave të transistorit. Prandaj, nuk ka pse të keni frikë se skema nuk do të funksionojë, nuk do të funksionojë.
Figura 8.
Këtu gjithçka është e njëjtë si në figurat e mëparshme: sinjali i hyrjes tregohet në blu, dhe në të kuqe është pas amplifikatorit. Gjithçka korrespondon me formulën K = - (R2 / R1). Sinjali i daljes është në antifazë me sinjalin hyrës (i cili korrespondon me shenjën minus në formulë), dhe amplituda e sinjalit të daljes është saktësisht dyfishi i hyrjes. Kjo është gjithashtu e vërtetë kur raporti (R2 / R1) = (20/10) = 2. Për të bërë fitimin, për shembull, 10, mjafton të rrisni rezistencën e rezistencës R2 në 100KΩ.
Në fakt, qarku i amplifikatorit përmbysës mund të jetë disi më i ndërlikuar, ky opsion tregohet në Figurën 9.
Figura 9.
Këtu u shfaq një pjesë e re - rezistenca R3 (përkundrazi, thjesht u zhduk nga qarku i mëparshëm). Qëllimi i tij është të kompensojë rrymat hyrëse të një op-amp real në mënyrë që të zvogëlojë paqëndrueshmërinë e temperaturës së komponentit konstant në dalje. Vlera e kësaj rezistence zgjidhet sipas formulës R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).
Op-amps moderne shumë të qëndrueshme lejojnë lidhjen e një hyrjeje jo-invertuese me telin e përbashkët direkt pa rezistencë R3. Edhe pse prania e këtij elementi nuk do të bëjë asgjë të keqe, por në shkallën aktuale të prodhimit, kur kursejnë në gjithçka, ata preferojnë të mos e instalojnë këtë rezistencë.
Formulat për llogaritjen e amplifikatorit invertues janë paraqitur në figurën 10. Pse në figurë? Po, thjesht për qartësi, në një rresht teksti nuk do të dukeshin aq të njohura dhe të kuptueshme, nuk do të ishin aq të dukshme.
Figura 10.
Fitimi u përmend më herët. Vetëm rezistenca e hyrjes dhe e daljes së një amplifikuesi jo-invertues janë të denjë për vëmendje këtu. Me rezistencën e hyrjes, gjithçka duket të jetë e qartë: rezulton të jetë e barabartë me rezistencën e rezistencës R1, por rezistenca e daljes do të duhet të llogaritet duke përdorur formulën e treguar në Figurën 11.
Shkronja K ”shënon koeficientin e referencës së DT. Këtu, ju lutemi, llogaritni se cila do të jetë impedanca e daljes. Do të rezultojë të jetë një shifër mjaft e vogël, madje edhe për një OA mesatare të tipit UD7 me K "të barabartë me jo më shumë se 30,000, natyrisht, brenda kufijve, ju mund të lidheni me këtë kaskadë.
Duhet të bëhet një shënim i veçantë për njësinë në emëruesin e formulës për llogaritjen e rezistencës së daljes. Supozoni se raporti R2 / R1 do të jetë, për shembull, 100. Ky është raporti që do të merret në rastin e fitimit të amplifikatorit invertues 100. Rezulton se nëse kjo njësi hidhet poshtë, atëherë asgjë nuk do të ndryshojë . Në fakt kjo nuk është e vërtetë.
Le të supozojmë se rezistenca e rezistencës R2 është e barabartë me zero, siç është rasti me përsëritësin. Pastaj, pa një, i gjithë emëruesi kthehet në zero, dhe rezistenca e daljes do të jetë e njëjta zero. Dhe nëse atëherë kjo zero rezulton të jetë diku në emëruesin e formulës, si e urdhëroni pjesëtimin me të? Prandaj, është thjesht e pamundur të heqësh qafe këtë njësi në dukje të parëndësishme.
Në një artikull, qoftë edhe mjaft të madh, nuk mund të shkruash gjithçka. Prandaj, do t'ju duhet të bëni gjithçka që nuk përshtatet në artikullin tjetër. Do të ketë një përshkrim të një përforcuesi jo-invertues, një amplifikator diferencial, një amplifikator me një furnizim unipolar. Do të ketë gjithashtu një përshkrim të qarqeve të thjeshta për testimin e op-amp.
Ajo hapi një seri artikujsh në lidhje me blloqet e ndërtimit të elektronikës moderne analoge - amplifikatorët operacionalë. U dha përkufizimi i op-amp dhe disa parametra, si dhe u dha edhe klasifikimi i amplifikatorëve operacionalë. Ky artikull do të zbulojë një koncept të tillë si një përforcues operacional ideal, dhe do të jepen qarqet bazë për ndezjen e një amplifikatori operacional.
Përforcuesi ideal operacional dhe vetitë e tij
Meqenëse bota jonë nuk është ideale, nuk ka amplifikues operativ ideal. Megjithatë, parametrat e op-amps moderne janë në një nivel mjaft të lartë, kështu që analiza e qarqeve me op-amps ideale jep rezultate që janë shumë afër amplifikatorëve realë.
Për të kuptuar se si funksionojnë qarqet op-amp, bëhen një sërë supozimesh që çojnë op-amps realë drejt amplifikatorëve idealë. Ekzistojnë vetëm pesë supozime të tilla:
- Rryma që rrjedh nëpër hyrjet e op-amp supozohet të jetë zero.
- Faktori i amplifikimit të op-amp supozohet të jetë pafundësisht i madh, domethënë, voltazhi i daljes së amplifikatorit mund të arrijë çdo vlerë, por në realitet është i kufizuar nga tensioni i furnizimit.
- Diferenca e tensionit midis hyrjeve të një op-amp ideal është zero, domethënë nëse një nga terminalet është i lidhur me tokën, atëherë terminali i dytë ka të njëjtin potencial. Nga kjo rrjedh gjithashtu se impedanca hyrëse e një amplifikuesi ideal është e pafundme.
- Impedanca e daljes së një amplifikuesi ideal op është zero.
- Përgjigja e frekuencës së një amplifikuesi ideal op është e sheshtë, domethënë fitimi është i pavarur nga frekuenca e sinjalit të hyrjes.
Afërsia e parametrave të një amplifikuesi të vërtetë operacional me idealin përcakton saktësinë me të cilën mund të funksionojë një op-amp i caktuar, si dhe të zbulojë vlerën e një amplifikuesi të veçantë operacional dhe të bëjë shpejt dhe saktë zgjedhjen e një opi të përshtatshëm. -amp.
Bazuar në supozimet e mësipërme, bëhet i mundur analizimi dhe nxjerrja e marrëdhënieve për qarqet kryesore komutuese të një amplifikuesi operacional.
Qarqet bazë për ndezjen e një amplifikuesi operacional
Siç u përmend në artikullin e mëparshëm, op-amps punojnë vetëm me reagime, lloji i të cilave përcakton nëse op-amp funksionon në modalitetin linear ose në modalitetin e ngopjes. Feedback-u nga dalja op-amp në hyrjen e tij invertuese zakonisht bën që op-amp të funksionojë në një modalitet linear, dhe reagimet nga dalja op-amp në hyrjen e tij jo-invertuese ose funksionimin e qarkut të hapur çojnë në ngopje të amplifikatorit.
Përforcues jo invertues
Një përforcues jo-invertues karakterizohet në atë që sinjali i hyrjes shkon në hyrjen jo-invertuese të amplifikatorit operacional. Ky diagram i lidhjes është paraqitur më poshtë.
Funksionimi i këtij qarku shpjegohet si më poshtë, duke marrë parasysh karakteristikat e një op-amp ideal. Sinjali furnizohet në një përforcues me rezistencë të pafundme të hyrjes, dhe voltazhi në hyrjen jo-invertuese ka të njëjtën vlerë si në hyrjen invertuese. Rryma në daljen e amplifikatorit operacional krijon një tension në të gjithë rezistencën R2 të barabartë me tensionin e hyrjes.
Kështu, parametrat kryesorë të kësaj skeme përshkruhen nga relacioni i mëposhtëm
Kështu, rrjedh lidhja për fitimin e amplifikatorit joinvertues
Kështu, mund të konkludojmë se fitimi ndikohet vetëm nga vlerësimet e komponentëve pasivë.
Duhet të theksohet një rast i veçantë, kur rezistenca R2 është shumë më e madhe se R1 (R2 >> R1), atëherë fitimi do të priret në unitet. Në këtë rast, qarku i amplifikatorit jo-invertues konvertohet në një tampon analog ose përsëritës operacional me një fitim uniteti, impedancë shumë të lartë hyrëse dhe rezistencë në dalje praktikisht zero. Kjo siguron shkëputje efikase të hyrjes dhe daljes.
Përforcues përmbysës
Një përforcues invertues karakterizohet nga fakti se hyrja jo-invertuese e amplifikatorit operacional është e tokëzuar (d.m.th., e lidhur me terminalin e përbashkët të energjisë). Në një amplifikator ideal, diferenca e tensionit midis hyrjeve të amplifikatorit është zero. Prandaj, cikli i reagimit duhet të sigurojë që tensioni në hyrjen përmbysëse është gjithashtu zero. Qarku i përforcuesit përmbysës është paraqitur më poshtë.
Funksionimi i qarkut shpjegohet si më poshtë. Rryma që rrjedh nëpër terminalin invertues në një op-amp ideal është zero, kështu që rrymat që rrjedhin nëpër rezistorët R1 dhe R2 janë të barabarta me njëra-tjetrën dhe të kundërta në drejtim, atëherë marrëdhënia bazë do të duket si
Atëherë fitimi i këtij qarku do të jetë i barabartë me
Një shenjë minus në këtë formulë tregon që sinjali në dalje të qarkut është i përmbysur në lidhje me sinjalin hyrës.
Integrues
Integratori ju lejon të zbatoni një qark në të cilin ndryshimi në tensionin e daljes është proporcional me sinjalin e hyrjes. Diagrami skematik i integratorit më të thjeshtë op-amp është paraqitur më poshtë.
Një integrues i bazuar në një përforcues operacional.
Ky qark zbaton operacionin e integrimit mbi sinjalin hyrës. Unë kam konsideruar tashmë skema për integrimin e sinjaleve të ndryshme duke përdorur integrues. Integratori zbaton një ndryshim të ngjashëm në sinjalin hyrës, por ka disa përparësi ndaj zinxhirëve integrues. Së pari, qarqet RC dhe RL dobësojnë ndjeshëm sinjalin e hyrjes, dhe së dyti, ato kanë një rezistencë të lartë të daljes.
Kështu, raportet kryesore të projektimit të integratorit janë të ngjashme me qarqet integruese RC dhe RL, dhe tensioni i daljes do të jetë
Integruesit përdoren gjerësisht në shumë pajisje analoge si filtrat aktivë dhe sistemet e kontrollit automatik.
diferencues
Diferencuesi në veprimin e tij është i kundërt me punën e integratorit, domethënë, sinjali i daljes është në proporcion me shpejtësinë e ndryshimit të sinjalit hyrës. Një diagram i diferencuesit më të thjeshtë është paraqitur më poshtë.
Diferencuesi zbaton funksionimin e diferencimit në sinjalin e hyrjes dhe është i ngjashëm me veprimin e diferencuesve, përveç kësaj, ai ka parametra më të mirë në krahasim me qarqet RC dhe RL: praktikisht nuk e zbut sinjalin e hyrjes dhe ka një rezistencë dalëse dukshëm më të ulët. Raportet bazë të projektimit dhe përgjigja ndaj impulseve të ndryshme janë të ngjashme me ato të zinxhirëve diferencues.
Tensioni i daljes do të jetë
Një nga qarqet op-amp që ka gjetur aplikim është konverteri i logaritmit. Ky qark përdor një pronë ose një tranzistor bipolar. Diagrami i konvertuesit logaritmik më të thjeshtë është paraqitur më poshtë.
Ky qark përdoret kryesisht si një kompresor sinjali për të rritur diapazonin dinamik, si dhe për të kryer funksione matematikore.
Le të shqyrtojmë parimin e funksionimit të një konverteri logaritmik. Siç e dini, rryma që rrjedh nëpër diodë përshkruhet nga shprehja e mëposhtme
ku I O është rryma e kundërt e diodës,
e - numri e, baza e logaritmit natyror, e ≈ 2,72,
q është ngarkesa e elektronit,
U është voltazhi në të gjithë diodën,
k - konstante Boltzmann,
T është temperatura në gradë Kelvin.
Kur llogaritni, mund të merrni I O ≈ 10-9 A, kT / q = 25 mV. Kështu, rryma hyrëse e këtij qarku do të jetë
pastaj tensionin e daljes
Konvertuesi logaritmik më i thjeshtë praktikisht nuk përdoret, pasi ka një sërë disavantazhesh serioze:
- Ndjeshmëri e lartë ndaj temperaturës.
- Dioda nuk siguron saktësi të mjaftueshme të konvertimit, pasi marrëdhënia midis rënies së tensionit dhe rrymës së diodës nuk është mjaft logaritmike.
Si rezultat, në vend të diodave, ato përdoren në një lidhje diodë ose me një bazë të tokëzuar.
Një qark konvertues eksponencial përftohet nga një konvertues logaritmik duke kthyer pozicionin e diodës dhe rezistencës në qark. Dhe funksionimi i një qarku të tillë, si dhe i një konverteri logaritmik, bazohet në marrëdhënien logaritmike midis rënies së tensionit në diodë dhe rrymës që rrjedh nëpër diodë. Qarku i konvertuesit eksponencial është paraqitur më poshtë
Funksionimi i qarkut përshkruhet nga shprehjet e njohura
Kështu, voltazhi i daljes do të jetë
Si dhe një konvertues logaritmik, konverteri më i thjeshtë eksponencial me një diodë në hyrje përdoret rrallë, për arsyet e mësipërme, prandaj, në vend të diodave në hyrje, përdoren transistorë bipolarë në një lidhje diodë ose me një bazë të përbashkët.
Përforcues fuqie. Qarqet lineare në një op-amp.
Përforcuesit optikë përdoren gjerësisht në pajisjet elektronike analoge. Është e përshtatshme të merren parasysh funksionet e zbatuara nga një OA me OOS nëse OA paraqitet në formën e një modeli ideal, në të cilin:
- Impedanca e hyrjes së amplifikatorit operacional është e barabartë me pafundësinë, rrymat e elektrodave hyrëse janë të barabarta me zero (Rin> ∞, i + = i- = 0).
- Impedanca e daljes së amplifikatorit operacional është zero, d.m.th. op-amp në anën e hyrjes është një burim ideal i tensionit (Rout = 0).
- Fitimi i tensionit (faktori i tensionit të sinjalit diferencial) është pafundësi, dhe sinjali diferencial në modalitetin e fitimit është zero (nuk lejohet shkurtimi i kunjave op-amp).
- Në modalitetin e ngopjes, voltazhi i daljes është i barabartë në madhësi me tensionin e furnizimit, dhe shenja përcaktohet nga polariteti i tensionit të hyrjes. Është e dobishme të theksohet se sinjali diferencial nuk mund të supozohet gjithmonë të jetë zero në modalitetin e ngopjes.
- Sinjali i modalitetit të përbashkët nuk ka asnjë efekt në përforcuesin e funksionit.
- Tensioni i kompensimit zero është zero.
Përforcues përmbysës op-amp
Qarku i një përforcuesi invertues i mbuluar nga një reagim paralel i tensionit është paraqitur në figurat:
OOS zbatohet duke lidhur daljen e amplifikatorit me hyrjen me rezistencën R2.
Rrymat përmblidhen në hyrjen invertuese të op-amp. Meqenëse rryma hyrëse e op-amp i- = 0, atëherë i1 = i2. Meqenëse i1 = Uin / R1, dhe i2 = -Uout / R2, atëherë. Ku = = -R2 / R1. Shenja "-" tregon se po ndodh përmbysja e shenjës së tensionit të hyrjes.
Në figurën (b), një rezistencë R3 është përfshirë në qarkun e hyrjes jo-invertuese për të zvogëluar ndikimin e rrymave të hyrjes op-amp, rezistenca e të cilit përcaktohet nga shprehja:
Impedanca e hyrjes së amplifikatorit në frekuenca të ulëta është afërsisht e barabartë me Rin.os = ≈ R1
Rezistenca e daljes Rout.os = dukshëm më pak se Rout i op-amp aktual.
Përforcues op-amp jo invertues
Një skemë e një përforcuesi jo-invertues të mbuluar nga një reagim serik i tensionit është paraqitur në figurë:
OOS zbatohet duke përdorur rezistorët R1, R2.
Duke përdorur supozimet e pranuara më parë për modelin ideal, marrim
Impedanca e hyrjes: Rin.os → ∞
Impedanca e daljes: Rout.os = → 0
Disavantazhi i amplifikimit është prania e një sinjali të modalitetit të përbashkët në hyrje të barabartë me Uin.
Ndjekësi i tensionit në op-amp
Qarku ndjekës, i marrë nga qarku i amplifikatorit joinvertues, në R1 → ∞, R2 → 0, është paraqitur në figurë:
Koeficienti β = 1, Ku.os = K / 1 + K ≈ 1, d.m.th. voltazhi në hyrje dhe në dalje të op-amp janë të barabartë: Uin = Uout.
Shtues i tensionit op-amp (mbledhës përmbysës)
Një qark përforcues përmbysës me qarqe shtesë hyrëse është paraqitur në figurë:
Duke marrë parasysh se i + = i- = 0, ioc = - Uout / Roc = Uin1 / R1 + Uin2 / R2 + ... + Uinn / Rn, marrim: Uout = -Ros (Uin1 / R1 + Uin2 / R2 + . .. + Uin / Rn)
Nëse Roc = R1 = R2 = ... = Rn, atëherë Uout = - (Uin1 + Uin2 + ... + Uin).
Op-amp funksionon në mënyrë lineare.
Për të zvogëluar ndikimin e rrymave të hyrjes op-amp, një rezistencë Re (e treguar me një vijë me pika në figurë) përfshihet në qarkun e hyrjes jo invertuese me rezistencën: Re = R1 // R2 //… // Rn // Roc.
Përforcues zbritës në op-amp
Qarku i amplifikatorit me hyrje diferenciale është paraqitur në figurë:
Amplifikatori është një kombinim i një përforcuesi invertues dhe joinvertues. Në këtë rast, voltazhi i daljes përcaktohet nga shprehja:
Uout = Uin2 R3 / (R3 + R4) (1 + R2 / R1) - Uin1 R2 / R1
Me R1 = R2 = R3 = R4: Uout = Uin2 - Uin1 - d.m.th. varet nga diferenca ndërmjet sinjaleve hyrëse.
Përforcues integrues op-amp
Qarku integrues, në të cilin një kondensator është instaluar në qarkun e reagimit, është paraqitur në figurë:
Lëreni një puls drejtkëndor Uin të futet në hyrje. Në intervalin t1 ... t2, amplituda Uin është e barabartë me U. Meqenëse rryma hyrëse e op-amp është zero, atëherë | iin | = | -ic |, iin = Uin / R1, ic = C dUout / dt.
Uin / R1 = C dUout / dt ose 
ku Uout (0) është voltazhi në dalje (kondensatori C) në kohën kur fillon integrimi (në kohën t1).
τ = R1 C është konstanta e kohës së integrimit, d.m.th. koha gjatë së cilës Uout do të ndryshojë me vlerën ΔUout = U.
Kështu, tensioni i daljes në intervalin t1 ... t2 ndryshon në mënyrë lineare dhe paraqet integralin e tensionit të hyrjes. Konstanta kohore duhet të jetë e tillë që deri në fund të integrimit Uout< Eпит .
Përforcues diferencues
Duke shkëmbyer R1 dhe C1 në integral, marrim një qark të amplifikatorit diferencial:
Për analogji me amplifikatorin integrues, ne shkruajmë:
Ic = C dUin / dt, IR2 = -Uout / R
Sepse | Ic | = | -IR2 |, pastaj Uout = - CR dUin / dt
τ = CR - konstanta e diferencimit.
Përdorimi i op-amp nuk është aspak i kufizuar në skemat e mësipërme.
Filtra aktivë
Në elektronikë, një pajisje përdoret gjerësisht për të ndarë një sinjal të dobishëm nga një numër sinjalesh hyrëse me një dobësim të njëkohshëm të sinjaleve ndërhyrës përmes përdorimit të filtrave.
Filtrat ndahen në jo pasivë të bazuar në kondensatorë, induktorë dhe rezistorë, dhe në aktivë të bazuar në transistorë dhe amplifikatorë operacionalë.
Në elektronikën e informacionit, zakonisht përdoren filtra aktivë. Termi "aktiv" shpjegohet me përfshirjen e një elementi aktiv (nga një transistor ose një amplifikator op) në qarkun RLC - një element aktiv (nga një transistor ose opamp) për të kompensuar humbjet në elementët pasivë.
Një filtër është një pajisje që kalon sinjalet në një brez kalimi dhe i vonon ato në pjesën tjetër të diapazonit të frekuencës.
Sipas llojit të përgjigjes së frekuencës, filtrat ndahen në filtra me kalim të ulët (LPF) dhe filtra me kalim të lartë (HPF), filtra brez-kalimi dhe filtra me nivele.
Diagrami i filtrit më të thjeshtë të kalimit të ulët dhe përgjigja e tij e frekuencës janë paraqitur në figurë:
Në gjerësinë e brezit 0 - fc, sinjali i dobishëm kalon përmes filtrit të kalimit të ulët pa shtrembërim.
Fс - fз - brezi i tranzicionit,
fз - ∞ - brezi i ndalimit,
fс - frekuenca e ndërprerjes,
fs - frekuenca e vonesës.
Filtri i kalimit të lartë kalon sinjale me frekuencë të lartë dhe vonon sinjalet me frekuencë të ulët.
Një filtër brezkalimi kalon sinjalet e një brezi frekuence të vendosur në një pjesë të brendshme të boshtit të frekuencës.
Qarku i filtrit quhet Ura e Vjenës. Në frekuencën f0 =
Ura e Vin-it ka një raport transmetimi prej β = 1/3. Për R1 = R2 = R dhe C1 = C2 = C
Një filtër notch nuk lejon kalimin e sinjaleve që shtrihen në një brez të caktuar frekuence, dhe kalon sinjale me frekuenca të tjera.
Qarku i filtrit quhet një urë T e dyfishtë e pabalancuar.
Ku R1 = R2 = R3 = R, C1 = C2 = C3 = C.
Si shembull, merrni parasysh një filtër aktiv me kalim të ulët me dy pol (për sa i përket numrit të kondensatorëve).
Op-amp funksionon në mënyrë lineare. Gjatë llogaritjes, vendoset fс. Fitimi në brezin e kalimit duhet të plotësojë kushtin: K0 ≤ 3.
Nëse marrim C1 = C2 = C, R1 = R2 = R, atëherë C = 10 / fc, ku fc - në Hz, C - në μF,
Për të marrë një ndryshim më të shpejtë në fitimin për t'u larguar nga brezi i kalimit, qarqe të ngjashme përfshihen në mënyrë sekuenciale.
Duke ndërruar rezistorët R1, R2 dhe kondensatorët C1, C2, marrim një filtër me kalim të lartë.
Përforcues selektiv
Përforcuesit selektivë ju lejojnë të amplifikoni sinjalet në një gamë të kufizuar frekuence, duke izoluar sinjalet e dobishme dhe duke zbutur të gjithë të tjerët. Kjo arrihet duke përdorur filtra të veçantë në qarkun e reagimit të amplifikatorit. Një qark përforcues selektiv me një urë të dyfishtë T në qarkun e reagimit negativ është paraqitur në figurë:
Fitimi i filtrit (kurba 3) zvogëlohet nga 0 në 1. Përgjigja e frekuencës së amplifikatorit ilustrohet nga kurba 1. Në frekuencën kuazi-rezonante, fitimi i filtrit në qarkun e reagimit negativ është zero, Uout është maksimal. Në frekuencat në të majtë dhe në të djathtë të f0, koeficienti i transferimit të filtrit priret në unitet dhe Uout = Uin. Kështu, filtri shpërndan gjerësinë e brezit Δf, dhe amplifikuesi kryen operacionin e amplifikimit analog.
Oscilatorë harmonikë
Në sistemet e kontrollit përdoren gjeneratorë të sinjaleve të llojeve të ndryshme. Një oshilator harmonik është një pajisje që krijon një tension të alternuar sinusoidal.
Diagrami bllok i një gjeneratori të tillë është paraqitur në figurë:
Nuk ka asnjë sinjal hyrës. Uout = K · Uos.
Që të ndodhin lëkundjet sinusoidale, kushti i vetë-ngacmimit duhet të plotësohet vetëm për një frekuencë:
К γ = 1 është balanca e amplitudave,
φ + ψ = 2πn - bilanci fazor,
ku K është fitimi i amplifikatorit,
γ është koeficienti i transmetimit të lidhjes së reagimit pozitiv,
φ është zhvendosja e fazës për amplifikatorin,
ψ është zhvendosja fazore për qarkun e reagimit,
n = 0, 1, ...
Gjeneruesit kryesorë të sinjaleve sinusoidale janë filtrat, siç është ura e Vjenës. Një gjenerator i bazuar në op-amp që përmban një urë Wien është paraqitur në figurë:
Gjeneratori gjeneron një sinjal sinusoidal me frekuencë.
Në frekuencën f0, fitimi i filtrit është β = 1/3. Përforcuesi duhet të ketë një fitim K ≥ 3, i cili vendoset nga rezistorët R1 dhe R2. Një problem i rëndësishëm është stabilizimi i amplitudës Uout, i cili sigurohet nga futja e rezistencës R3 dhe diodave Zener VD1 dhe VD2. Në Uout të ulët, voltazhi në VD1 dhe VD2 është më i vogël se tensioni i stabilizimit dhe R3 nuk shuhet nga diodat zener. Në këtë rast, K> 3 dhe Uout rriten. Kur voltazhi në diodat zener është i barabartë me tensionin e stabilizimit, hapet një ose një tjetër diodë zener dhe një palë dioda zener shmang rezistencën R3. Fitimi bëhet i barabartë dhe tensioni Uout fillon të ulet, fitimi bëhet përsëri më shumë se 3 dhe Uout do të ulet përsëri, por në drejtim të kundërt. Në këtë mënyrë, diodat zener parandalojnë ngopjen.
Kur përdorni këtë gjenerator, këshillohet të lidhni ngarkesën përmes një faze tampon.
Materiali për përgatitjen për certifikim
