Операционен усилвател: комутационни вериги, принцип на работа. Усилвателна схема на оп усилвател на неинвертиращ усилвател. Схема на усилвателя на напрежение на постоянен ток върху операционния усилвател

Статията ще разгледа стандарта верига усилвател на операционния усилвател, както и примери за различни режими на работа на това устройство. Към днешна дата нито едно контролно устройство не може да работи без използването на операционни усилватели. Това са наистина универсални устройства, които ви позволяват да изпълнявате различни функции със сигнал. За това как работи и какво ви позволява специално да направите това устройство, ще научите по-късно.

Инвертиращи усилватели

Веригата на инвертиращия усилвател на усилвателя е съвсем проста, можете да я видите в изображението. Тя се основава на операционния усилвател (неговите схеми на включване са разгледани в тази статия). Освен това тук:

1. На резистора R1 е налице спад на напрежението, в неговата стойност той е същият като входния.
2. Резистор R2 също има спад на напрежението - това е същото като уикенда.

В този случай съотношението на изходното напрежение към съпротивлението R2 е равностойно на съотношението на входното напрежение към R1, но обратно към него от знака. Познавайки съпротивлението и напрежението, можете да изчислите печалбата. За да направите това, е необходимо да разделите изходното напрежение на входното напрежение. В този случай, операционен усилвател (схемите на включване в него могат да бъдат всякакви) могат да имат същия коефициент на печалба, независимо от вида.

Обратна работа

Сега трябва да анализираме по-подробно една ключова точка - работата на обратната връзка. Да предположим, че има някакво напрежение на входа. За простота на изчисленията, нека приемем, че неговата стойност е равна на 1 V. Да приемем също, че R1 = 10 kΩ, R2 = 100 kOhm.

И сега предположим, че е възникнала непредвидена ситуация, поради която напрежението е било зададено на изхода на каскадата на 0 V. След това виждаме една интересна картина: два съпротивления започват да работят по двойки, заедно създават делител на напрежението. На изхода на инвертиращата каскада, тя се поддържа на ниво от 0.91 V. В този случай, оп-усилвател позволява да се фиксира разминаване от входовете, и на изхода има намаляване на напрежението. Ето защо е много лесно да се проектира схема за операционни усилватели, която изпълнява функцията на усилвател на сигнала например от датчик.

И тази промяна ще продължи до този момент, докато на изхода не бъде установена стабилна стойност от 10 V. В този момент потенциалите на входовете на операционния усилвател ще бъдат равни. И те ще бъдат същите като потенциала на земята. От друга страна, ако напрежението продължава да намалява на изхода на устройството и ще бъде под -10 V, потенциалът на входа ще бъде по-нисък от този на земята. В резултат на това напрежението започва да се увеличава на изхода.

Тази верига има голям недостатък - входният импеданс е много малък, особено за усилватели с голяма стойност на усилването на напрежението, в случай че затворената обратна връзка е затворена. И структурата, разгледана по-нататък, е лишена от всички тези недостатъци.

Неинвертиращ усилвател

Фигурата показва веригата на неинвертиращия усилвател на операционния усилвател. След като го анализираме, можем да направим няколко извода:

1. Стойността на напрежението UA е равна на входното напрежение.
2. Напрежението UA, което е равно на съотношението на продукцията на изходното напрежение и R1 към сумата от съпротивленията R1 и R2, се отстранява от делителя.
3. В случай, когато UA е равна на стойността на входното напрежение, усилването е равно на съотношението на изходното напрежение към входното напрежение (или е възможно да се добави единство към съотношението на съпротивлението R2 и R1).

Този дизайн се нарича неинвертиращ усилвател, той има почти безкраен импеданс на входа. Например, за операционните усилватели 411 серията, стойността му е минимум 1012 Ohm. И за операционните усилватели на биполярни полупроводникови транзистори, като правило, повече от 108 Ohm. Но изходния импеданс на каскадата, както и в предишната схема, е много малък - част от ома. И това трябва да се вземе предвид при изчисляване на веригите на операционните усилватели.

AC усилвател

И двете схеми, разгледани в статия по-рано, работят върху постоянен ток. Но ако променлив ток действа като връзка между източника на входен сигнал и усилвателя, е необходимо да се осигури земя за тока на входа на устройството. И трябва да обърнете внимание на факта, че текущата стойност е изключително малка в мащаб.

В случай, че възникне усилване на AC сигнали, е необходимо да се намали усилването на константата на сигнала до единството. Това е особено вярно в случаите, когато напрежението е много голямо. Поради това е възможно значително да се намали ефекта от напрежението при срязване, което се прилага върху входа на устройството.

Вторият пример на схема за работа с променливо напрежение

В тази схема, на ниво от -3 dB, можете да видите съответстваща честота от 17 Hz. На него в кондензатора импедансът е на ниво от два килограма. Ето защо кондензаторът трябва да е достатъчно голям.

За да се изгради усилвател за променлив ток, е необходимо да се използва неинвертиращ тип схема на операционните усилватели. И тя трябва да има достатъчно голям напрежение печалба. Но кондензаторът може да е твърде голям, така че е най-добре да спрете да го използвате. Вярно е, че е необходимо правилно да се избере напрежението на срязване, като се приравнява към нула. И вие можете да приложите T-образен делител и увеличаване на съпротивленията на двата резистори във веригата.

Коя схема е за предпочитане да се използва

Повечето разработчици предпочитат неинвертиращите усилватели, тъй като те имат много висок импеданс на входа. Пренебрегваните схеми за пренебрегване на обратен тип. Но последното има огромно предимство - това не е взискателно към самия оперативен усилвател, който е "сърцето" му.

В допълнение, характеристиките, в действителност, е много по-добре. И с помощта на въображаемо заземяване можете да комбинирате всички сигнали без специално усилие и те няма да окажат влияние един на друг. Той може да се използва при проектирането и веригата на усилвателя на постоянен ток на операционния усилвател. Всичко зависи от нуждите.

И последното нещо е така, ако цялата схема, разгледана тук, е свързана със стабилната мощност на друг операционен усилвател. В този случай стойността на импеданса на входа не играе важна роля - най-малко 1 kOhm, най-малко 10, макар и безкрайност. В този случай, първият етап винаги изпълнява своята функция по отношение на следващата.

Повтаряща верига

Повторителят работи на операционен усилвател, подобен на излъчвател, изграден върху биполярен транзистор. И изпълнява подобни функции. Всъщност това е неинвертиращ усилвател, при който съпротивлението на първия резистор е безкрайно голямо и второто съпротивление е нула. Печалбата е единство.

Има специални видове операционни усилватели, които се използват в технологията само за ретранслатори. Те имат много по-добри характеристики - като правило, това е висока скорост. Като пример можем да споменем такива операционни усилватели като OPA633, LM310, TL068. Последният има тяло, подобно на транзистор, и три извода. Много често подобни усилватели се наричат ​​просто буфери. Факт е, че те имат свойствата на изолатор (много голям импеданс на входа и изключително ниска мощност). Приблизително по този принцип е изградена схемата на токовия усилвател на операционния усилвател.

Активен режим на работа

Всъщност това е режим на работа, при който изходите и входовете на операционния усилвател не са претоварени. Ако един много голям сигнал се прилага на входа на веригата, а след това на изхода тя просто ще започне да се намали в зависимост от нивото на напрежение на колектора или емитер. Но когато изходното напрежение е фиксирано на граничното ниво - напрежението не се променя на входовете на оп-усилвателя. В този случай люлеенето не може да бъде по-голямо от захранващото напрежение усилваща се каскада.

Повечето от схемите на операционните усилватели се изчисляват по такъв начин, че този диапазон е по-малък от захранващото напрежение с 2 V. Но всичко зависи от това коя конкретна усилвателна верига се използва на операционния усилвател. Съществува и ограничение за стабилността източник на ток въз основа на операционен усилвател.

Да предположим, че има спад на напрежението в източник с плаващо натоварване. Ако токът има нормална посока на движение, можете да срещнете странен товар на пръв поглед. Например няколко реполяризирани батерии. Такъв дизайн може да се използва за получаване на директен ток на зареждане.

Някои предпазни мерки

Един прост усилвател на напрежението на операционния усилвател (схемата може да бъде избрана всяка) може да бъде направена буквално "на коляното". Но трябва да вземете под внимание някои функции. Необходимо е да се уверите, че обратната връзка в схемата е отрицателна. Това също означава, че е неприемливо да объркате неинвертиращите и обръщащи входове на усилвателя. Освен това трябва да има верига за обратна връзка за постоянен ток. В противен случай операционният усилвател бързо ще превключи към режим на насищане.

При повечето операционни усилватели входното диференциално напрежение е много малко. В този случай максималната разлика на неинвертиращите и обръщащи входове може да бъде ограничена до стойност от 5 V за всяко свързване на източника на енергия. Ако това условие бъде пренебрегнато, на входа се появяват големи стойности на токове, което ще доведе до влошаване на всички характеристики на веригата.

Най-ужасното нещо в това е физическото унищожаване на самия оперативен усилвател. В резултат на това веригата на усилвателя на операционния усилвател престава да работи напълно.

Имайте в предвид,

И, разбира се, трябва да поговорим за правилата, които трябва да се спазват, за да се осигури стабилна и продължителна работа на операционния усилвател.

Най-важното е, че усилвателят има много високо напрежение печалба. И ако напрежението между входовете се променя на част от миливолта, изходът може да се промени значително на изхода. Ето защо е важно да знаете: в операционния усилвател изходът се опитва да се погрижи да се осигури, че между входовете разликата в напрежението е близка (идеално равна) до нула.

Второто правило е, че текущото потребление от операционния усилвател е изключително малко, буквално наноампери. Ако входовете са инсталирани транзистори с полеви ефект, след това се изчислява от picoamperes. Оттук може да се заключи, че входовете не консумират ток, без значение кой операционен усилвател се използва, веригата - принципът на работа остава същият.

Но не мисля, че Op-Amps наистина постоянно променя входовете на входовете. Физически това е почти невъзможно, тъй като няма да има съответствие с второто правило. Поради операционния усилвател се оценява състоянието на всички входове. С помощта на схемата на обратната външна връзка напрежението се прехвърля на входа от изхода. Резултатът е, че между входовете на операционния усилвател разликата в напрежението е на нулево ниво.

Концепцията за обратна връзка

Това е обща идея и вече се прилага в широк смисъл във всички области на технологиите. Във всяка контролна система има обратна връзка, която сравнява изходния сигнал и зададената стойност (референция). В зависимост от това коя стойност е актуална - има корекция в правилната посока. И контролната система може да бъде всичко, дори и кола, която пътува по пътя.

Водачът натиска спирачките, а обратната връзка тук е началото на забавянето. По аналогия с такъв прост пример можем по-добре да се справим с обратната връзка в електронните схеми. И отрицателната обратна връзка е, ако автомобилът се ускори, когато спирачният педал е натиснат.

В електрониката обратната връзка е процесът, по време на който сигналът се предава от входа към входа. В този случай сигналът на входа също се анулира. От една страна, това не е много разумна идея, защото може да изглежда отстрани, че коефициентът на печалба ще намалее значително. Такава обратна връзка, между другото, беше получена от основателите на развитието на обратната връзка в електрониката. Но е добре да разгледаме по-подробно ефекта си върху операционните усилватели - практически схеми, които трябва да се имат предвид. И става ясно, че наистина намалява печалбата леко, но ни позволява леко да подобрим другите параметри:

1. Изглаждайте честотните характеристики (ги отвежда до необходимите).
2. Позволява ви да предскажете поведението на усилвателя.
3. Той е в състояние да премахне нелинейността и изкривяването на сигнала.

Колкото по-дълбоко е обратната връзка (става дума за отрицателното), толкова по-малко влияние оказва усилвателят на характеристиката с отворената операционна система. Резултатът - всички негови параметри зависят само от качествата на веригата.

Трябва да се отбележи, че всички операционни усилватели работят в режим с много дълбока обратна връзка. Коефициентът на усилване на напрежението (с отворен контур) може да достигне дори няколко милиона. Ето защо веригата усилвател на операционния усилвател е изключително взискателна за наблюдение на всички параметри за захранване и нивото на входния сигнал.