Operativna pojačala. Dio 2. Savršeno operativno pojačalo

Da bi bolje razumjeli principe konstrukcije sklopova pomoću operativnih pojačala, oni često koriste koncept idealnog operativnog pojačala. Kakva je njegova idealnost, njegova prekrasna svojstva? Nema ih toliko, ali svi imaju tendenciju ili prema nuli, ili čak do beskonačnosti. Ali ponaša se tako operativno pojačalo nije obuhvaćeno povratnim informacijama (OS) i obično nema vanjskih veza.

U ovom ćemo članku pokušati razgovarati o povratnim informacijama i nekim shemama za uključivanje operativnih pojačala bez spominjanja glomaznih matematičkih formula s integralama. Ali neke, vrlo jednostavne i razumljive, na razini osmog razreda škole, što će pomoći razumjeti opće značenje, još uvijek se ne može izbjeći.

dobitak od

S takvim "raskalašnim" pojačanjem, dovoljno je primijeniti samo nekoliko mikronapona na njegove ulaze (na primjer, mrežne smetnje) da biste dobili izlazni napon blizu 15 V. Ovo stanje ukazuje na zasićenje izlaza.

Prikladno je podsjetiti se na isto stanje u tranzistorima. Naravno, u ovom obliku se uopće ne dobiva. Stoga su stvarna operativna pojačala uvijek pokrivena negativnim povratnim informacijama, o kojima će biti govora u nastavku.

Iako treba napomenuti da se vrlo često operativna pojačala koriste bez povratnih informacija, au nekim slučajevima i s pozitivnim povratnim informacijama. Ta se aplikacija nalazi u komparatora - uređaji za točnu usporedbu analognih signala. Komparatori su dostupni u obliku specijaliziranih mikrostrukih sklopova, a također su dio ostalih mikrovezijskih krugova. Sjetite se samo legendarnog integrirani tajmer NE555, koji u sebi sadrži dva komparatora.

Gotovo nedavna povijest

Svojevremeno je domaća elektronička industrija svladala i proizvodnju operativnih pojačala. Prvo operativno pojačalo je K1UT401A (B), kasnije preimenovano u K140UD1 s istim slovima na kraju. Dakle, kao gotovo točna kopija američkog brata UA702, analog s slovom A na naponu od ± 6V imao je dobitak u rasponu od 500 ... 4500, a sa slovom B (± 12V) 1500 ... 13000.

Prema modernim standardima, to je jednostavno smiješno, ali bez obzira na to, ova arhaična pojačala još uvijek se mogu naći. Ali čak i s takvim „malim“ dobicima, bilo je nemoguće bez negativnih povratnih informacija.

I upravo pojava operativnih pojačala u integriranom dizajnu uvela je ovu univerzalnu komponentu u industrijske, kućne i amaterske sklopove. Uostalom, morate priznati da se operativno pojačalo s elektroničkim cijevima ili čak tranzistorskim opcijama, osim u obrambenim AVM-ovima, ne može koristiti.

Ulazi i izlazi operativnih pojačala

Operativno pojačalo ima dva ulaza i jedan izlaz, te, naravno, dva izlaza za napajanje naponom. Ovo je najmanji niz zaključaka koji je od vitalnog značaja. Upravo je to slučaj s većinom modernih operativnih pojačala. Jednom su postojali zaključci za povezivanje elemenata korekcije frekvencije i balansiranja.

Hrana je najčešće bipolarna sa srednjom točkom, što omogućuje provođenje pojačanja stalnim naponom. U ovom je slučaju općeprihvaćeno da frekvencijski raspon operativnih pojačala počinje od 0 Hz, a gornja frekvencija ograničena je i vrstom samog operativnog pojačala, njegovim unutarnjim krugom i vrstom tranzistora, te njegovim sklopnim krugom.

Širina pojasa idealnog operativnog pojačala proteže se od istosmjernog napona do beskonačnosti.Također, brzina ili brzina usporavanja izlaznog signala teži beskonačnosti. Ali to pitanje za sada nećemo razmatrati.

Što poboljšava radno pojačalo

Izlazni napon operativnog pojačala proporcionalan je razlici napona na njegovim ulazima. U ovom slučaju apsolutna razina signala, kao i njihova polarnost, ne igraju posebnu ulogu. Važna je samo razlika. A budući da su svi izrazi u elektronici nastali iz engleskog jezika, tada je vrijeme da se sjetimo riječi "drugačiji", što znači heterogena, razlika (rječnik "Multitran"), a pojačala ovog načela rada nazivaju se diferencijalnim.

Što ne pojačava operativno pojačalo

Ovdje se također možemo prisjetiti tako divnog svojstva operativnih pojačala kao prigušivanje signala zajedničkog načina rada: ako se isti signal primijeni na oba ulaza, on se neće pojačati. Koristi se kod primjene signala na duge žice: korisni signal ima različitu fazu, dok je signal interferencije na oba ulaza isti.

Što se može dobiti na izlazu operativnog pojačala

Izlazna impedancija idealnog operativnog pojačala teži nuli, što teoretski omogućuje dobivanje proizvoljno velikog, samo beskonačnog signala na izlazu. U stvari, izlazni napon stvarnog operativnog pojačala ograničen je naponom izvora napajanja: ako je bipolarni napon napajanja, na primjer, ± 15 V, tada je na izlazu jednostavno nemoguće dobiti +20 ili -25.

To se odnosi na pojačavanje stalnih napona. U slučaju pojačanja, na primjer, sinusoida na izlazu, treba dobiti i sinusoid čija amplituda ne prelazi napon napajanja.

Ulazni i izlazni naponi ne mogu biti veći od napona izvora napajanja. Na primjer, kada se napaja s ± 15 V, izlazni napon je niži za 0,5 ... 1,5 V. No neke moderne mikro-sklopove omogućuju jednaka opskrbnom naponu na izlazu i ulazu. Ovo svojstvo u tablicama naziva se Rail-to-Rail, doslovno kao "guma za gumu". Prilikom odabira operativnog pojačala, obratite pozornost na ovo svojstvo.

Ulazna impedancija

Ulazna impedancija oba ulaza operacijskog pojačala je vrlo velika i nalazi se na stotine MegaOhm, a u nekim slučajevima čak i GigaOhm. Za usporedbu: gore spomenuti K1UT401 imao je ulaznu impedansu od samo nekoliko desetaka kOhm.

Ulazna impedancija, naravno, ne doseže beskonačnost, poput idealnog operativnog pojačala, ali je još uvijek toliko velika da ne utječe na razinu ulaznog signala. Iz ovoga možemo zaključiti da u ulazima ne teče struja. Ovo je jedno od glavnih načela koja se koriste u proračunu i analizi krugova na operacijskim pojačalima. Zasad ga samo trebate zapamtiti.

Posljednja izjava odnosi se izravno na operativna pojačala. Takva velika ulazna impedancija svojstvena je samim operativnim pojačalima, ali ulazna impedancija različitih krugova koja se temelje na njoj može biti puno manja. Ovu okolnost uvijek treba imati na umu. I sada, budite oprezni, započinje priča o najvažnijoj stvari.

Negativne povratne informacije (OOS)

OOS nije ništa drugo do veza između izlaza i ulaza, u kojoj se dio izlaza oduzima od ulaznog signala. Takva veza dovodi do smanjenja dobitka. Za razliku od OOS-a, postoji pozitivna povratna veza (POS), koja obrnuto zbraja ulazni signal s dijelom izlaza. Takve se veze koriste ne samo u elektroničkoj tehnologiji, već iu mnogim drugim slučajevima, na primjer, u mehanici. Učinak ovih povratnih informacija može se okarakterizirati na sljedeći način: OOS dovodi do stabilnosti sustava, pozitivno vodi u njegovu nestabilnost.

U odnosu na operativna pojačala, OOS vam omogućava da dobitak namjestite s dovoljno točnosti, a također dovodi do mnogo kvalitetnijih, pa čak i ugodnih poboljšanja kruga. Ali prvo morate shvatiti kako funkcionira OOS.Kao primjer, pogledajte krug koji se može naći u bilo kojem udžbeniku o automatizaciji.

Slika 1

Izlaz signala U. izlaznog signala. s izlaza prelazi na uređaj za zbrajanje (krug sa znakom plus unutar) kroz OOS krug s koeficijentom prijenosa β, u ovom slučaju manjim od jedan. Ako je ovaj koeficijent napravljen veći od jedinstva, što je tehnički moguće, tada umjesto pojačavanja signala, dobivamo njegovo prigušenje. Ali zasad ćemo pretpostaviti da nam treba upravo pojačanje.

OOS litica je samo nesreća

Ako prekinete povratnu petlju, napon na izlazu operacijskog pojačala bit će U.out. = K * U.in. Teoretski ogromna vrijednost. Zapravo, bit će ograničena veličinom napona napajanja. To je već rečeno ranije. Sličan primjer: ako se radi o elektromotoru sa stabilizacijom okretaja (također povratnim informacijama), jednostavno će se ubrzati koliko je to moguće. U ovom slučaju, kažu da je sustav "prošao".

Prolazeći kroz krug OOS kruga, izlazni signal prigušen je β * U. izlazom. Prema tome, samo (U.in.-β * U.out.) Dolazi na ulaz pojačala kroz pomoćnik.Znak minus označava da je povratna informacija negativna. Nakon prolaska kroz uređaj s dobitkom K, izlaz će biti U.out. = K * (U.in.-β * U.out.). Zauzvrat, dobitak cijelog sustava K.us. = U.out./U.in. a ispada da je U.out. = K *

Nakon nekih transformacija možemo dobiti sljedeći rezultat: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Sve ove transformacije dovele su do jednostavne formule K.us. = K / (1+ K * β). Ako pretpostavimo da je K in dovoljno velik (a u slučaju korištenja operativnog pojačala to je stvarno tako), tada jedinica u zagradama neće napraviti posebno vrijeme, može se odbaciti, što će rezultirati formulom u sljedećem obliku:

K.us = 1 / β

Rezultirajuća formula (koja je zapravo bila razlog zbog koje je čitava ograda formula bila združena) omogućava nam da kažemo da prijenosni koeficijent operativnog pojačala u krugu povratne veze ni na koji način ne ovisi o dobitku samog operativnog pojačala, već je određen samo parametrima kruga povratne veze. , njegov koeficijent prijenosa β. Ali, ipak, što je veći dobitak samog operativnog pojačala, točnija formula daje precizniju, stabilniji krug radi.

Stoga kaskade za pojačavanje operativnih pojačala ne zahtijevaju podešavanje, kao što su uobičajene tranzistorske kaskade: upravo izračunati povratni otpornici, lemljeni, dobili su potrebnu kaskadnu dobit. Kako se to radi opisat ćemo u sljedećem članku.