Включете операционния усилвател. Операционни усилватели. Видове и работа. Хранене и характеристики. Режим на отхвърляне на общ режим
Операционните усилватели често се използват за извършване на различни операции: сумиране на сигнали, диференциране, интегриране, инвертиране и т.н. Освен това операционните усилватели са разработени като усъвършенствани
балансирани вериги за усилване.
Операционен усилвател– универсален функционален елемент, широко използван в съвременните схеми за генериране и преобразуване на информационни сигнали за различни цели както в аналоговата, така и в цифровата техника. Нека разгледаме по-нататък видовете усилватели.
Инвертиращ усилвател
Помислете за схемата на прост инвертиращ усилвател:
а) спадът на напрежението на резистора R2 е равен на Uout,
б) спадът на напрежението върху резистора R1 е равен на Uin.
Uout/R2 = -Uin/R1, или усилване на напрежението = Uout/Uin = R2/R1.
За да разберем как работи обратната връзка, нека си представим, че определено ниво на напрежение е приложено към входа, да речем 1 V. За да бъдем по-конкретни, нека кажем, че резистор R1 има съпротивление от 10 kOhm, а резистор R2 има съпротивление от 100 kOhm. kOhm. Сега си представете, че изходното напрежение е решило да излезе извън контрол и е равно на 0 V. Какво ще се случи? Резисторите R1 и R2 образуват делител на напрежение, с помощта на който потенциалът на инвертиращия вход се поддържа равен на 0,91 V. Операционният усилвател открива несъответствието на входовете и напрежението на изхода му започва да намалява. Промяната продължава, докато изходното напрежение достигне -10 V, в който момент потенциалите на входовете на операционните усилватели стават еднакви и равни на потенциала на земята. По същия начин, ако изходното напрежение започне да намалява допълнително и стане по-отрицателно от -10 V, тогава потенциалът на инвертиращия вход ще стане по-нисък от потенциала на земята, в резултат на което изходното напрежение ще започне да се повишава.
Недостатъкът на тази схема е, че има нисък входен импеданс, особено за усилватели с високо напрежение (със затворена верига за обратна връзка), в които резисторът R1 по правило е малък. Този недостатък се елиминира от диаграмата, представена по-долу на фиг. 4.
Неинвертиращ усилвател. DC усилвател.
Нека да разгледаме диаграмата на фиг. 4. Анализът му е изключително прост: UA = Uin. Напрежението UA се отстранява от делителя на напрежението: UA = Uout R1 / (R1 + R2). Ако UA = Uin, тогава усилването = Uout / Uin = 1 + R2 / R1. Това е неинвертиращ усилвател. В приближението, което ще използваме, входният импеданс на този усилвател е безкраен (за операционен усилвател тип 411 е 1012 ома или повече, за операционен усилвател с биполярен транзистор обикновено надвишава 108 ома). Изходният импеданс, както в предишния случай, е равен на части от ома. Ако, както при инвертиращия усилвател, разгледаме внимателно поведението на веригата при промяна на входното напрежение, ще видим, че тя работи както е обещано.
AC усилвател
Веригата по-горе също е DC усилвател. Ако източникът на сигнал и усилвателят са свързани помежду си чрез променлив ток, тогава трябва да се осигури заземяване за входния ток (много малък по големина), както е показано на фиг. 5. За стойностите на компонентите, представени на диаграмата, усилването на напрежението е 10, а точката -3 dB съответства на честота от 16 Hz.
AC усилвател. Ако се усилват само AC сигнали, можете да намалите печалбата за DC сигнали до единица, особено ако усилвателят има високо напрежение. Това прави възможно да се намали влиянието на винаги съществуващото ограничено „напрежение на срязване, свързано с входа“.
За веригата, показана на фиг. 6, точката -3 dB съответства на честота от 17 Hz; при тази честота импедансът на кондензатора е 2,0 kOhm. Моля, имайте предвид, че кондензаторът трябва да е голям. Ако се използва неинвертиращ усилвател с високо усилване за изграждане на AC усилвател, кондензаторът може да е прекалено голям. В този случай е по-добре да се направи без кондензатор и да се регулира напрежението на отместване, така че да е равно на нула. Можете да използвате друг метод - увеличете съпротивлението на резисторите R1 и R2 и използвайте Т-образна разделителна верига.
Въпреки високия входен импеданс, към който дизайнерите винаги се стремят, неинвертираща усилвателна верига не винаги е предпочитана пред инвертираща усилвателна верига. Както ще видим по-късно, инвертиращият усилвател не поставя толкова високи изисквания към операционния усилвател и следователно има малко по-добри характеристики. Освен това, благодарение на въображаемото заземяване, е удобно да се комбинират сигнали, без те да си влияят взаимно. И накрая, ако въпросната верига е свързана към изхода (стабилен) на друг операционен усилвател, тогава стойността на входния импеданс е безразлична за вас - може да бъде 10 kOhm или безкрайност, тъй като във всеки случай предишното стъпало ще изпълнява функциите си по отношение на последващия.
Ретранслатор
На фиг. 7 показва емитерно-подобен повторител на базата на операционен усилвател.
Това не е нищо повече от неинвертиращ усилвател, в който съпротивлението на резистора R1 е равно на безкрайност, а съпротивлението на резистора R2 е нула (усилване = 1). Има специални операционни усилватели, предназначени да се използват само като повторители, те имат подобрени характеристики (главно по-висока скорост), пример за такъв операционен усилвател е веригата LM310 или OPA633, както и опростени схеми като веригата TL068 (предлага се в транзистор пакет с три терминала).
Усилвател с единично усилване понякога се нарича буфер, тъй като има изолиращи свойства (висок входен импеданс и нисък изход).
Основни предпазни мерки при работа с операционни усилватели
1. Правилата са валидни за всеки операционен усилвател, при условие че е в активен режим, т.е. неговите входове и изходи не са претоварени.
Например, ако подадете твърде много сигнал към входа на усилвателя, това ще доведе до прекъсване на изходния сигнал близо до нивото UKK или UЭЭ. Докато изходното напрежение е фиксирано на нивото на напрежението на прекъсване, напрежението на входовете не може да не се промени. Люлеенето на изхода на операционния усилвател не може да бъде по-голямо от диапазона на захранващото напрежение (обикновено 2 V по-малко от диапазона на захранващото напрежение, въпреки че някои операционни усилватели имат колебание на изхода, ограничено до едното или другото захранващо напрежение). Подобно ограничение е наложено върху обхвата на стабилност на изхода на източника на ток, базиран на операционен усилвател. Например, в източник на ток с плаващ товар, максималният спад на напрежението върху товара с „нормална“ посока на тока (посоката на тока съвпада с посоката на приложеното напрежение) е UKK - Uin, а с обратната посока на тока (товарът в този случай може да бъде доста странен, например може да съдържа обърнати батерии, за да се получи директен ток на зареждане, или може да е индуктивен и да работи с токове, които променят посоката) -Uin - UEE.
2. Обратната връзка трябва да е отрицателна. Това означава (наред с други неща), че инвертиращите и неинвертиращите входове не трябва да се бъркат.
3. Веригата на операционния усилвател трябва да има DC верига за обратна връзка, в противен случай операционният усилвател определено ще премине в насищане.
4. Много операционни усилватели имат сравнително ниско максимално диференциално входно напрежение. Максималната разлика в напрежението между инвертиращите и неинвертиращите входове може да бъде ограничена до 5 V за всяка полярност на напрежението. Ако това условие се пренебрегне, ще възникнат големи входни токове, което ще доведе до влошаване на производителността или дори до разрушаване на операционния усилвател.
Концепцията за „обратна връзка“ (FE) е една от най-разпространените, тя отдавна е надхвърлила тясната област на технологиите и сега се използва в широк смисъл. В системите за управление обратната връзка се използва за сравняване на изходен сигнал със зададена точка и извършване на подходящи корекции. Всичко може да действа като „система“, например процесът на управление на автомобил, движещ се по пътя - изходните данни (позицията на автомобила и неговата скорост) се наблюдават от водача, който ги сравнява с очакваните стойности и коригира съответно входните данни (използвайки волана, превключвателя на скоростта, спирачките). В схема на усилвател изходният сигнал трябва да бъде кратен на входния сигнал, така че в усилвателя с обратна връзка входният сигнал се сравнява с определена част от изходния сигнал.
Всичко за обратната връзка
Негативно мнениее процесът на предаване на изходния сигнал обратно към входа, при който част от входния сигнал се изгасва. Това може да изглежда като глупава идея, която само ще доведе до намаляване на печалбата. Точно такава обратна връзка получава Харолд С. Блек, който се опитва да патентова отрицателна обратна връзка през 1928 г. „Нашата изопрезия беше третирана като вечен двигател“ (списание IEEE Spectrum, декември 1977 г.). Наистина, отрицателната обратна връзка намалява усилването, но в същото време подобрява други параметри на веригата, например елиминира изкривяването и нелинейността, изглажда честотната характеристика (привежда я в съответствие с желаната характеристика) и прави поведението на веригата е предвидима. Колкото по-дълбока е отрицателната обратна връзка, толкова по-малко външните характеристики на усилвателя зависят от характеристиките на усилвателя с отворена обратна връзка (без обратна връзка) и в крайна сметка се оказва, че те зависят само от свойствата на самата верига за обратна връзка. Операционните усилватели обикновено се използват в режим на дълбока обратна връзка и усилването на напрежението при отворена верига (без обратна връзка) достига милиони в тези вериги.
Веригата за обратна връзка може да бъде зависима от честотата, тогава печалбата ще зависи по определен начин от честотата (пример би бил аудио предусилвателят в плейър със стандарта RIAA); ако веригата за обратна връзка зависи от амплитудата, тогава усилвателят има нелинейна характеристика (често срещан пример за такава верига е логаритмичен усилвател, в който веригата за обратна връзка използва логаритмичната зависимост на напрежението UBE от тока IK в диод или транзистор). Обратната връзка може да се използва за формиране на източник на ток (изходен импеданс близо до безкрайност) или източник на напрежение (изходен импеданс близо до нула) и може да се използва за създаване на много висок или много нисък входен импеданс. Най-общо казано, с негова помощ се подобрява параметърът, за който се въвежда обратна връзка. Например, ако използваме сигнал, пропорционален на изходния ток за обратна връзка, ще получим добър източник на ток.
Обратната връзка може да бъде положителна; използва се например в генератори. Колкото и да е странно, той не е толкова полезен, колкото отрицателната ОС. По-скоро това е свързано с проблеми, тъй като във верига с отрицателна обратна връзка могат да възникнат доста големи фазови измествания при високи честоти, което води до появата на положителна обратна връзка и нежелани собствени колебания. За да се появят тези явления, не е необходимо да се полагат големи усилия, но за да се предотвратят нежелани автоколебания, се използват методи за коригиране.
Операционни усилватели
В повечето случаи, когато разглеждаме вериги за обратна връзка, ще имаме работа с операционни усилватели. Операционният усилвател (op-amp) е DC диференциален усилвател с много голямо усилване и единичен вход. Прототипът на операционен усилвател може да бъде класически диференциален усилвател с два входа и небалансиран изход; Все пак трябва да се отбележи, че реалните операционни усилватели имат значително по-високи коефициенти на усилване (обикновено от порядъка на 105 - 106) и по-ниски изходни импеданси, а също така позволяват на изходния сигнал да варира почти в целия диапазон на захранващото напрежение (обикновено разделени захранващи устройства от ±15 V).
Символите "+" и "-" не означават, че един вход трябва винаги да е по-положителен от другия; тези символи просто показват относителната фаза на изходния сигнал (това е важно, ако веригата използва отрицателна обратна връзка). За да избегнете объркване, по-добре е да наричате входовете "инвертиращи" и "неинвертиращи", а не "плюс" и "минус" входове. Диаграмите често не показват връзката на захранващите устройства към операционния усилвател и щифта, предназначен за заземяване. Операционните усилватели имат огромно усилване на напрежението и никога (с редки изключения) не се използват без обратна връзка. Можем да кажем, че операционните усилватели са проектирани да работят с обратна връзка. Коефициентът на усилване на веригата без обратна връзка е толкова голям, че при наличие на затворен контур за обратна връзка характеристиките на усилвателя зависят само от веригата за обратна връзка. Разбира се, при по-внимателно проучване трябва да се окаже, че такова обобщено заключение не винаги е вярно. Ще започнем като просто разгледаме как работи операционният усилвател и след това ще го проучим по-подробно, ако е необходимо.
Индустрията произвежда буквално стотици видове операционни усилватели, всички от които имат различни предимства един пред друг. Много добра схема като LF411 (или просто "411"), въведена на пазара от National Semiconductor, стана широко разпространена. Като всички операционни усилватели, това е мъничко устройство, поместено в миниатюрен пакет с двуредов мини-DIP развод. Тази схема е евтина и лесна за използване; Индустрията произвежда подобрена версия на тази схема (LF411A), както и елемент, поместен в миниатюрен пакет и съдържащ два независими операционни усилвателя (схемата тип LF412, наричана още "двоен" операционен усилвател). Препоръчваме веригата LF411 като добра отправна точка в дизайна на електронни схеми.
Веригата тип 411 е силиконова матрица, съдържаща 24 транзистора (21 биполярни транзистора, 3 транзистора с полеви ефекти, 11 резистора и 1 кондензатор). На фиг. Фигура 2 показва връзката към клемите на корпуса.
Точката на капака на корпуса и прорезът в края му служат за обозначаване на референтната точка при номериране на щифтовете. В повечето случаи на електронни схеми номерирането на щифтовете се извършва в посока обратна на часовниковата стрелка от страната на капака на корпуса. Щифтовете „настройка на нула“ (или „баланс“, „настройка“) се използват за елиминиране на малки асиметрии, които могат да възникнат в операционния усилвател.
Важни правила
Сега ще се запознаем с най-важните правила, които определят поведението на операционния усилвател в обратна връзка. Те са верни за почти всички случаи от живота.
Първо, операционният усилвател има толкова голямо усилване на напрежението, че промяна на напрежението между входовете с няколко части от миливолта кара изходното напрежение да се променя в целия му диапазон, така че нека не разглеждаме това малко напрежение, а формулираме Правило I :
I. Изходът на операционния усилвател се стреми да гарантира, че разликата в напрежението между неговите входове е нула.
Второ, операционният усилвател консумира много малко входен ток (операционният усилвател тип LF411 консумира 0,2 nA; операционният усилвател с FET входове консумира около пикоампера); Без да навлизаме в по-дълбоки подробности, нека формулираме правило II:
II. Входовете на операционния усилвател не консумират ток.
Тук е необходимо пояснение: Правило I не означава, че операционният усилвател действително променя напрежението на своите входове. Това е невъзможно. (Това би било несъвместимо с Правило II.) Операционният усилвател "оценява" състоянието на входовете и с помощта на външна схема за обратна връзка прехвърля напрежението от изхода към входа, така че получената разлика в напрежението между входовете става нула (ако е възможно).
Често започнаха да ми задават въпроси за аналоговата електроника. Сесията взе ли студентите за даденост? ;) Добре, време е за малко образователна дейност. По-специално, върху работата на операционните усилватели. Какво представлява, с какво се яде и как се изчислява.
Какво е това
Операционният усилвател е усилвател с два входа, не... хм... високо усилване на сигнала и един изход. Тези. имаме U out = K*U in и K в идеалния случай е равно на безкрайност. На практика, разбира се, числата са по-скромни. Да кажем 1 000 000, но дори такива цифри ви изумяват, когато се опитате да ги приложите директно. Следователно, както в детската градина, една елха, две, три, много елхи - тук имаме много подкрепление;) И това е.
И има два входа. И единият от тях е директен, а другият е обратен.
Освен това входовете са с висок импеданс. Тези. техният входен импеданс е безкрайност в идеалния случай и МНОГО висок в реалния случай. Броят там отива в стотици мегаоми или дори гигаоми. Тези. измерва напрежението на входа, но има минимален ефект върху него. И можем да предположим, че в операционния усилвател не тече ток.
Изходното напрежение в този случай се изчислява като:
U out =(U 2 -U 1)*K
Очевидно, ако напрежението на директния вход е по-голямо от това на обратния вход, тогава изходът е плюс безкрайност. В противен случай ще бъде минус безкрайност.
Разбира се, в реална схема няма да има безкрайни плюс и минус, а те ще бъдат заменени от възможно най-високото и най-ниското захранващо напрежение на усилвателя. И ще получим:
Компаратор
Устройство, което ви позволява да сравните два аналогови сигнала и да направите присъда - кой сигнал е по-голям. Вече интересно. Можете да измислите много приложения за него. Между другото, същият компаратор е вграден в повечето микроконтролери и аз показах как да го използвам, използвайки примера на AVR в статии за създаване. Компараторът също е чудесен за създаване на .
Но въпросът не се ограничава до един компаратор, защото ако въведете обратна връзка, тогава много може да се направи от операционния усилвател.
Обратна връзка
Ако вземем сигнал от изхода и го изпратим направо към входа, тогава ще възникне обратна връзка.
Положителна обратна връзка
Нека вземем и насочим сигнала директно от изхода към директния вход.
- Напрежението U1 е по-голямо от нула - изходът е -15 волта
- Напрежението U1 е по-малко от нула - изходът е +15 волта
Какво се случва, ако напрежението е нула? На теория изходът трябва да е нула. Но в действителност напрежението НИКОГА няма да бъде нула. В края на краищата, дори ако зарядът на десния превишава заряда на левия с един електрон, тогава това вече е достатъчно, за да задвижи потенциала към изхода с безкрайно усилване. И на изхода ще започне целия ад - сигналът скача тук и там със скоростта на случайни смущения, предизвикани на входовете на компаратора.
За да се реши този проблем, се въвежда хистерезис. Тези. вид празнина между преминаването от едно състояние в друго. За да направите това, се въвежда положителна обратна връзка, като тази:
 |
Предполагаме, че в този момент има +10 волта на обратния вход. Изходът от операционния усилвател е минус 15 волта. На директния вход вече не е нула, а малка част от изходното напрежение от делителя. Приблизително -1,4 волта Сега, докато напрежението на обратния вход падне под -1,4 волта, изходът на операционния усилвател няма да промени напрежението си. И веднага щом напрежението падне под -1,4, изходът на операционния усилвател рязко ще скочи до +15 и вече ще има отклонение от +1,4 волта на директния вход.
И за да се промени напрежението на изхода на компаратора, сигналът U1 ще трябва да се увеличи с цели 2,8 волта, за да достигне горното ниво от +1,4.
Появява се някаква празнина, където няма чувствителност, между 1,4 и -1,4 волта. Ширината на междината се контролира от съотношенията на резисторите в R1 и R2. Праговото напрежение се изчислява като Uout/(R1+R2) * R1 Да кажем, че 1 до 100 ще даде +/-0,14 волта.
Но все пак операционните усилватели се използват по-често в режим на отрицателна обратна връзка.
Негативно мнение
Добре, нека го кажем по друг начин:
 |
В случай на отрицателна обратна връзка, операционният усилвател има интересно свойство. Той винаги ще се опитва да регулира изходното си напрежение, така че напреженията на входовете да са равни, което води до нулева разлика.
Докато не прочетох това в страхотната книга на другарите Хоровиц и Хил, не можах да навляза в работата на OU. Но се оказа просто.
Ретранслатор
И имаме ретранслатор. Тези. на входа U 1, на обратния вход U out = U 1. Е, оказва се, че U out = U 1.
Въпросът е защо имаме нужда от такова щастие? Беше възможно директно да се свърже проводникът и нямаше да е необходим операционен усилвател!
Възможно е, но не винаги. Нека си представим тази ситуация: има сензор, направен под формата на резистивен разделител:
 |
По-ниското съпротивление променя стойността си, разпределението на изходните напрежения от делителя се променя. И ние трябва да вземем показания от него с волтметър. Но волтметърът има собствено вътрешно съпротивление, макар и голямо, но ще промени показанията от сензора. Освен това, какво ще стане, ако не искаме волтметър, но искаме електрическата крушка да променя яркостта? Тук вече няма начин да свържете електрическа крушка! Затова буферираме изхода с операционен усилвател. Входното му съпротивление е огромно и влиянието му ще бъде минимално, а изходът може да осигури доста осезаем ток (десетки милиампери или дори стотици), което е напълно достатъчно за работа на електрическата крушка.
Като цяло можете да намерите приложения за повторител. Особено в прецизните аналогови схеми. Или където схемата на един етап може да повлияе на работата на друг, за да ги раздели.
Усилвател
Сега нека направим финт с ушите си - вземете нашата обратна връзка и я свържете към земята чрез делител на напрежение:
 |
Сега половината от изходното напрежение се подава към обратния вход. Но усилвателят все още трябва да изравни напреженията на входовете си. Какво ще трябва да направи? Точно така - вдигнете напрежението на изхода два пъти по-високо от преди, за да компенсирате получения делител.
Сега ще има U 1 на правата линия. При обратен U out /2 = U 1 или U out = 2*U 1.
Да сложим делител с различно съотношение - ситуацията ще се промени по същия начин. За да не се налага да въртите формулата на делителя на напрежението в ума си, ще я дам веднага:
U out = U 1 *(1+R 1 /R 2)
Мнемонично се помни това, което е разделено на това, което е много просто:
Оказва се, че входният сигнал преминава през верига от резистори R 2, R 1 in U out. В този случай директният вход на усилвателя е настроен на нула. Нека си спомним навиците на операционния усилвател - той ще се опита, неволно или невярно, да гарантира, че на неговия обратен вход се генерира напрежение, равно на директния вход. Тези. нула. Единственият начин да направите това е да намалите изходното напрежение под нулата, така че в точка 1 да се появи нула.
Така. Нека си представим, че U out =0. Все още е нула. И входното напрежение, например, е 10 волта спрямо U out. Делителят на R 1 и R 2 ще го раздели наполовина. Така в точка 1 има пет волта.
Пет волта не са нула и операционният усилвател намалява мощността си, докато точка 1 стане нула. За да направите това, изходът трябва да стане (-10) волта. В този случай спрямо входа разликата ще е 20 волта, а делителя ще ни осигури точно 0 в точка 1. Имаме инвертор.
Но можем също така да изберем други резистори, така че нашият делител да произвежда различни коефициенти!
Като цяло формулата за усилване за такъв усилвател ще бъде както следва:
U out = - U in * R 1 / R 2
Е, мнемонична картина за бързо запаметяване на xy от xy.
Да кажем, че U2 и U1 са по 10 волта. Тогава на 2-ра точка ще има 5 волта. И изхода ще трябва да стане такъв, че в 1-ва точка също да има 5 волта. Тоест нула. Оказва се, че 10 волта минус 10 волта е равно на нула. Това е вярно :)
Ако U 1 стане 20 волта, тогава изходът ще трябва да падне до -10 волта.
Направете сами сметката - разликата между U 1 и U out ще бъде 30 волта. Токът през резистор R4 ще бъде (U 1 -U out)/(R 3 +R 4) = 30/20000 = 0,0015A, а спадът на напрежението през резистор R 4 ще бъде R 4 *I 4 = 10000 * 0,0015 = 15 волта. Извадете спада от 15 волта от спада на входа от 20 и вземете 5 волта.
По този начин нашият операционен усилвател реши аритметичен проблем от 10, изваден от 20, което доведе до -10 волта.
Освен това проблемът съдържа коефициенти, определени от резистори. Просто за простота съм избрал резистори с еднаква стойност и следователно всички коефициенти са равни на единица. Но всъщност, ако вземем произволни резистори, тогава зависимостта на изхода от входа ще бъде така:
U out = U 2 *K 2 - U 1 *K 1
K 2 = ((R 3 +R 4) * R 6) / (R 6 +R 5)*R 4
K 1 = R 3 / R 4
Мнемоничната техника за запомняне на формулата за изчисляване на коефициентите е следната:
Точно по схемата. Числителят на дробта е най-отгоре, така че събираме горните резистори във веригата на текущия поток и умножаваме по долния. Знаменателят е отдолу, така че събираме долните резистори и умножаваме по горния.
Тук всичко е просто. защото точка 1 постоянно се намалява до 0, тогава можем да приемем, че токовете, протичащи в нея, винаги са равни на U/R, а токовете, влизащи във възел номер 1, се сумират. Съотношението на входния резистор към резистора за обратна връзка определя теглото на входящия ток.
Може да има колкото искате клони, но аз нарисувах само две.
U out = -1(R 3 *U 1 /R 1 + R 3 *U 2 /R 2)
Резисторите на входа (R 1, R 2) определят количеството ток и следователно общото тегло на входящия сигнал. Ако направите всички резистори равни, като моя, тогава теглото ще бъде същото и коефициентът на умножение на всеки член ще бъде равен на 1. И U out = -1(U 1 +U 2)
Неинвертиращ суматор
Тук всичко е малко по-сложно, но е подобно.
 |
Uout = U 1 *K 1 + U 2 *K 2
K 1 = R 5 / R 1
K 2 = R 5 / R 2
Освен това, резисторите в обратната връзка трябва да са такива, че да се спазва уравнението R 3 / R 4 = K 1 + K 2
Като цяло можете да правите всякакви математики с помощта на операционни усилватели, да събирате, умножавате, делите, изчислявате производни и интеграли. И то почти моментално. Аналоговите компютри се правят с помощта на операционни усилватели. Дори видях един такъв на петия етаж в SUSU - глупак с размерите на половин стая. Няколко метални шкафа. Програмата се въвежда чрез свързване на различни блокове с жици :)
Инвертиращият усилвател е една от най-простите и най-често използвани аналогови схеми. Само с два резистора можем да зададем необходимото усилване. Нищо не ни пречи да направим коефициента по-малък от 1, като по този начин отслабим входния сигнал.
Често към веригата се добавя друг R3, чието съпротивление е равно на сумата от R1 и R2.
За да разберете как работи един инвертиращ усилвател, нека симулираме проста схема. На входа имаме напрежение 4V, съпротивлението на резисторите е R1=1k и R2=2k. Би било възможно, разбира се, да заменим всичко това във формулата и незабавно да изчислим резултата, но нека да видим как точно работи тази схема.
Нека започнем с припомнянето на основните принципи на работа на операционен усилвател:
Правило No1 - операционният усилвател въздейства на своя изход върху входа чрез ООС (отрицателна обратна връзка), в резултат на което напрежението и на двата входа и инвертиращия (-) и неинвертиращия (+) се изравнява.
Моля, обърнете внимание, че неинвертиращият вход (+) е свързан към земята, тоест има напрежение 0V. В съответствие с правило № 1, инвертиращият вход (-) също трябва да бъде 0V.
И така, знаем напрежението на клемите на резистора R1 и неговото съпротивление е 1k. Така с помощта можем да извършим изчисление и да изчислим колко ток протича през резистора R1:
IR1 = UR1/R1 = (4V-0V)/1k = 4mA.
Правило No2 - входовете на усилвателя не консумират ток
Така токът, протичащ през R1, продължава да тече през R2!
Нека отново използваме закона на Ом и изчислим какъв спад на напрежението се получава на резистор R2. Знаем неговото съпротивление и знаем какъв ток преминава през него, следователно:
UR2 = IR2R2 = 4mA *2k = 8V.
Оказва се, че имаме 8V на изхода? Не със сигурност по този начин. Позволете ми да ви напомня, че това е инвертиращ усилвател, тоест ако приложим положително напрежение към входа и премахнем отрицателно напрежение на изхода. как става това
Това се дължи на факта, че обратната връзка е инсталирана на инвертиращия вход (-) и за да изравни напрежението на входа, усилвателят намалява потенциала на изхода. Връзките на резисторите могат да се считат за прости, следователно, за да може потенциалът в точката на тяхното свързване да бъде равен на нула, изходът трябва да бъде минус 8 волта: Uout. = -(R2/R1)*Uin.
Има още една уловка, свързана с правило 3:
Правило No3 - напреженията на входовете и изходите трябва да са в диапазона между положителното и отрицателното захранващо напрежение на операционния усилвател.
Тоест трябва да проверим дали напреженията, които сме изчислили, действително могат да бъдат получени чрез усилвателя. Начинаещите често си мислят, че усилвателят работи като източник на безплатна енергия и произвежда напрежение от нищото. Но трябва да помним, че усилвателят също се нуждае от мощност, за да работи.
Класическите усилватели работят на напрежение -15V и +15V. В такава ситуация нашите -8V, които изчислихме, е реалното напрежение, тъй като е в този диапазон.
Съвременните усилватели обаче често работят при 5V или по-ниско. В такава ситуация няма шанс усилвателят да ни даде минус 8V изход. Следователно, когато проектирате схеми, винаги помнете, че теоретичните изчисления винаги трябва да бъдат подкрепени от реалността и физическите възможности.
Трябва да се отбележи, че инвертиращият усилвател има един недостатък. Вече знаем какво не натоварва източника на сигнал, тъй като входовете на усилвателя имат много високо съпротивление и консумират толкова малко ток, че в повечето случаи може да се игнорира (правило #2).
Инвертиращият усилвател има входно съпротивление, равно на съпротивлението на резистор R1, на практика варира от 1k...1M. За сравнение, усилвател с входове на полеви транзистори има съпротивление от порядъка на стотици мегаома и дори гигаома! Поради това понякога може да е препоръчително да инсталирате повторител на напрежението пред усилвателя.
Има много важни теми в курса по електроника. Днес ще се опитаме да разберем операционните усилватели.
Започни отначало. Операционният усилвател е „нещо“, което ви позволява да работите с аналогови сигнали по всеки възможен начин. Най-простите и основни са усилване, затихване, добавяне, изваждане и много други (например диференциране или логаритъм). По-голямата част от операциите на операционни усилватели (наричани по-нататък операционни усилватели) се извършват с помощта на положителна и отрицателна обратна връзка.
В тази статия ще разгледаме определен „идеален“ оп-усилвател, защото Няма смисъл да преминавате към определен модел. Под идеално се има предвид, че входното съпротивление ще клони към безкрайност (следователно входният ток ще клони към нула), а изходното съпротивление, напротив, ще клони към нула (това означава, че товарът не трябва да влияе на изходното напрежение ). Освен това всеки идеален операционен усилвател трябва да усилва сигнали с всякаква честота. Е, и най-важното е, че печалбата при липса на обратна връзка също трябва да клони към безкрайност.
Преминете към точката
Операционният усилвател често се символизира в диаграмите с равностранен триъгълник. Вляво са входовете, които са маркирани с "-" и "+", вдясно е изходът. Напрежението може да бъде приложено към всеки от входовете, единият от които променя полярността на напрежението (затова се нарича инвертиращ), другият не (логично е да се приеме, че се нарича неинвертиращ). Захранването на операционния усилвател най-често е биполярно. Обикновено положителните и отрицателните захранващи напрежения имат една и съща стойност (но различен знак!).В най-простия случай можете да свържете източници на напрежение директно към входовете на операционните усилватели. И тогава изходното напрежение ще бъде изчислено по формулата:
, където е напрежението на неинвертиращия вход, е напрежението на инвертиращия вход, е изходното напрежение и е усилването при отворена верига.
Нека да разгледаме идеалния операционен усилвател от гледна точка на Proteus.
Предлагам ви да "играете" с него. Към неинвертиращия вход беше приложено напрежение от 1 V. За обръщане на 3V. Използваме „идеален“ операционен усилвател. И така, получаваме: . Но тук имаме ограничител, т.к няма да можем да усилим сигнала над нашето захранващо напрежение. Така все пак ще получим -15V на изхода. Резултат:
Нека променим усилването (за да ми повярвате). Нека параметърът за усилване на напрежението стане равен на две. Същият проблем е ясно решен.
Приложение в реалния живот на операционни усилватели, използвайки примера на инвертиращи и неинвертиращи усилватели
Има две от тези основенправила:аз Изходът на операционния усилвател води до това, че диференциалното напрежение (разликата между напрежението на инвертиращите и неинвертиращите входове) е нула.
II. Входовете на операционните усилватели не консумират ток.
Първото правило се прилага чрез обратна връзка. Тези. напрежението се прехвърля от изхода към входа по такъв начин, че потенциалната разлика става нула.
Това са така да се каже “свещените канони” в темата за ОУ.
А сега по-конкретно. Инвертиращ усилвателизглежда точно така (обърнете внимание как са разположени входовете):
Въз основа на първия „канон“ получаваме пропорцията:
, и след като „направихме малко магия“ с формулата, извличаме стойността за печалбата на инвертиращия операционен усилвател:
Екранната снимка по-горе не се нуждае от коментари. Просто включете всичко и проверете сами.
Следващ етап - неинвертиращусилвател.
Тук също всичко е просто. Напрежението се прилага директно към неинвертиращия вход. Обратната връзка се подава към инвертиращия вход. Напрежението на инвертиращия вход ще бъде:
, но прилагайки първото правило, можем да кажем това
И отново, „грандиозните“ знания в областта на висшата математика ни позволяват да преминем към формулата:
Ще ви дам изчерпателна екранна снимка, която можете да проверите отново, ако искате: 
И накрая, ще ви дам няколко интересни схеми, за да не останете с впечатлението, че операционните усилватели могат само да усилват напрежението.
Повторител на напрежение (буферен усилвател).Принципът на работа е същият като този на транзисторния повторител. Използва се във вериги с голямо натоварване. Също така може да се използва за решаване на проблема със съгласуването на импеданса, ако веригата съдържа нежелани делители на напрежение. Схемата е проста до степен на гениалност: 
Сумиращ усилвател.Може да се използва, ако трябва да добавите (извадите) няколко сигнала. За по-голяма яснота, ето диаграма (отново обърнете внимание на местоположението на входовете): 
Също така обърнете внимание на факта, че R1 = R2 = R3 = R4 и R5 = R6. Формулата за изчисление в този случай ще бъде: (познато, нали?)
По този начин виждаме, че стойностите на напрежението, които се подават към неинвертиращия вход, "придобиват" знак плюс. На обръщащия - минус.
Заключение
Схемите на операционните усилватели са изключително разнообразни. В по-сложни случаи може да намерите активни филтърни вериги, ADC и устройства за вземане на проби за съхранение, усилватели на мощност, преобразуватели на ток към напрежение и много много други схеми.Списък на източниците
Кратък списък с източници, които ще ви помогнат бързо да свикнете както с операционните усилватели, така и с електрониката като цяло:Уикипедия
П. Хоровиц, У. Хил. „Изкуството на дизайна на схеми“
Б. Бейкър. „Какво трябва да знае един дигитален разработчик за аналоговата електроника“
Бележки за лекции по електроника (за предпочитане ваши собствени)
UPD:Благодаря ти НЛОза покана
) ще работим с OP97 и AD620. Нека първо да разгледаме AD620. В листа с данни за него е посочено, както следва:
Фиг.2б
AD620 е инструментален операционен усилвател. Думата инструментален показва неговите по-добри характеристики в сравнение с конвенционален операционен усилвател. Усиленият сигнал се подава към входовете +IN и –IN. Коефициентът на усилване на този усилвател се задава с помощта на резистор, свързан към Rg входовете (има два от тях, съответно - № 1 и № 8). Кой резистор на кой коефициент на усилване отговаря - погледнете в листа с данни. Захранването на операционния усилвател AD620 е биполярно. Това означава, че има щифтове за захранване, които са обозначени с +Vs и –Vs. И сега, ако свържем към тях, например, 5V батерия (минусът на батерията трябва да бъде свързан към –Vs, а плюсът, съответно, към +Vs), и прилагаме потенциална разлика към сигналните входове + IN и съответно –IN, който трябва да бъде усилен, тогава можем да премахнем сигнал, усилен с K пъти (където K е печалбата, определена от Rg - вижте по-горе) от това устройство, като се свържем към OUTPUT щифта и точката, която се сглобяват във веригата, с потенциал 2.5V относителноминус батерия. Точката с потенциал от 2,5 V спрямо минуса на батерията се нарича нулева точка. Това е самата нула, спрямо която се измерва потенциалът (усиленият сигнал) на извода OUTPUT на усилвателя. Тази точка може да се получи с помощта на обикновен резистивен делител като фиг. 3b.
Фиг.3b
По този начин най-простата схема на свързване за този операционен усилвател изглежда така:
Така че плюс батерии спрямо нулевата точкаима потенциал +2,5V, а минусът на батерията спрямо нулевата точка има потенциал –2,5V (виж фиг. 3b). Тоест нулевият потенциал е точно по средата между плюса и минуса на батерията. Оттук и името на този метод на захранване - биполярно захранване (тъй като се оказва, че сме приложили минус 2.5V спрямо нулевата точка към –Vs изхода на усилвателя и плюс 2.5V спрямо нулевата точка към +Vs) .
Трябва също да се отбележи, че потенциалите, подавани към +IN и –IN входовете на усилвателя спрямо нулата на веригата, трябва да имат стойност в същите граници като потенциалите на източника на захранване. Тоест, ако подадохме –2,5V и +2,5V към –Vs и +Vs, съответно, тогава към –IN и +IN не можем да подадем, например, съответно 230V и 230,1V. В този пример потенциалната разлика 230.1–230 = 0.1V, макар и малка, няма да бъде усилена. Използвайки листа с данни, е необходимо да разберете приемливия диапазон от потенциали на входовете на съответния оп-усилвател. Например, за AD620, в съответствие с неговия лист с данни за обхвата на входното напрежение, когато захранването се подава при –2,5 V и 2,5 V при –Vs и +Vs, напрежението спрямо нула при –IN или +IN трябва да бъде не повече от Vs–1,2V = 2,5–1,2 = 1,3V и не по-малко –Vs+1,9V = –2,5+1,9 = –0,6V. Това означава, че ако, например, приложите 0,2 V и 0,3 V към –IN и +IN, съответно, тогава потенциалната разлика между –IN и +IN със същите 0,1 V вече може да бъде усилена. Във веригата на електрокардиографа (виж фиг. 5), за да могат потенциалите от човешкото тяло, подавани към входа на усилвателя, да бъдат в същите граници като потенциалите на източника на захранване, нулевата точка на източника на захранване е свързана използвайки така наречения референтен електрод към десния крак на пациента (Тази връзка се нарича също „водач на десния крак“. В резултат на това потенциалите на човешкото тяло ще варират в рамките на нулевата точка на захранващия източник на усилвателя, което означава, че ще попадат в диапазона Vs–1.2V, –Vs+1.9V.
Има и следната важна характеристика. Изходното напрежение на усилвателя трябва да се измерва спрямо OUTPUT и нулевия проводник на веригата, но на практика понякога някои операционни усилватели добавят своето изместване към изходния сигнал с една или друга постоянна стойност. Следователно, в такива операционни усилватели, за да се премахне тази постоянна стойност и в крайна сметка да се гарантира, че измерванията спрямо неутралния проводник на веригата са правилни, обикновено се предоставя REF изход (така наречения референтен вход), към който нулевият потенциал на веригата трябва да се приложи. Освен това е необходимо да се приложи нулев потенциал към щифта REF от източник с минимално изходно съпротивление, в противен случай прилагането на нулев потенциал към REF няма да постигне желания ефект. По този начин нулевият потенциал обикновено се подава към входа REF чрез операционен усилвател, свързан съгласно така наречената повторителна верига, която, както е известно, има изходно съпротивление, близко до нула, а входното съпротивление, напротив, има тенденция на огромна стойност. На входа на повторителя се прилага нулев потенциал, чието усилване е равно на единица; нулевият потенциал се премахва от изхода на повторителя и се прилага към REF. Операционният усилвател, свързан според веригата на повторителя, изглежда така:
Фиг.5b
Тогава веригата за свързване на усилвателя с REF ще изглежда така:
Фиг.6b
В нашата електрокардиографска схема повторителят, който произвежда референтното напрежение за усилвателите AD620, е изграден на базата на OP97 (виж фиг. 8) - тук към положителния вход на OP97 се прилага нулев потенциал, а от изхода на OP97 референтен нулев потенциал се подава към щифтовете REF на усилвателите AD620, специално проектирани за тази цел. OP97 също е биполярен.
В допълнение към операционните усилватели с биполярно захранване, има и така наречените еднополярни, например TLC272. За такива усилватели изходното напрежение се измерва не спрямо нулевата точка, а спрямо минуса на батерията и съответно клемите за захранване на такъв операционен усилвател са обозначени като GND (тук минус батерията) и VDD ( тук плюс).
Е, това е може би всичко. Тази информация е достатъчна, за да разберем какво къде да захранваме и какво къде да измерваме в усилвателите на веригата на нашия електрокардиограф.
Повече информация за операционните усилватели можете да намерите и тук:
p.s.За тези, които се интересуват от обяснения на концепциите на математиката, физиката и технологиите, както се казва, „на една ръка разстояние“, можем да препоръчаме тази книга и по-специално главите от нейните раздели „Математика“, „Физика“ и “Технология” (самата книга или отделни глави от нея можете да закупите).