परिचालन एम्पलीफायर चालू करें. परिचालन एम्पलीफायरों। प्रकार एवं कार्य. पोषण एवं विशेषताएं. सामान्य मोड अस्वीकृति मोड

परिचालन एम्पलीफायरों का उपयोग अक्सर विभिन्न कार्यों को करने के लिए किया जाता है: संकेतों को जोड़ना, विभेदित करना, एकीकृत करना, उलटना, आदि। और परिचालन एम्पलीफायरों को भी उन्नत के रूप में विकसित किया गया है
संतुलित प्रवर्धन सर्किट।

ऑपरेशनल एंप्लीफायर- एक सार्वभौमिक कार्यात्मक तत्व, जो एनालॉग और डिजिटल प्रौद्योगिकी दोनों में विभिन्न उद्देश्यों के लिए सूचना संकेतों को उत्पन्न करने और परिवर्तित करने के लिए आधुनिक सर्किट में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। आइए आगे एम्पलीफायरों के प्रकारों पर नजर डालें।

उलटा प्रवर्धक

एक साधारण इनवर्टिंग एम्पलीफायर के सर्किट पर विचार करें:

a) प्रतिरोधक R2 पर वोल्टेज ड्रॉप Uout के बराबर है,

बी) रोकनेवाला R1 पर वोल्टेज ड्रॉप Uin के बराबर है।

यूआउट/आर2 = -यूइन/आर1, या वोल्टेज लाभ = यूआउट/यूइन = आर2/आर1।

यह समझने के लिए कि फीडबैक कैसे काम करता है, आइए कल्पना करें कि इनपुट पर एक निश्चित वोल्टेज स्तर लागू किया जाता है, मान लीजिए 1 V। अधिक विशिष्ट होने के लिए, मान लें कि रोकनेवाला R1 का प्रतिरोध 10 kOhm है, और रोकनेवाला R2 का प्रतिरोध 100 है कोहम्। अब कल्पना करें कि आउटपुट वोल्टेज नियंत्रण से बाहर हो गया है और 0 V के बराबर है। क्या होगा? प्रतिरोधक R1 और R2 एक वोल्टेज डिवाइडर बनाते हैं, जिसकी मदद से इनवर्टिंग इनपुट की क्षमता 0.91 V के बराबर बनाए रखी जाती है। ऑपरेशनल एम्पलीफायर इनपुट में बेमेल का पता लगाता है, और इसके आउटपुट पर वोल्टेज कम होने लगता है। परिवर्तन तब तक जारी रहता है जब तक आउटपुट वोल्टेज -10 V तक नहीं पहुंच जाता, जिस बिंदु पर ऑप-एम्प इनपुट की क्षमता समान और जमीन की क्षमता के बराबर हो जाती है। इसी प्रकार, यदि आउटपुट वोल्टेज और कम होने लगे और -10 V से अधिक नकारात्मक हो जाए, तो इनवर्टिंग इनपुट पर क्षमता जमीन की क्षमता से कम हो जाएगी, परिणामस्वरूप, आउटपुट वोल्टेज बढ़ना शुरू हो जाएगा।

इस सर्किट का नुकसान यह है कि इसमें कम इनपुट प्रतिबाधा है, विशेष रूप से उच्च वोल्टेज लाभ (बंद फीडबैक सर्किट के साथ) वाले एम्पलीफायरों के लिए, जिसमें अवरोधक आर 1, एक नियम के रूप में, छोटा है। यह कमी नीचे चित्र में प्रस्तुत चित्र द्वारा दूर हो गई है। 4.

नॉन-इनवर्टिंग एम्पलीफायर. डीसी एम्पलीफायर.

आइए चित्र में दिए गए आरेख को देखें। 4. इसका विश्लेषण अत्यंत सरल है: UA = Uin. वोल्टेज UA को वोल्टेज डिवाइडर से हटा दिया जाता है: UA = Uout R1 / (R1 + R2)। यदि यूए = यूइन, तो लाभ = यूआउट / यूइन = 1 + आर2 / आर1। यह एक नॉन-इनवर्टिंग एम्प्लीफायर है। हम जिस सन्निकटन का उपयोग करेंगे, उसमें इस एम्पलीफायर का इनपुट प्रतिबाधा अनंत है (411 प्रकार के ऑप amp के लिए यह 1012 ओम या अधिक है, द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर ऑप amp के लिए यह आमतौर पर 108 ओम से अधिक है)। आउटपुट प्रतिबाधा, पिछले मामले की तरह, एक ओम के अंश के बराबर है। यदि, इनवर्टिंग एम्पलीफायर की तरह, हम इनपुट वोल्टेज में परिवर्तन के रूप में सर्किट के व्यवहार पर करीब से नज़र डालते हैं, तो हम देखते हैं कि यह वादे के अनुसार काम करता है।

एसी एम्पलीफायर

उपरोक्त सर्किट भी एक डीसी एम्पलीफायर है। यदि सिग्नल स्रोत और एम्पलीफायर प्रत्यावर्ती धारा के माध्यम से एक दूसरे से जुड़े हुए हैं, तो इनपुट करंट (परिमाण में बहुत छोटा) के लिए ग्राउंडिंग प्रदान की जानी चाहिए, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 5. आरेख में प्रस्तुत घटक मानों के लिए, वोल्टेज लाभ 10 है, और -3 डीबी बिंदु 16 हर्ट्ज की आवृत्ति से मेल खाता है।

एसी एम्पलीफायर. यदि केवल एसी सिग्नलों को प्रवर्धित किया जाता है, तो आप डीसी सिग्नलों के लाभ को घटाकर एकता तक ला सकते हैं, खासकर यदि एम्पलीफायर में उच्च वोल्टेज लाभ हो। इससे हमेशा विद्यमान परिमित "इनपुट-संदर्भित कतरनी तनाव" के प्रभाव को कम करना संभव हो जाता है।

चित्र में दिखाए गए सर्किट के लिए। 6, बिंदु -3 डीबी 17 हर्ट्ज की आवृत्ति से मेल खाता है; इस आवृत्ति पर संधारित्र प्रतिबाधा 2.0 kOhm है। कृपया ध्यान दें कि संधारित्र बड़ा होना चाहिए। यदि एसी एम्पलीफायर बनाने के लिए उच्च लाभ वाले गैर-इनवर्टिंग एम्पलीफायर का उपयोग किया जाता है, तो संधारित्र अत्यधिक बड़ा हो सकता है। इस मामले में, संधारित्र के बिना करना और ऑफसेट वोल्टेज को समायोजित करना बेहतर है ताकि यह शून्य के बराबर हो। आप दूसरी विधि का उपयोग कर सकते हैं - प्रतिरोधों आर 1 और आर 2 का प्रतिरोध बढ़ाएं और टी-आकार के विभाजक सर्किट का उपयोग करें।

उच्च इनपुट प्रतिबाधा के बावजूद, जिसके लिए डिज़ाइनर हमेशा प्रयास करते हैं, एक गैर-इनवर्टिंग एम्पलीफायर सर्किट को हमेशा इनवर्टिंग एम्पलीफायर सर्किट पर प्राथमिकता नहीं दी जाती है। जैसा कि हम बाद में देखेंगे, इनवर्टिंग एम्पलीफायर ऑप amp पर इतनी अधिक मांग नहीं रखता है और इसलिए, इसमें थोड़ी बेहतर विशेषताएं हैं। इसके अलावा, काल्पनिक ग्राउंडिंग के लिए धन्यवाद, संकेतों को एक-दूसरे को प्रभावित किए बिना संयोजित करना सुविधाजनक है। और अंत में, यदि प्रश्न में सर्किट किसी अन्य ऑप-एम्प के आउटपुट (स्थिर) से जुड़ा है, तो इनपुट प्रतिबाधा का मूल्य आपके प्रति उदासीन है - यह 10 kOhm या अनंत हो सकता है, क्योंकि किसी भी मामले में पिछला चरण होगा अगले के संबंध में अपने कार्य करता है।

अपराधी

चित्र में. 7 एक परिचालन एम्पलीफायर के आधार पर एक उत्सर्जक जैसा अनुयायी दिखाता है।

यह एक नॉन-इनवर्टिंग एम्पलीफायर से अधिक कुछ नहीं है जिसमें रोकनेवाला R1 का प्रतिरोध अनंत के बराबर है, और रोकनेवाला R2 का प्रतिरोध शून्य (लाभ = 1) है। ऐसे विशेष परिचालन एम्पलीफायर हैं जो केवल पुनरावर्तक के रूप में उपयोग के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, उनमें बेहतर विशेषताएं (मुख्य रूप से उच्च गति) हैं, ऐसे परिचालन एम्पलीफायर का एक उदाहरण एलएम 310 या ओपीए 633 सर्किट है, साथ ही सरलीकृत सर्किट जैसे टीएल068 सर्किट (ट्रांजिस्टर में उपलब्ध) तीन टर्मिनलों वाला पैकेज)।

एकता लाभ वाले एम्पलीफायर को कभी-कभी बफर कहा जाता है, क्योंकि इसमें पृथक गुण (उच्च इनपुट प्रतिबाधा और कम आउटपुट) होते हैं।

ऑप-एम्प के साथ काम करते समय बुनियादी सावधानियाँ

1. नियम किसी भी परिचालन एम्पलीफायर के लिए मान्य हैं, बशर्ते कि वह सक्रिय मोड में हो, यानी। इसके इनपुट और आउटपुट अतिभारित नहीं हैं।

उदाहरण के लिए, यदि आप एम्पलीफायर के इनपुट पर बहुत अधिक सिग्नल लागू करते हैं, तो इससे आउटपुट सिग्नल UKK या UЭЭ स्तर के पास कट जाएगा। जबकि आउटपुट वोल्टेज कटऑफ वोल्टेज स्तर पर तय होता है, इनपुट पर वोल्टेज बदल नहीं सकता है। ऑप एम्प का आउटपुट स्विंग सप्लाई वोल्टेज रेंज से अधिक नहीं हो सकता (आमतौर पर सप्लाई वोल्टेज रेंज से 2 वी कम, हालांकि कुछ ऑप एम्प का आउटपुट स्विंग एक या दूसरे सप्लाई वोल्टेज तक सीमित होता है)। परिचालन एम्पलीफायर-आधारित वर्तमान स्रोत की आउटपुट स्थिरता सीमा पर एक समान सीमा लगाई गई है। उदाहरण के लिए, फ्लोटिंग लोड वाले वर्तमान स्रोत में, वर्तमान की "सामान्य" दिशा के साथ लोड में अधिकतम वोल्टेज ड्रॉप (वर्तमान की दिशा लागू वोल्टेज की दिशा के साथ मेल खाती है) यूकेके - यूइन है, और साथ में धारा की विपरीत दिशा (इस मामले में लोड काफी अजीब हो सकता है, उदाहरण के लिए, इसमें सीधी चार्जिंग धारा प्राप्त करने के लिए उलटी हुई बैटरियां हो सकती हैं, या यह प्रेरक हो सकती है और दिशा बदलने वाली धाराओं के साथ काम कर सकती है) -यूइन - यूईई।

2. फीडबैक नकारात्मक होना चाहिए. इसका मतलब है (अन्य बातों के अलावा) कि इनवर्टिंग और नॉन-इनवर्टिंग इनपुट को भ्रमित नहीं किया जाना चाहिए।

3. ऑप-एम्प सर्किट में डीसी फीडबैक सर्किट होना चाहिए, अन्यथा ऑप-एम्प निश्चित रूप से संतृप्ति में चला जाएगा।

4. कई ऑप एम्प्स में अधिकतम अंतर इनपुट वोल्टेज काफी कम होता है। इनवर्टिंग और नॉन-इनवर्टिंग इनपुट के बीच अधिकतम वोल्टेज अंतर किसी भी वोल्टेज ध्रुवता के लिए 5 V तक सीमित किया जा सकता है। यदि इस स्थिति की उपेक्षा की जाती है, तो बड़ी इनपुट धाराएँ उत्पन्न होंगी, जिससे प्रदर्शन में गिरावट आएगी या परिचालन एम्पलीफायर का विनाश भी होगा।

"फीडबैक" (एफई) की अवधारणा सबसे व्यापक में से एक है; यह लंबे समय से प्रौद्योगिकी के संकीर्ण क्षेत्र से आगे निकल चुकी है और अब व्यापक अर्थ में उपयोग की जाती है। नियंत्रण प्रणालियों में, फीडबैक का उपयोग आउटपुट सिग्नल की सेटपॉइंट के साथ तुलना करने और उचित सुधार करने के लिए किया जाता है। कुछ भी "सिस्टम" के रूप में कार्य कर सकता है, उदाहरण के लिए, सड़क पर चलती कार को चलाने की प्रक्रिया - आउटपुट डेटा (कार की स्थिति और उसकी गति) की निगरानी ड्राइवर द्वारा की जाती है, जो उनकी तुलना अपेक्षित मूल्यों से करता है ​​और इनपुट डेटा को तदनुसार समायोजित करता है (स्टीयरिंग व्हील, स्पीड स्विच, ब्रेक का उपयोग करके)। एक एम्पलीफायर सर्किट में, आउटपुट सिग्नल इनपुट सिग्नल का एक गुणक होना चाहिए, इसलिए फीडबैक एम्पलीफायर में, इनपुट सिग्नल की तुलना आउटपुट सिग्नल के एक निश्चित भाग से की जाती है।

फीडबैक के बारे में सब कुछ

नकारात्मक प्रतिपुष्टिआउटपुट सिग्नल को वापस इनपुट में ट्रांसमिट करने की प्रक्रिया है, जिसमें इनपुट सिग्नल का हिस्सा बुझ जाता है। यह एक बेवकूफी भरा विचार लग सकता है जिससे केवल लाभ में कमी आएगी। यह बिल्कुल हेरोल्ड एस. ब्लैक द्वारा प्राप्त फीडबैक है, जिन्होंने 1928 में नकारात्मक फीडबैक को पेटेंट कराने का प्रयास किया था। "हमारे आइसोप्रेशन को एक सतत गति मशीन की तरह माना गया" (आईईईई स्पेक्ट्रम पत्रिका, दिसंबर 1977)। वास्तव में, नकारात्मक प्रतिक्रिया लाभ को कम करती है, लेकिन साथ ही यह सर्किट के अन्य मापदंडों में सुधार करती है, उदाहरण के लिए, यह विरूपण और गैर-रैखिकता को समाप्त करती है, आवृत्ति प्रतिक्रिया को सुचारू करती है (इसे वांछित विशेषता के अनुरूप लाती है), और व्यवहार को बेहतर बनाती है। सर्किट पूर्वानुमानित. नकारात्मक प्रतिक्रिया जितनी गहरी होगी, एम्पलीफायर की बाहरी विशेषताएं उतनी ही कम खुली प्रतिक्रिया (प्रतिक्रिया के बिना) वाले एम्पलीफायर की विशेषताओं पर निर्भर करती हैं, और अंततः यह पता चलता है कि वे केवल फीडबैक सर्किट के गुणों पर ही निर्भर करते हैं। ऑप-एम्प्स का उपयोग आम तौर पर गहरे फीडबैक मोड में किया जाता है, और इन सर्किटों में ओपन-लूप वोल्टेज लाभ (फीडबैक के बिना) लाखों तक पहुंच जाता है।

फीडबैक सर्किट आवृत्ति-निर्भर हो सकता है, फिर लाभ एक निश्चित तरीके से आवृत्ति पर निर्भर करेगा (एक उदाहरण आरआईएए मानक वाले प्लेयर में ऑडियो प्रीएम्प्लीफायर होगा); यदि फीडबैक सर्किट आयाम-निर्भर है, तो एम्पलीफायर में एक गैर-रेखीय विशेषता होती है (ऐसे सर्किट का एक सामान्य उदाहरण एक लॉगरिदमिक एम्पलीफायर है, जिसमें फीडबैक सर्किट एक डायोड में वर्तमान आईके पर वोल्टेज यूबीई की लॉगरिदमिक निर्भरता का उपयोग करता है या ट्रांजिस्टर). फीडबैक का उपयोग वर्तमान स्रोत (अनंत के करीब आउटपुट प्रतिबाधा) या वोल्टेज स्रोत (शून्य के करीब आउटपुट प्रतिबाधा) बनाने के लिए किया जा सकता है, और इसका उपयोग बहुत अधिक या बहुत कम इनपुट प्रतिबाधा उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। सामान्यतया, जिस पैरामीटर के लिए फीडबैक पेश किया जाता है, उसकी मदद से इसमें सुधार किया जाता है। उदाहरण के लिए, यदि हम फीडबैक के लिए आउटपुट करंट के आनुपातिक सिग्नल का उपयोग करते हैं, तो हमें एक अच्छा करंट स्रोत मिलेगा।

प्रतिक्रिया सकारात्मक हो सकती है; इसका उपयोग, उदाहरण के लिए, जनरेटर में किया जाता है। अजीब बात है, यह नकारात्मक ओएस जितना उपयोगी नहीं है। बल्कि, यह परेशानियों से जुड़ा है, क्योंकि नकारात्मक प्रतिक्रिया वाले सर्किट में, उच्च आवृत्तियों पर काफी बड़े चरण बदलाव हो सकते हैं, जिससे सकारात्मक प्रतिक्रिया और अवांछित आत्म-दोलन की उपस्थिति हो सकती है। इन घटनाओं के घटित होने के लिए बहुत अधिक प्रयास करना आवश्यक नहीं है, बल्कि अवांछित आत्म-दोलनों को रोकने के लिए सुधार विधियों का उपयोग किया जाता है।

परिचालन एम्पलीफायरों

ज्यादातर मामलों में, फीडबैक सर्किट पर विचार करते समय, हम परिचालन एम्पलीफायरों से निपटेंगे। एक ऑपरेशनल एम्पलीफायर (ऑप-एम्प) एक डीसी डिफरेंशियल एम्पलीफायर है जिसमें बहुत अधिक लाभ और सिंगल-एंडेड इनपुट होता है। ऑप-एम्प का प्रोटोटाइप दो इनपुट और एक असंतुलित आउटपुट के साथ एक क्लासिक डिफरेंशियल एम्पलीफायर हो सकता है; हालाँकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि वास्तविक परिचालन एम्पलीफायरों में काफी अधिक लाभ (आमतौर पर 105 - 106 के क्रम पर) और कम आउटपुट प्रतिबाधा होती है, और आउटपुट सिग्नल को आपूर्ति वोल्टेज की पूरी श्रृंखला (आमतौर पर विभाजित बिजली आपूर्ति) पर लगभग भिन्न होने की अनुमति भी देते हैं। ±15 V का उपयोग किया जाता है)।

प्रतीकों "+" और "-" का अर्थ यह नहीं है कि एक इनपुट हमेशा दूसरे की तुलना में अधिक सकारात्मक होना चाहिए; ये प्रतीक केवल आउटपुट सिग्नल के सापेक्ष चरण को इंगित करते हैं (यह महत्वपूर्ण है यदि सर्किट नकारात्मक प्रतिक्रिया का उपयोग करता है)। भ्रम से बचने के लिए, इनपुट को "प्लस" और "माइनस" इनपुट के बजाय "इनवर्टिंग" और "नॉन-इनवर्टिंग" कहना बेहतर है। आरेख अक्सर ऑप-एम्प और ग्राउंडिंग के लिए इच्छित पिन से बिजली आपूर्ति का कनेक्शन नहीं दिखाते हैं। परिचालन एम्पलीफायरों में अत्यधिक वोल्टेज लाभ होता है और इन्हें कभी भी (दुर्लभ अपवादों के साथ) बिना फीडबैक के उपयोग नहीं किया जाता है। हम कह सकते हैं कि ऑपरेशनल एम्पलीफायरों को फीडबैक के साथ काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। फीडबैक के बिना सर्किट का लाभ इतना अधिक होता है कि बंद फीडबैक लूप की उपस्थिति में, एम्पलीफायर की विशेषताएं केवल फीडबैक सर्किट पर निर्भर करती हैं। बेशक, करीब से अध्ययन करने पर यह पता चलेगा कि ऐसा सामान्यीकृत निष्कर्ष हमेशा सच नहीं होता है। हम बस यह देखकर शुरुआत करेंगे कि एक ऑप-एम्प कैसे काम करता है, और फिर आवश्यकतानुसार इसका अधिक विस्तार से अध्ययन करेंगे।

उद्योग वस्तुतः सैकड़ों प्रकार के ऑप एम्प्स का उत्पादन करता है, जिनमें से सभी के एक-दूसरे पर अलग-अलग फायदे हैं। नेशनल सेमीकंडक्टर द्वारा बाजार में पेश किया गया एलएफ411 (या बस "411") जैसा एक बहुत अच्छा सर्किट व्यापक हो गया है। सभी ऑप-एम्प्स की तरह, यह एक छोटी इकाई है जिसे दोहरी-पंक्ति मिनी-डीआईपी पिनआउट के साथ लघु पैकेज में रखा गया है। यह योजना सस्ती और उपयोग में आसान है; उद्योग इस सर्किट (एलएफ411ए) का एक उन्नत संस्करण तैयार करता है, साथ ही एक लघु पैकेज में रखे गए तत्व और जिसमें दो स्वतंत्र परिचालन एम्पलीफायर (एलएफ412 प्रकार सर्किट, जिसे "दोहरी" परिचालन एम्पलीफायर भी कहा जाता है) शामिल है। हम इलेक्ट्रॉनिक सर्किट डिज़ाइन में एक अच्छे शुरुआती बिंदु के रूप में LF411 सर्किट की अनुशंसा करते हैं।

411 प्रकार का सर्किट एक सिलिकॉन डाई है जिसमें 24 ट्रांजिस्टर (21 द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर, 3 क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर, 11 प्रतिरोधक और 1 संधारित्र) होते हैं। चित्र में. चित्र 2 आवास टर्मिनलों से कनेक्शन दिखाता है।

हाउसिंग कवर पर बिंदु और उसके सिरे पर पायदान पिनों को क्रमांकित करते समय संदर्भ बिंदु को इंगित करने का काम करते हैं। अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक सर्किट हाउसिंग में, पिन नंबरिंग हाउसिंग कवर की तरफ से वामावर्त दिशा में की जाती है। "शून्य सेटिंग" (या "संतुलन", "समायोजन") पिन का उपयोग परिचालन एम्पलीफायर में होने वाली छोटी विषमताओं को खत्म करने के लिए किया जाता है।

महत्वपूर्ण नियम

अब हम सबसे महत्वपूर्ण नियमों से परिचित होंगे जो फीडबैक लूप में ऑप-एम्प के व्यवहार को निर्धारित करते हैं। वे जीवन के लगभग सभी मामलों के लिए सत्य हैं।

सबसे पहले, ऑप amp में इतना बड़ा वोल्टेज लाभ होता है कि एक मिलीवोल्ट के कुछ अंशों द्वारा इनपुट के बीच वोल्टेज में बदलाव से आउटपुट वोल्टेज अपनी पूरी रेंज में बदल जाता है, तो आइए इस छोटे वोल्टेज पर विचार न करें, लेकिन नियम I तैयार करें :

I. परिचालन एम्पलीफायर का आउटपुट यह सुनिश्चित करता है कि इसके इनपुट के बीच वोल्टेज अंतर शून्य है।

दूसरा, ऑप amp बहुत कम इनपुट करंट की खपत करता है (LF411 प्रकार का ऑप amp 0.2 nA की खपत करता है; FET इनपुट वाला ऑप amp लगभग पिकोएम्प की खपत करता है); अधिक गहराई में गए बिना, आइए नियम II बनाएं:

द्वितीय. परिचालन एम्पलीफायर इनपुट किसी भी करंट का उपभोग नहीं करता है।

यहां एक स्पष्टीकरण आवश्यक है: नियम I का मतलब यह नहीं है कि ऑप amp वास्तव में अपने इनपुट पर वोल्टेज बदलता है। ऐसा हो ही नहीं सकता। (यह नियम II के साथ असंगत होगा।) ऑप-एम्प इनपुट की स्थिति का "अनुमान" लगाता है और बाहरी फीडबैक सर्किटरी की मदद से वोल्टेज को आउटपुट से इनपुट में स्थानांतरित करता है ताकि इनपुट के बीच परिणामी वोल्टेज अंतर हो शून्य हो जाता है (यदि संभव हो तो)।

वे अक्सर मुझसे एनालॉग इलेक्ट्रॉनिक्स के बारे में सवाल पूछने लगे। क्या सत्र ने छात्रों को महत्व नहीं दिया? ;) ठीक है, अब थोड़ी शैक्षिक गतिविधि का समय आ गया है। विशेष रूप से, परिचालन एम्पलीफायरों के संचालन पर। यह क्या है, इसे किसके साथ खाया जाता है और इसकी गणना कैसे की जाती है।

यह क्या है
एक परिचालन एम्पलीफायर एक एम्पलीफायर है जिसमें दो इनपुट होते हैं, कभी नहीं... हम्म... उच्च सिग्नल लाभ और एक आउटपुट। वे। हमारे पास U आउट = K*U इन है और K आदर्श रूप से अनंत के बराबर है। व्यवहार में, निस्संदेह, संख्याएँ अधिक मामूली हैं। मान लीजिए 1,000,000 लेकिन ऐसी संख्याएं भी आपके दिमाग को चकरा देती हैं जब आप उन्हें सीधे लागू करने का प्रयास करते हैं। इसलिए, किंडरगार्टन की तरह, एक क्रिसमस ट्री, दो, तीन, कई क्रिसमस ट्री - हमारे यहां बहुत अधिक सुदृढीकरण है;) और बस इतना ही।

और दो प्रवेश द्वार हैं. और उनमें से एक प्रत्यक्ष है, और दूसरा उलटा है।

इसके अलावा, इनपुट उच्च-प्रतिबाधा वाले हैं। वे। आदर्श मामले में उनकी इनपुट प्रतिबाधा अनंत है और वास्तविक मामले में बहुत अधिक है। वहां गिनती सैकड़ों मेगाओम या यहां तक ​​कि गीगाओम तक जाती है। वे। यह इनपुट पर वोल्टेज को मापता है, लेकिन उस पर न्यूनतम प्रभाव पड़ता है। और हम मान सकते हैं कि ऑप-एम्प में कोई करंट प्रवाहित नहीं होता है।

इस मामले में आउटपुट वोल्टेज की गणना इस प्रकार की जाती है:

यू आउट =(यू 2 -यू 1)*के

जाहिर है, यदि प्रत्यक्ष इनपुट पर वोल्टेज व्युत्क्रम इनपुट से अधिक है, तो आउटपुट प्लस इनफिनिटी है। अन्यथा यह माइनस इनफिनिटी होगा।

बेशक, एक वास्तविक सर्किट में अनंत प्लस और माइनस नहीं होंगे, और उन्हें एम्पलीफायर के उच्चतम और निम्नतम संभव आपूर्ति वोल्टेज द्वारा प्रतिस्थापित किया जाएगा। और हमें मिलेगा:

तुलनित्र
एक उपकरण जो आपको दो एनालॉग सिग्नलों की तुलना करने और निर्णय लेने की अनुमति देता है - कौन सा सिग्नल बड़ा है। पहले से ही दिलचस्प है. आप इसके लिए बहुत सारे एप्लिकेशन लेकर आ सकते हैं। वैसे, एक ही तुलनित्र अधिकांश माइक्रोकंट्रोलर्स में बनाया गया है, और मैंने निर्माण के बारे में लेखों में एवीआर के उदाहरण का उपयोग करके दिखाया कि इसका उपयोग कैसे किया जाए। तुलनित्र बनाने के लिए भी बढ़िया है.

लेकिन मामला एक तुलनित्र तक सीमित नहीं है, क्योंकि यदि आप फीडबैक पेश करते हैं, तो ऑप-एम्प से बहुत कुछ किया जा सकता है।

प्रतिक्रिया
यदि हम आउटपुट से सिग्नल लेते हैं और इसे सीधे इनपुट पर भेजते हैं, तो फीडबैक उत्पन्न होगा।

सकारात्मक प्रतिक्रिया
आइए सिग्नल को सीधे आउटपुट से सीधे इनपुट में लें और चलाएं।

• वोल्टेज U1 शून्य से अधिक है - आउटपुट -15 वोल्ट
• वोल्टेज U1 शून्य से कम है - आउटपुट +15 वोल्ट है

यदि वोल्टेज शून्य हो तो क्या होगा? सिद्धांत रूप में, आउटपुट शून्य होना चाहिए। लेकिन वास्तव में, वोल्टेज कभी भी शून्य नहीं होगा। आखिरकार, भले ही दाएं का चार्ज एक इलेक्ट्रॉन द्वारा बाएं के चार्ज से अधिक हो, तो यह पहले से ही अनंत लाभ पर आउटपुट की क्षमता को चलाने के लिए पर्याप्त है। और आउटपुट पर सभी नरक शुरू हो जाएंगे - सिग्नल तुलनित्र के इनपुट पर प्रेरित यादृच्छिक गड़बड़ी की गति से यहां और वहां कूदता है।

इस समस्या को हल करने के लिए, हिस्टैरिसीस की शुरुआत की गई है। वे। एक अवस्था से दूसरी अवस्था में जाने के बीच एक प्रकार का अंतराल। ऐसा करने के लिए, सकारात्मक प्रतिक्रिया प्रस्तुत की जाती है, जैसे:

हम मानते हैं कि इस समय व्युत्क्रम इनपुट पर +10 वोल्ट है। ऑप-एम्प से आउटपुट माइनस 15 वोल्ट है। प्रत्यक्ष इनपुट पर यह अब शून्य नहीं है, बल्कि विभक्त से आउटपुट वोल्टेज का एक छोटा सा हिस्सा है। लगभग -1.4 वोल्ट अब, जब तक व्युत्क्रम इनपुट पर वोल्टेज -1.4 वोल्ट से नीचे नहीं चला जाता, ऑप-एम्प आउटपुट अपना वोल्टेज नहीं बदलेगा। और जैसे ही वोल्टेज -1.4 से नीचे गिरता है, ऑप-एम्प का आउटपुट तेजी से +15 तक पहुंच जाएगा और प्रत्यक्ष इनपुट पर पहले से ही +1.4 वोल्ट का पूर्वाग्रह होगा।

और तुलनित्र के आउटपुट पर वोल्टेज को बदलने के लिए, U1 सिग्नल को +1.4 के ऊपरी स्तर तक पहुंचने के लिए 2.8 वोल्ट तक बढ़ाने की आवश्यकता होगी।

जहां संवेदनशीलता नहीं होती, वहां 1.4 और -1.4 वोल्ट के बीच एक प्रकार का गैप दिखाई देता है। अंतराल की चौड़ाई R1 और R2 में प्रतिरोधों के अनुपात द्वारा नियंत्रित की जाती है। थ्रेशोल्ड वोल्टेज की गणना Uout/(R1+R2) * R1 के रूप में की जाती है मान लीजिए कि 1 से 100 +/- 0.14 वोल्ट देगा।

लेकिन फिर भी, ऑप-एम्प्स का उपयोग अक्सर नकारात्मक फीडबैक मोड में किया जाता है।

नकारात्मक प्रतिपुष्टि
ठीक है, आइए इसे दूसरे तरीके से कहें:

नकारात्मक प्रतिक्रिया के मामले में, ऑप-एम्प में एक दिलचस्प संपत्ति है। यह हमेशा अपने आउटपुट वोल्टेज को समायोजित करने का प्रयास करेगा ताकि इनपुट पर वोल्टेज बराबर हो, जिसके परिणामस्वरूप शून्य अंतर होगा।
जब तक मैंने इसे कॉमरेड होरोविट्ज़ और हिल की महान पुस्तक में नहीं पढ़ा, मैं ओयू के काम में शामिल नहीं हो सका। लेकिन यह सरल निकला.

अपराधी
और हमें एक पुनरावर्तक मिला. वे। इनपुट यू 1 पर, व्युत्क्रम इनपुट पर यू आउट = यू 1। खैर, यह पता चला कि यू आउट = यू 1।

प्रश्न यह है कि हमें ऐसी ख़ुशी की आवश्यकता क्यों है? तार को सीधे कनेक्ट करना संभव था और किसी ऑप-एम्प की आवश्यकता नहीं होगी!

यह संभव है, लेकिन हमेशा नहीं. आइए इस स्थिति की कल्पना करें: एक प्रतिरोधक विभक्त के रूप में बना एक सेंसर है:

कम प्रतिरोध इसके मूल्य को बदलता है, विभाजक से आउटपुट वोल्टेज का वितरण बदलता है। और हमें वोल्टमीटर से इसकी रीडिंग लेनी होगी। लेकिन वोल्टमीटर का अपना आंतरिक प्रतिरोध होता है, भले ही बड़ा हो, लेकिन यह सेंसर से रीडिंग बदल देगा। इसके अलावा, क्या होगा यदि हमें वोल्टमीटर नहीं चाहिए, लेकिन प्रकाश बल्ब की चमक बदलनी चाहिए? अब यहाँ प्रकाश बल्ब को जोड़ने का कोई तरीका नहीं है! इसलिए, हम आउटपुट को एक ऑपरेशनल एम्पलीफायर के साथ बफर करते हैं। इसका इनपुट प्रतिरोध बहुत बड़ा है और इसका प्रभाव न्यूनतम होगा, और आउटपुट काफी ध्यान देने योग्य करंट (दसियों मिलीमीटर या सैकड़ों) प्रदान कर सकता है, जो प्रकाश बल्ब को संचालित करने के लिए काफी है।
सामान्य तौर पर, आप पुनरावर्तक के लिए एप्लिकेशन पा सकते हैं। विशेषकर सटीक एनालॉग सर्किट में। या जहां एक चरण की सर्किटरी उन्हें अलग करने के लिए दूसरे चरण के संचालन को प्रभावित कर सकती है।

एम्पलीफायर
आइए अब अपने कानों से एक हरकत करें - हमारा फीडबैक लें और इसे एक वोल्टेज डिवाइडर के माध्यम से जमीन से जोड़ दें:

अब आउटपुट वोल्टेज का आधा हिस्सा व्युत्क्रम इनपुट को आपूर्ति किया जाता है। लेकिन एम्पलीफायर को अभी भी अपने इनपुट पर वोल्टेज को बराबर करने की आवश्यकता है। उसे क्या करना होगा? यह सही है - परिणामी विभाजक की क्षतिपूर्ति के लिए अपने आउटपुट पर वोल्टेज को पहले की तुलना में दोगुना बढ़ाएं।

अब सीधी रेखा पर U 1 होगा. व्युत्क्रम पर यू आउट /2 = यू 1 या यू आउट = 2*यू 1।

यदि हम भिन्न अनुपात वाला भाजक लगाएं तो स्थिति उसी प्रकार बदल जाएगी। ताकि आपको वोल्टेज डिवाइडर फॉर्मूला को अपने दिमाग में न घुमाना पड़े, मैं इसे तुरंत दे दूंगा:

यू आउट = यू 1 *(1+आर 1 /आर 2)

यह याद रखना स्मरणीय है कि किस चीज़ को किस चीज़ में विभाजित किया गया है यह बहुत सरल है:

यह पता चला है कि इनपुट सिग्नल यू आउट में प्रतिरोधक आर 2, आर 1 की एक श्रृंखला से होकर गुजरता है। इस स्थिति में, एम्पलीफायर का प्रत्यक्ष इनपुट शून्य पर सेट है। आइए हम ऑप-एम्प की आदतों को याद रखें - यह हुक या क्रूक द्वारा, यह सुनिश्चित करने का प्रयास करेगा कि इसके व्युत्क्रम इनपुट पर प्रत्यक्ष इनपुट के बराबर वोल्टेज उत्पन्न हो। वे। शून्य। ऐसा करने का एकमात्र तरीका आउटपुट वोल्टेज को शून्य से कम करना है ताकि बिंदु 1 पर शून्य दिखाई दे।

इसलिए। आइए कल्पना करें कि यू आउट = 0। यह अभी भी शून्य है. और इनपुट वोल्टेज, उदाहरण के लिए, यू आउट के सापेक्ष 10 वोल्ट है। R 1 और R 2 का विभाजक इसे आधे में विभाजित करेगा। इस प्रकार, बिंदु 1 पर पाँच वोल्ट हैं।

पांच वोल्ट शून्य नहीं है और ऑप एम्प अपने आउटपुट को तब तक कम करता है जब तक कि बिंदु 1 शून्य न हो जाए। ऐसा करने के लिए, आउटपुट (-10) वोल्ट होना चाहिए। इस मामले में, इनपुट के सापेक्ष, अंतर 20 वोल्ट होगा, और विभाजक हमें बिंदु 1 पर बिल्कुल 0 प्रदान करेगा। हमारे पास एक इन्वर्टर है।

लेकिन हम अन्य प्रतिरोधक भी चुन सकते हैं ताकि हमारा विभाजक विभिन्न गुणांक उत्पन्न करे!
सामान्य तौर पर, ऐसे एम्पलीफायर के लिए लाभ सूत्र इस प्रकार होगा:

यू आउट = - यू इन * आर 1 / आर 2

खैर, xy से xy को शीघ्रता से याद करने के लिए एक स्मरणीय चित्र।

मान लीजिए कि यू 2 और यू 1 प्रत्येक 10 वोल्ट हैं। फिर दूसरे बिंदु पर 5 वोल्ट होंगे। और आउटपुट ऐसा बनना होगा कि पहले बिंदु पर भी 5 वोल्ट हो। यानी शून्य. तो यह पता चला कि 10 वोल्ट शून्य से 10 वोल्ट शून्य के बराबर है। यह सही है :)

यदि U 1 20 वोल्ट हो जाता है, तो आउटपुट -10 वोल्ट तक गिरना होगा।
गणित स्वयं करें - यू 1 और यू आउट के बीच का अंतर 30 वोल्ट होगा। रोकनेवाला R4 के माध्यम से धारा (U 1 -U आउट)/(R 3 +R 4) = 30/20000 = 0.0015A होगी, और रोकनेवाला R 4 पर वोल्टेज ड्रॉप R 4 *I 4 = 10000 * 0.0015 = होगा 15 वोल्ट. 20 इनपुट ड्रॉप से ​​15 वोल्ट ड्रॉप घटाएं और 5 वोल्ट प्राप्त करें।

इस प्रकार, हमारे ऑप-एम्प ने 10 में से 20 घटाकर एक अंकगणितीय समस्या हल की, जिसके परिणामस्वरूप -10 वोल्ट प्राप्त हुआ।

इसके अलावा, समस्या में प्रतिरोधों द्वारा निर्धारित गुणांक शामिल हैं। यह सिर्फ इतना है कि, सरलता के लिए, मैंने समान मूल्य के प्रतिरोधकों को चुना है और इसलिए सभी गुणांक एक के बराबर हैं। लेकिन वास्तव में, यदि हम मनमाना प्रतिरोधक लेते हैं, तो इनपुट पर आउटपुट की निर्भरता इस प्रकार होगी:

यू आउट = यू 2 *के 2 - यू 1 *के 1

के 2 = ((आर 3 +आर 4) * आर 6) / (आर 6 +आर 5)*आर 4
के 1 = आर 3 / आर 4

गुणांकों की गणना के लिए सूत्र को याद रखने की स्मरणीय तकनीक इस प्रकार है:
योजना के अनुसार ही सही. अंश का अंश शीर्ष पर है, इसलिए हम वर्तमान प्रवाह सर्किट में ऊपरी प्रतिरोधकों को जोड़ते हैं और निचले प्रतिरोधक से गुणा करते हैं। हर नीचे है, इसलिए हम निचले प्रतिरोधकों को जोड़ते हैं और ऊपरी प्रतिरोधक से गुणा करते हैं।

यहां सब कुछ सरल है. क्योंकि बिंदु 1 को लगातार घटाकर 0 कर दिया जाता है, तो हम मान सकते हैं कि इसमें बहने वाली धाराएँ हमेशा यू/आर के बराबर होती हैं, और नोड संख्या 1 में प्रवेश करने वाली धाराओं का योग होता है। इनपुट रेसिस्टर और फीडबैक रेसिस्टर का अनुपात आने वाले करंट का वजन निर्धारित करता है।

आप जितनी चाहें उतनी शाखाएँ हो सकती हैं, लेकिन मैंने केवल दो ही खींची हैं।

यू आउट = -1(आर 3 *यू 1 /आर 1 + आर 3 *यू 2 /आर 2)

इनपुट पर प्रतिरोधक (आर 1, आर 2) करंट की मात्रा और इसलिए आने वाले सिग्नल का कुल वजन निर्धारित करते हैं। यदि आप मेरे जैसे सभी प्रतिरोधों को समान बनाते हैं, तो वजन समान होगा, और प्रत्येक पद का गुणन कारक 1 के बराबर होगा। और यू आउट = -1(यू 1 +यू 2)

नॉन-इनवर्टिंग योजक
यहां सब कुछ थोड़ा अधिक जटिल है, लेकिन यह समान है।

उआउट = यू 1 *के 1 + यू 2 *के 2

के 1 = आर 5 / आर 1
के 2 = आर 5 / आर 2

इसके अलावा, फीडबैक में प्रतिरोधक ऐसे होने चाहिए कि समीकरण R 3 / R 4 = K 1 + K 2 मनाया जाए

सामान्य तौर पर, आप परिचालन एम्पलीफायरों का उपयोग करके कोई भी गणित कर सकते हैं, जोड़ सकते हैं, गुणा कर सकते हैं, विभाजित कर सकते हैं, डेरिवेटिव और इंटीग्रल की गणना कर सकते हैं। और लगभग तुरंत ही. एनालॉग कंप्यूटर op-amps का उपयोग करके बनाए जाते हैं। मैंने इनमें से एक को एसयूएसयू की पांचवीं मंजिल पर भी देखा - आधे कमरे के आकार का एक मूर्ख। कई धातु अलमारियाँ। प्रोग्राम को विभिन्न ब्लॉकों को तारों से जोड़कर टाइप किया जाता है :)

इनवर्टिंग एम्पलीफायर सबसे सरल और सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले एनालॉग सर्किट में से एक है। केवल दो प्रतिरोधों के साथ, हम वह लाभ निर्धारित कर सकते हैं जिसकी हमें आवश्यकता है। कुछ भी हमें गुणांक को 1 से कम करने से नहीं रोकता है, जिससे इनपुट सिग्नल कमजोर हो जाता है।

अक्सर सर्किट में एक और R3 जोड़ा जाता है, जिसका प्रतिरोध R1 और R2 के योग के बराबर होता है।

यह समझने के लिए कि एक इनवर्टिंग एम्पलीफायर कैसे काम करता है, आइए एक सरल सर्किट का अनुकरण करें। हमारे पास इनपुट पर 4V का वोल्टेज है, प्रतिरोधों का प्रतिरोध R1=1k और R2=2k है। बेशक, यह सब सूत्र में प्रतिस्थापित करना और तुरंत परिणाम की गणना करना संभव होगा, लेकिन आइए देखें कि यह योजना वास्तव में कैसे काम करती है।

आइए ऑप-एम्प के बुनियादी संचालन सिद्धांतों की याद दिलाकर शुरुआत करें:

नियम संख्या 1 - परिचालन एम्पलीफायर OOS (नकारात्मक फीडबैक) के माध्यम से इनपुट पर अपने आउटपुट को प्रभावित करता है, जिसके परिणामस्वरूप दोनों इनपुट, इनवर्टिंग (-) और नॉन-इनवर्टिंग (+) दोनों पर वोल्टेज बराबर हो जाता है।

कृपया ध्यान दें कि नॉन-इनवर्टिंग इनपुट (+) जमीन से जुड़ा है, यानी इसका वोल्टेज 0V है। नियम क्रमांक 1 के अनुसार इनवर्टिंग इनपुट (-) भी 0V होना चाहिए।

तो, हम प्रतिरोधक R1 के टर्मिनलों पर वोल्टेज जानते हैं और इसका प्रतिरोध 1k है। इस प्रकार, इसकी मदद से हम गणना कर सकते हैं और गणना कर सकते हैं कि रोकनेवाला R1 के माध्यम से कितना प्रवाह प्रवाहित होता है:

IR1 = UR1/R1 = (4V-0V)/1k = 4mA.

नियम संख्या 2 - एम्पलीफायर इनपुट करंट की खपत नहीं करते हैं

इस प्रकार, R1 के माध्यम से प्रवाहित होने वाली धारा R2 के माध्यम से प्रवाहित होती रहती है!

आइए फिर से ओम के नियम का उपयोग करें और गणना करें कि प्रतिरोधक R2 पर कौन सा वोल्टेज ड्रॉप होता है। हम इसका प्रतिरोध जानते हैं और हम जानते हैं कि इसमें से कौन सी धारा प्रवाहित हो रही है, इसलिए:

UR2 = IR2R2 = 4mA *2k = 8V.

यह पता चला है कि हमारे पास आउटपुट पर 8V है? निश्चित रूप से उस तरह से नहीं. मैं आपको याद दिला दूं कि यह एक इनवर्टिंग एम्पलीफायर है, यानी, अगर हम इनपुट पर सकारात्मक वोल्टेज लागू करते हैं और आउटपुट पर नकारात्मक वोल्टेज हटाते हैं। ये कैसे होता है?

यह इस तथ्य के कारण है कि फीडबैक इनवर्टिंग इनपुट (-) पर स्थापित है, और इनपुट पर वोल्टेज को बराबर करने के लिए, एम्पलीफायर आउटपुट पर क्षमता को कम कर देता है। प्रतिरोधों के कनेक्शन को सरल माना जा सकता है, इसलिए, उनके कनेक्शन के बिंदु पर क्षमता शून्य के बराबर होने के लिए, आउटपुट माइनस 8 वोल्ट होना चाहिए: यूआउट। = -(आर2/आर1)*उइन.

नियम 3 से जुड़ी एक और उलझन है:

नियम संख्या 3 - इनपुट और आउटपुट पर वोल्टेज ऑप-एम्प के सकारात्मक और नकारात्मक आपूर्ति वोल्टेज के बीच की सीमा में होना चाहिए।

यही है, हमें यह जांचने की ज़रूरत है कि हमारे द्वारा गणना की गई वोल्टेज वास्तव में एम्पलीफायर के माध्यम से प्राप्त की जा सकती है। शुरुआती लोग अक्सर सोचते हैं कि एक एम्पलीफायर मुक्त ऊर्जा के स्रोत के रूप में काम करता है और शून्य से वोल्टेज उत्पन्न करता है। लेकिन हमें याद रखना चाहिए कि एम्पलीफायर को भी संचालित करने के लिए बिजली की आवश्यकता होती है।
क्लासिक एम्पलीफायर -15V और +15V के वोल्टेज पर काम करते हैं। ऐसी स्थिति में, हमारा -8V, जिसकी हमने गणना की, वास्तविक वोल्टेज है, क्योंकि यह इस सीमा में है।

हालाँकि, आधुनिक एम्पलीफायर अक्सर 5V या उससे कम पर काम करते हैं। ऐसे में इसकी कोई संभावना नहीं है कि एम्पलीफायर हमें माइनस 8V आउटपुट देगा। इसलिए, सर्किट डिजाइन करते समय, हमेशा याद रखें कि सैद्धांतिक गणनाओं को हमेशा वास्तविकता और भौतिक क्षमताओं द्वारा समर्थित होने की आवश्यकता होती है।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि इनवर्टिंग एम्पलीफायर में एक खामी है। हम पहले से ही जानते हैं कि सिग्नल स्रोत को क्या लोड नहीं करता है, क्योंकि एम्पलीफायर इनपुट में बहुत अधिक प्रतिरोध होता है, और इतनी कम वर्तमान खपत करता है कि ज्यादातर मामलों में इसे अनदेखा किया जा सकता है (नियम # 2)।

इनवर्टिंग एम्पलीफायर का इनपुट प्रतिरोध प्रतिरोधक R1 के प्रतिरोध के बराबर होता है, व्यवहार में यह 1k...1M तक होता है। तुलना के लिए, क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर इनपुट वाले एक एम्पलीफायर में सैकड़ों मेगाओम और यहां तक ​​कि गीगाओम के क्रम का प्रतिरोध होता है! इसलिए, कभी-कभी एम्पलीफायर के सामने वोल्टेज फॉलोअर स्थापित करने की सलाह दी जा सकती है।

इलेक्ट्रॉनिक्स पाठ्यक्रम में कई महत्वपूर्ण विषय होते हैं। आज हम ऑपरेशनल एम्प्लीफायर्स को समझने का प्रयास करेंगे।
प्रारंभ करें। एक ऑपरेशनल एम्पलीफायर एक "चीज़" है जो आपको हर संभव तरीके से एनालॉग सिग्नल के साथ काम करने की अनुमति देता है। सबसे सरल और सबसे बुनियादी हैं प्रवर्धन, क्षीणन, जोड़, घटाव और कई अन्य (उदाहरण के लिए, विभेदन या लघुगणक)। परिचालन एम्पलीफायरों (बाद में ऑप-एम्प्स के रूप में संदर्भित) पर अधिकांश संचालन सकारात्मक और नकारात्मक प्रतिक्रिया का उपयोग करके किए जाते हैं।
इस लेख में हम एक निश्चित "आदर्श" ऑप-एम्प पर विचार करेंगे, क्योंकि किसी विशिष्ट मॉडल पर स्विच करने का कोई मतलब नहीं है। आदर्श से तात्पर्य यह है कि इनपुट प्रतिरोध अनंत तक जाएगा (इसलिए, इनपुट करंट शून्य हो जाएगा), और आउटपुट प्रतिरोध, इसके विपरीत, शून्य हो जाएगा (इसका मतलब है कि लोड को आउटपुट वोल्टेज को प्रभावित नहीं करना चाहिए) ). साथ ही, किसी भी आदर्श ऑप-एम्प को किसी भी आवृत्ति के संकेतों को बढ़ाना चाहिए। खैर, और सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि फीडबैक के अभाव में लाभ भी अनंत होना चाहिए।

असल बात पर आओ

एक परिचालन एम्पलीफायर को अक्सर आरेखों में एक समबाहु त्रिभुज द्वारा दर्शाया जाता है। बाईं ओर इनपुट हैं, जिन पर "-" और "+" अंकित हैं, दाईं ओर आउटपुट है। वोल्टेज को किसी भी इनपुट पर लागू किया जा सकता है, जिनमें से एक वोल्टेज की ध्रुवता को बदलता है (इसीलिए इसे इनवर्टिंग कहा जाता है), दूसरा नहीं करता है (यह मान लेना तर्कसंगत है कि इसे नॉन-इनवर्टिंग कहा जाता है)। ऑप-एम्प बिजली आपूर्ति अक्सर द्विध्रुवी होती है। आमतौर पर, सकारात्मक और नकारात्मक आपूर्ति वोल्टेज का मान समान होता है (लेकिन अलग-अलग संकेत!)।
सरलतम स्थिति में, आप वोल्टेज स्रोतों को सीधे ऑप-एम्प इनपुट से जोड़ सकते हैं। और फिर आउटपुट वोल्टेज की गणना सूत्र के अनुसार की जाएगी:
, जहां नॉन-इनवर्टिंग इनपुट पर वोल्टेज है, इनवर्टिंग इनपुट पर वोल्टेज है, आउटपुट वोल्टेज है, और ओपन-लूप गेन है।
आइए प्रोटियस दृष्टिकोण से आदर्श ऑप-एम्प को देखें।


मेरा सुझाव है कि आप उसके साथ "खेलें"। नॉन-इनवर्टिंग इनपुट पर 1V का वोल्टेज लगाया गया था। 3V को उलटने के लिए. हम एक "आदर्श" ऑप-एम्प का उपयोग करते हैं। तो, हमें मिलता है: . लेकिन यहां हमारे पास एक सीमक है, क्योंकि हम अपनी आपूर्ति वोल्टेज से ऊपर सिग्नल को बढ़ाने में सक्षम नहीं होंगे। इस प्रकार, हमें आउटपुट पर अभी भी -15V मिलेगा। परिणाम:


आइए लाभ को बदलें (ताकि आप मुझ पर विश्वास करें)। मान लीजिए कि वोल्टेज लाभ पैरामीटर दो के बराबर हो गया है। वही समस्या स्पष्ट रूप से हल हो गई है।

इनवर्टिंग और नॉन-इनवर्टिंग एम्पलीफायरों के उदाहरण का उपयोग करके ऑप-एम्प्स का वास्तविक जीवन में अनुप्रयोग

इनमें से दो हैं मुख्यनियम:
मैं। ऑप एम्प आउटपुट के कारण अंतर वोल्टेज (इनवर्टिंग और नॉन-इनवर्टिंग इनपुट पर वोल्टेज के बीच का अंतर) शून्य हो जाता है।
द्वितीय. ऑप एम्प इनपुट किसी भी करंट की खपत नहीं करता है।
पहला नियम फीडबैक के माध्यम से लागू किया गया है। वे। वोल्टेज को आउटपुट से इनपुट में इस प्रकार स्थानांतरित किया जाता है कि संभावित अंतर शून्य हो जाता है।
ये, इसलिए बोलने के लिए, ओयू विषय में "पवित्र सिद्धांत" हैं।
और अब, अधिक विशेष रूप से। उलटा प्रवर्धकबिल्कुल इस तरह दिखता है (इनपुट कैसे स्थित हैं इस पर ध्यान दें):


पहले "कैनन" के आधार पर हम अनुपात प्राप्त करते हैं:
, और सूत्र के साथ "थोड़ा जादू करने" के बाद, हम इनवर्टिंग ऑप-एम्प के लाभ के लिए मूल्य प्राप्त करते हैं:

उपरोक्त स्क्रीनशॉट को किसी टिप्पणी की आवश्यकता नहीं है। बस सब कुछ प्लग इन करें और इसे स्वयं जांचें।

अगला पड़ाव - उल्टा नहीं करने वालाप्रवर्धक.
यहां भी सब कुछ सरल है. वोल्टेज सीधे गैर-इनवर्टिंग इनपुट पर लागू होता है। फीडबैक को इनवर्टिंग इनपुट पर आपूर्ति की जाती है। इनवर्टिंग इनपुट पर वोल्टेज होगा:
, लेकिन पहले नियम को लागू करके हम ऐसा कह सकते हैं

और फिर, उच्च गणित के क्षेत्र में "भव्य" ज्ञान हमें सूत्र पर आगे बढ़ने की अनुमति देता है:
मैं आपको एक व्यापक स्क्रीनशॉट दूंगा जिसे आप चाहें तो दोबारा जांच सकते हैं:

अंत में, मैं आपको कुछ दिलचस्प सर्किट दूंगा ताकि आपको यह आभास न हो कि परिचालन एम्पलीफायर केवल वोल्टेज बढ़ा सकते हैं।

वोल्टेज अनुयायी (बफर एम्पलीफायर)।संचालन सिद्धांत ट्रांजिस्टर पुनरावर्तक के समान है। भारी भार सर्किट में उपयोग किया जाता है। इसके अलावा, यदि सर्किट में अवांछित वोल्टेज डिवाइडर हैं तो इसका उपयोग प्रतिबाधा मिलान की समस्या को हल करने के लिए किया जा सकता है। यह योजना प्रतिभा की हद तक सरल है:

सारांश प्रवर्धक.यदि आपको कई सिग्नल जोड़ने (घटाने) की आवश्यकता हो तो इसका उपयोग किया जा सकता है। स्पष्टता के लिए, यहां एक आरेख है (फिर से, इनपुट के स्थान पर ध्यान दें):


साथ ही, इस तथ्य पर भी ध्यान दें कि R1 = R2 = R3 = R4, और R5 = R6. इस मामले में गणना सूत्र होगा: (परिचित, है ना?)
इस प्रकार, हम देखते हैं कि गैर-इनवर्टिंग इनपुट को आपूर्ति किए जाने वाले वोल्टेज मान एक प्लस चिह्न "प्राप्त" करते हैं। उलटे एक पर - शून्य।

निष्कर्ष

ऑपरेशनल एम्पलीफायर सर्किट बेहद विविध हैं। अधिक जटिल मामलों में, आपको सक्रिय फ़िल्टर सर्किट, एडीसी और स्टोरेज सैंपलिंग डिवाइस, पावर एम्पलीफायर, करंट-टू-वोल्टेज कनवर्टर और कई अन्य सर्किट मिल सकते हैं।

स्रोतों की सूची

स्रोतों की एक छोटी सूची जो आपको सामान्य रूप से ऑप-एम्प्स और इलेक्ट्रॉनिक्स दोनों के लिए जल्दी से अभ्यस्त होने में मदद करेगी:
विकिपीडिया
पी. होरोविट्ज़, डब्ल्यू. हिल। "सर्किट डिज़ाइन की कला"
बी बेकर. "एक डिजिटल डेवलपर को एनालॉग इलेक्ट्रॉनिक्स के बारे में क्या जानना आवश्यक है"
इलेक्ट्रॉनिक्स पर व्याख्यान नोट्स (अधिमानतः आपका अपना)
युपीडी:धन्यवाद उफौनिमंत्रण के लिए

) हम OP97 और AD620 के साथ काम करेंगे। आइए पहले AD620 को देखें। इसके लिए डेटाशीट में इसे इस प्रकार दर्शाया गया है:

चित्र.2बी

AD620 एक इंस्ट्रुमेंटेशन ऑप amp है। इंस्ट्रुमेंटल शब्द पारंपरिक ऑप-एम्प की तुलना में इसकी बेहतर विशेषताओं को इंगित करता है। प्रवर्धित सिग्नल +IN और –IN इनपुट को आपूर्ति किया जाता है। इस एम्पलीफायर का लाभ आरजी इनपुट से जुड़े एक अवरोधक का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है (क्रमशः उनमें से दो हैं - नंबर 1 और नंबर 8)। कौन सा अवरोधक किस लाभ कारक से मेल खाता है - डेटाशीट में देखें। AD620 ऑप-एम्प की बिजली आपूर्ति द्विध्रुवी है। इसका मतलब है कि इसमें बिजली आपूर्ति के लिए पिन हैं, जिन्हें +Vs और –Vs नामित किया गया है। और अब यदि हम उनसे कनेक्ट करते हैं, उदाहरण के लिए, एक 5V बैटरी (बैटरी के माइनस को -Vs से और प्लस को क्रमशः +Vs से कनेक्ट करने की आवश्यकता है), और हम सिग्नल इनपुट पर एक संभावित अंतर लागू करते हैं + IN और, क्रमशः, -IN, जिसे प्रवर्धित करने की आवश्यकता है, फिर हम इस डिवाइस से आउटपुट पिन और बिंदु से कनेक्ट करके K गुना प्रवर्धित सिग्नल को हटा सकते हैं (जहां K Rg द्वारा निर्दिष्ट लाभ है - ऊपर देखें) 2.5V की क्षमता वाले सर्किट में असेंबल किए जा रहे हैं अपेक्षाकृतमाइनस बैटरी. बैटरी के माइनस के सापेक्ष 2.5V विभव वाले बिंदु को शून्य बिंदु कहा जाता है। यह वही शून्य है जिसके विरुद्ध एम्पलीफायर के आउटपुट पिन पर क्षमता (प्रवर्धित सिग्नल) को मापा जाता है। यह बिंदु चित्र 3बी जैसे सामान्य प्रतिरोधक विभाजक का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है।

चित्र 3बी

इस प्रकार, इस ऑप-एम्प के लिए सबसे सरल कनेक्शन आरेख इस तरह दिखता है:

तो प्लस बैटरी शून्य बिंदु के सापेक्षइसकी क्षमता +2.5V है, और शून्य बिंदु के सापेक्ष बैटरी के माइनस की क्षमता -2.5V है (चित्र 3बी देखें)। यानी, शून्य बिंदु क्षमता बैटरी के प्लस और माइनस के ठीक बीच में है। इसलिए इस बिजली आपूर्ति विधि का नाम - द्विध्रुवी बिजली आपूर्ति (चूंकि यह पता चला है कि हमने एम्पलीफायर के -Vs आउटपुट के लिए शून्य बिंदु के सापेक्ष शून्य से 2.5V लागू किया है, और +Vs के लिए शून्य बिंदु के सापेक्ष प्लस 2.5V लागू किया है) .
यह भी ध्यान दिया जाना चाहिए कि सर्किट के शून्य के सापेक्ष एम्पलीफायर के +IN और -IN इनपुट को आपूर्ति की जाने वाली क्षमता का मूल्य शक्ति स्रोत की क्षमता के समान सीमा के भीतर होना चाहिए। अर्थात्, यदि हमने क्रमशः -2.5V और +2.5V को -Vs और +Vs पर लागू किया है, तो -IN और +IN पर हम आपूर्ति नहीं कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, क्रमशः 230V और 230.1V। इस उदाहरण में, संभावित अंतर 230.1-230 = 0.1V, हालांकि छोटा है, बढ़ाया नहीं जाएगा। डेटाशीट का उपयोग करते हुए, संबंधित ऑप-एम्प के इनपुट पर संभावित क्षमता की स्वीकार्य सीमा का पता लगाना आवश्यक है। उदाहरण के लिए, AD620 के लिए, इसके इनपुट वोल्टेज रेंज डेटाशीट के अनुसार, जब बिजली -2.5V और 2.5V पर -Vs और +Vs पर आपूर्ति की जाती है, तो -IN या +IN पर शून्य के सापेक्ष वोल्टेज इससे अधिक नहीं होना चाहिए Vs–1.2V = 2.5–1.2 = 1.3V और इससे कम नहीं –Vs+1.9V = –2.5+1.9 = –0.6V. इसका मतलब यह है कि यदि, उदाहरण के लिए, आप क्रमशः -IN और +IN पर 0.2V और 0.3V लागू करते हैं, तो अब -IN और +IN के बीच समान 0.1V द्वारा संभावित अंतर पहले से ही बढ़ाया जा सकता है। इलेक्ट्रोकार्डियोग्राफ़ सर्किट में (चित्र 5 देखें), मानव शरीर से एम्पलीफायर के इनपुट को आपूर्ति की जाने वाली क्षमता शक्ति स्रोत की क्षमता के समान सीमा के भीतर होने के लिए, शक्ति स्रोत का शून्य बिंदु जुड़ा हुआ है रोगी के दाहिने पैर में तथाकथित संदर्भ इलेक्ट्रोड का उपयोग करना (इस कनेक्शन को "राइट लेग ड्राइवर" भी कहा जाता है)। परिणामस्वरूप, मानव शरीर पर क्षमता एम्पलीफायर के शक्ति स्रोत के शून्य बिंदु के भीतर उतार-चढ़ाव होगी, और इसलिए Vs-1.2V, -Vs+1.9V की सीमा के भीतर आ जाएगी।
निम्नलिखित महत्वपूर्ण विशेषता भी है. एम्पलीफायर के आउटपुट वोल्टेज को आउटपुट और सर्किट के तटस्थ तार के सापेक्ष मापा जाना चाहिए, हालांकि, व्यवहार में, कभी-कभी कुछ ऑप-एम्प एक या किसी अन्य स्थिर मान द्वारा आउटपुट सिग्नल में अपनी शिफ्ट जोड़ते हैं। इसलिए, ऐसे ऑप-एम्प्स में, इस स्थिर मान को हटाने के लिए और अंततः यह सुनिश्चित करने के लिए कि सर्किट के तटस्थ तार के सापेक्ष माप सही हैं, एक आरईएफ आउटपुट (तथाकथित संदर्भ इनपुट) आमतौर पर प्रदान किया जाता है जिसमें शून्य क्षमता होती है सर्किट का लागू होना चाहिए. इसके अलावा, न्यूनतम आउटपुट प्रतिरोध वाले स्रोत से आरईएफ पिन पर शून्य क्षमता लागू करना आवश्यक है, अन्यथा आरईएफ पर शून्य क्षमता लागू करने से वांछित प्रभाव प्राप्त नहीं होगा। इस प्रकार, शून्य क्षमता आमतौर पर तथाकथित पुनरावर्तक सर्किट के अनुसार जुड़े एक ऑप-एम्प के माध्यम से आरईएफ इनपुट को आपूर्ति की जाती है, जैसा कि ज्ञात है, इसका आउटपुट प्रतिरोध शून्य के करीब है, और इसके विपरीत, इनपुट प्रतिरोध की प्रवृत्ति होती है बहुत बड़े मूल्य पर. पुनरावर्तक के इनपुट पर एक शून्य क्षमता लागू की जाती है, जिसका लाभ एकता के बराबर होता है; शून्य क्षमता को पुनरावर्तक के आउटपुट से हटा दिया जाता है और आरईएफ पर लागू किया जाता है। पुनरावर्तक सर्किट के अनुसार जुड़ा ऑप-एम्प इस तरह दिखता है:

चित्र.5बी

फिर REF के साथ एम्पलीफायर का कनेक्शन सर्किट इस तरह दिखेगा:

चित्र.6बी

हमारे इलेक्ट्रोकार्डियोग्राफ सर्किट में, AD620 एम्पलीफायरों के लिए संदर्भ वोल्टेज उत्पन्न करने वाला पुनरावर्तक OP97 के आधार पर बनाया गया है (चित्र 8 देखें) - यहां OP97 के सकारात्मक इनपुट पर एक शून्य क्षमता लागू की जाती है, और OP97 के आउटपुट से इस उद्देश्य के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए AD620 एम्पलीफायरों के आरईएफ पिनों को संदर्भ शून्य क्षमता प्रदान की जाती है। OP97 भी द्विध्रुवीय है।
द्विध्रुवी बिजली आपूर्ति के साथ ऑप-एम्प के अलावा, तथाकथित एकध्रुवीय भी हैं, उदाहरण के लिए, टीएलसी272। ऐसे एम्पलीफायरों के लिए, आउटपुट वोल्टेज को शून्य बिंदु के सापेक्ष नहीं, बल्कि बैटरी के माइनस के सापेक्ष मापा जाता है, और तदनुसार, ऐसे ऑप-एम्प को पावर देने के लिए टर्मिनलों को GND (यहां बैटरी माइनस) और VDD ( यहाँ प्लस)।
ख़ैर, शायद बस इतना ही। यह जानकारी यह समझने के लिए पर्याप्त है कि हमारे इलेक्ट्रोकार्डियोग्राफ़ सर्किट पर एम्पलीफायरों में क्या फ़ीड करना है और कहां मापना है।

परिचालन एम्पलीफायरों के बारे में अधिक जानकारी यहां भी पाई जा सकती है:

पी.एस.उन लोगों के लिए जो गणित, भौतिकी और प्रौद्योगिकी की अवधारणाओं की व्याख्या में रुचि रखते हैं, जैसा कि वे कहते हैं, "अपनी उंगलियों पर," हम इस पुस्तक की सिफारिश कर सकते हैं और विशेष रूप से इसके अनुभागों "गणित," "भौतिकी," और से अध्यायों की सिफारिश कर सकते हैं। "प्रौद्योगिकी" (पुस्तक स्वयं या उसके अलग-अलग अध्याय आप खरीद सकते हैं)।