Uključite operacijsko pojačalo. Operacijska pojačala. Vrste i rad. Prehrana i značajke. Način odbijanja zajedničkog načina rada

Operacijska pojačala se često koriste za izvođenje raznih operacija: zbrajanje signala, diferenciranje, integriranje, invertiranje, itd. Operacijska pojačala također su razvijena kao napredna
uravnoteženi krugovi pojačanja.

Operacijsko pojačalo– univerzalni funkcionalni element, široko korišten u modernim sklopovima za generiranje i pretvorbu informacijskih signala za različite namjene u analognoj i digitalnoj tehnologiji. Pogledajmo dalje vrste pojačala.

Invertirajuće pojačalo

Razmotrite krug jednostavnog invertirajućeg pojačala:

a) pad napona na otporniku R2 jednak je Uout,

b) pad napona na otporniku R1 jednak je Uin.

Uout/R2 = -Uin/R1, ili pojačanje napona = Uout/Uin = R2/R1.

Da bismo razumjeli kako funkcionira povratna sprega, zamislimo da je određena razina napona dovedena na ulaz, recimo 1 V. Da budemo precizniji, recimo da otpornik R1 ima otpor od 10 kOhm, a otpornik R2 ima otpor od 100 kOhm. kOhm. Sada zamislite da je izlazni napon odlučio izmaći kontroli i da je jednak 0 V. Što će se dogoditi? Otpornici R1 i R2 tvore razdjelnik napona, uz pomoć kojeg se potencijal invertirajućeg ulaza održava jednakim 0,91 V. Operacijsko pojačalo detektira neusklađenost na ulazima, a napon na njegovom izlazu počinje opadati. Promjena se nastavlja sve dok izlazni napon ne dosegne -10 V, u kojoj točki potencijali ulaza op-pojačala postaju isti i jednaki potencijalu uzemljenja. Slično, ako se izlazni napon počne dalje smanjivati ​​i postane negativniji od -10 V, tada će potencijal na invertirajućem ulazu postati niži od potencijala uzemljenja, kao rezultat toga, izlazni napon će početi rasti.

Nedostatak ovog kruga je što ima nisku ulaznu impedanciju, posebno za pojačala s visokim naponskim pojačanjem (s zatvorenim povratnim krugom), u kojima je otpornik R1, u pravilu, mali. Ovaj nedostatak je otklonjen dijagramom prikazanim u nastavku na Sl. 4.

Neinvertirajuće pojačalo. DC pojačalo.

Pogledajmo dijagram na sl. 4. Njegova analiza je krajnje jednostavna: UA = Uin. Napon UA ​​uklanja se iz razdjelnika napona: UA = Uout R1 / (R1 + R2). Ako je UA = Uin, tada je dobitak = Uout / Uin = 1 + R2 / R1. Ovo je neinvertirajuće pojačalo. U aproksimaciji koju ćemo koristiti, ulazna impedancija ovog pojačala je beskonačna (za operacijsko pojačalo tipa 411 iznosi 1012 ohma ili više, za operacijsko pojačalo s bipolarnim tranzistorom obično prelazi 108 ohma). Izlazna impedancija, kao iu prethodnom slučaju, jednaka je dijelovima ohma. Ako, kao kod invertirajućeg pojačala, pomno pogledamo ponašanje kruga dok se ulazni napon mijenja, vidjet ćemo da radi kako je obećano.

AC pojačalo

Gornji sklop također je istosmjerno pojačalo. Ako su izvor signala i pojačalo međusobno povezani preko izmjenične struje, tada se mora osigurati uzemljenje za ulaznu struju (vrlo male veličine), kao što je prikazano na sl. 5. Za vrijednosti komponenti prikazane na dijagramu, pojačanje napona je 10, a točka -3 dB odgovara frekvenciji od 16 Hz.

AC pojačalo. Ako se pojačavaju samo AC signali, možete smanjiti pojačanje za DC signale na jedinicu, osobito ako pojačalo ima visoko naponsko pojačanje. To omogućuje smanjenje utjecaja uvijek postojećeg konačnog "naprezanja smicanja prema ulazu".

Za krug prikazan na Sl. 6, točka -3 dB odgovara frekvenciji od 17 Hz; na ovoj frekvenciji impedancija kondenzatora je 2,0 kOhm. Imajte na umu da kondenzator mora biti velik. Ako se neinvertirajuće pojačalo s visokim pojačanjem koristi za izradu AC pojačala, kondenzator može biti pretjerano velik. U ovom slučaju, bolje je učiniti bez kondenzatora i prilagoditi napon pomaka tako da bude jednak nuli. Možete koristiti drugu metodu - povećati otpor otpornika R1 i R2 i koristiti razdjelni krug u obliku slova T.

Unatoč visokoj ulaznoj impedanciji kojoj dizajneri uvijek teže, krug neinvertirajućeg pojačala nije uvijek poželjniji od kruga invertirajućeg pojačala. Kao što ćemo kasnije vidjeti, invertirajuće pojačalo ne postavlja tako visoke zahtjeve na operacijsko pojačalo i stoga ima nešto bolje karakteristike. Osim toga, zahvaljujući imaginarnom uzemljenju, pogodno je kombinirati signale bez njihovog međusobnog utjecaja. I na kraju, ako je dotični sklop spojen na izlaz (stabilan) drugog op-amp-a, onda vam je vrijednost ulazne impedancije ravnodušna - može biti 10 kOhm ili beskonačno, jer će u svakom slučaju prethodni stupanj obavlja svoje funkcije u odnosu na narednu.

Repetitor

Na sl. Slika 7 prikazuje emiterski pratilac baziran na operacijskom pojačalu.

To nije ništa više od neinvertirajućeg pojačala u kojem je otpor otpornika R1 jednak beskonačnosti, a otpor otpornika R2 jednak nuli (pojačanje = 1). Postoje posebna operacijska pojačala dizajnirana za korištenje samo kao repetitori, imaju poboljšane karakteristike (uglavnom veću brzinu), primjer takvog operacijskog pojačala je krug LM310 ili OPA633, kao i pojednostavljeni krugovi kao što je krug TL068 (dostupan u tranzistoru paket s tri terminala).

Pojačalo s jediničnim pojačanjem ponekad se naziva međuspremnik, budući da ima izolacijska svojstva (visoku ulaznu impedanciju i nisku izlaznu snagu).

Osnovna upozorenja pri radu s op-pojačalima

1. Pravila vrijede za bilo koje operacijsko pojačalo, pod uvjetom da je u aktivnom načinu rada, tj. njegovi ulazi i izlazi nisu preopterećeni.

Na primjer, ako primijenite previše signala na ulaz pojačala, to će dovesti do prekida izlaznog signala blizu razine UKK ili UÉÉ. Dok je izlazni napon fiksiran na razini graničnog napona, napon na ulazima ne može se promijeniti. Izlazni zamah operacijskog pojačala ne može biti veći od raspona napona napajanja (obično 2 V manje od raspona napona napajanja, iako neka operacijska pojačala imaju zamah izlaza ograničen na jedan ili drugi napon napajanja). Slično ograničenje nametnuto je rasponu izlazne stabilnosti izvora struje temeljenog na operacijskom pojačalu. Na primjer, u strujnom izvoru s lebdećim opterećenjem, maksimalni pad napona preko opterećenja s "normalnim" smjerom struje (smjer struje podudara se sa smjerom primijenjenog napona) je UKK - Uin, a s suprotan smjer struje (opterećenje u ovom slučaju može biti prilično čudno, na primjer, može sadržavati obrnute baterije za dobivanje izravne struje punjenja ili može biti induktivno i raditi sa strujama koje mijenjaju smjer) -Uin - UEE.

2. Povratna informacija treba biti negativna. To znači (između ostalog) da ne treba brkati invertirajuće i neinvertirajuće ulaze.

3. Sklop operacijskog pojačala mora imati povratni krug istosmjerne struje, inače će operativno pojačalo sigurno otići u zasićenje.

4. Mnoga operacijska pojačala imaju prilično nizak maksimalni diferencijalni ulazni napon. Maksimalna razlika napona između invertirajućih i neinvertirajućih ulaza može se ograničiti na 5 V za bilo koji polaritet napona. Ako se ovaj uvjet zanemari, pojavit će se velike ulazne struje, što će dovesti do pogoršanja performansi ili čak do uništenja operacijskog pojačala.

Koncept "povratne veze" (FE) jedan je od najraširenijih, odavno je izašao iz uskog područja tehnologije i sada se koristi u širem smislu. U sustavima upravljanja, povratna sprega se koristi za usporedbu izlaznog signala sa zadanom točkom i odgovarajuće korekcije. Bilo što može djelovati kao "sustav", na primjer, proces vožnje automobila koji se kreće po cesti - izlazne podatke (položaj automobila i njegovu brzinu) prati vozač, koji ih uspoređuje s očekivanim vrijednostima​ ​i prema tome prilagođava ulazne podatke (pomoću upravljača, prekidača brzine, kočnica). U krugu pojačala izlazni signal mora biti višekratnik ulaznog signala, pa se u pojačalu s povratnom spregom ulazni signal uspoređuje s određenim dijelom izlaznog signala.

Sve o povratnim informacijama

Negativne povratne informacije je proces prijenosa izlaznog signala natrag na ulaz, pri čemu se dio ulaznog signala gasi. Ovo se može činiti kao glupa ideja koja će samo dovesti do smanjenja dobiti. Upravo takve povratne informacije dobio je Harold S. Black, koji je pokušao patentirati negativne povratne informacije 1928. godine. “Naša je izoprezija tretirana kao perpetum mobile” (IEEE Spectrum magazin, prosinac 1977.). Doista, negativna povratna sprega smanjuje pojačanje, ali u isto vrijeme poboljšava druge parametre kruga, na primjer, eliminira izobličenje i nelinearnost, izglađuje frekvencijski odziv (usklađuje ga sa željenom karakteristikom) i čini ponašanje sklop predvidljiv. Što je dublja negativna povratna sprega, vanjske karakteristike pojačala manje ovise o karakteristikama pojačala s otvorenom povratnom spregom (bez povratne veze), te se u konačnici ispostavlja da ovise samo o svojstvima samog povratnog kruga. Op-pojačala se obično koriste u načinu rada s dubokom povratnom spregom, a pojačanje napona otvorene petlje (bez povratne sprege) doseže milijune u tim krugovima.

Povratni krug može biti ovisan o frekvenciji, tada će pojačanje na određeni način ovisiti o frekvenciji (primjer bi bilo audio pretpojačalo u playeru s RIAA standardom); ako je povratni krug ovisan o amplitudi, tada pojačalo ima nelinearnu karakteristiku (čest primjer takvog sklopa je logaritamsko pojačalo, u kojem se povratni krug koristi logaritamskom ovisnošću napona UBE o struji IK u diodi ili tranzistor). Povratna veza se može koristiti za formiranje izvora struje (izlazna impedancija blizu beskonačnosti) ili izvora napona (izlazna impedancija blizu nule), a može se koristiti za proizvodnju vrlo visoke ili vrlo niske ulazne impedancije. Općenito govoreći, pomoću njega se poboljšava parametar za koji se uvodi povratna sprega. Na primjer, ako za povratnu vezu koristimo signal proporcionalan izlaznoj struji, dobit ćemo dobar izvor struje.

Povratne informacije mogu biti pozitivne; koristi se npr. u generatorima. Čudno, nije tako koristan kao negativni OS. Umjesto toga, to je povezano s problemima, budući da se u krugu s negativnom povratnom spregom mogu pojaviti prilično veliki fazni pomaci na visokim frekvencijama, što dovodi do pojave pozitivne povratne sprege i neželjenih vlastitih oscilacija. Da bi do ovih pojava došlo nije potrebno ulagati velike napore, ali da bi se spriječile neželjene autooscilacije koriste se metode korekcije.

Operacijska pojačala

U većini slučajeva, kada razmatramo krugove s povratnom spregom, radit ćemo o operacijskim pojačalima. Operacijsko pojačalo (op-amp) je DC diferencijalno pojačalo s vrlo visokim pojačanjem i jednostranim ulazom. Prototip operacijskog pojačala može biti klasično diferencijalno pojačalo s dva ulaza i neuravnoteženim izlazom; Međutim, treba napomenuti da stvarna operacijska pojačala imaju značajno veća pojačanja (obično reda veličine 105 - 106) i niže izlazne impedancije, a također dopuštaju da izlazni signal varira gotovo u cijelom rasponu napona napajanja (obično podijeljeni izvori napajanja od ±15 V).

Simboli "+" i "-" ne znače da jedan input uvijek mora biti pozitivniji od drugog; ovi simboli jednostavno označavaju relativnu fazu izlaznog signala (ovo je važno ako krug koristi negativnu povratnu spregu). Kako biste izbjegli zabunu, bolje je nazvati ulaze "invertirajućim" i "neinvertirajućim" umjesto "plus" i "minus" ulazima. Dijagrami često ne prikazuju spoj izvora napajanja na op-amp i pin namijenjen za uzemljenje. Operacijska pojačala imaju ogroman naponski dobitak i nikada se (uz rijetke iznimke) ne koriste bez povratne sprege. Možemo reći da su operacijska pojačala dizajnirana za rad s povratnom spregom. Dobitak kruga bez povratne veze je toliko visok da u prisutnosti zatvorene povratne petlje, karakteristike pojačala ovise samo o povratnom krugu. Naravno, pomnijim proučavanjem trebalo bi se pokazati da takav generalizirani zaključak nije uvijek točan. Započet ćemo tako da jednostavno pogledamo kako operacijsko pojačalo radi, a zatim ćemo ga po potrebi detaljnije proučiti.

Industrija proizvodi doslovno stotine vrsta operacijskih pojačala, od kojih sva imaju različite prednosti jedna u odnosu na drugu. Vrlo dobar sklop poput LF411 (ili jednostavno "411"), koji je na tržište predstavio National Semiconductor, postao je široko rasprostranjen. Kao i sva operacijska pojačala, to je sićušna jedinica smještena u minijaturnom kućištu s dvorednim mini-DIP pinoutom. Ova shema je jeftina i jednostavna za korištenje; Industrija proizvodi poboljšanu verziju ovog sklopa (LF411A), kao i element koji se nalazi u minijaturnom kućištu i sadrži dva neovisna operacijska pojačala (sklop tipa LF412, koji se naziva i "dualno" operacijsko pojačalo). Preporučamo sklop LF411 kao dobro polazište u dizajnu elektroničkog sklopa.

Krug tipa 411 je silicijska matrica koja sadrži 24 tranzistora (21 bipolarni tranzistor, 3 tranzistora s efektom polja, 11 otpornika i 1 kondenzator). Na sl. Slika 2 prikazuje spajanje na stezaljke kućišta.

Točka na poklopcu kućišta i urez na njegovom kraju služe za označavanje referentne točke pri numeriranju pinova. U većini kućišta elektroničkih sklopova numeriranje pinova se vrši u smjeru suprotnom od kazaljke na satu od strane poklopca kućišta. Pinovi za "postavku nule" (ili "balans", "podešavanje") koriste se za uklanjanje malih asimetrija koje se mogu pojaviti u operacijskom pojačalu.

Važna pravila

Sada ćemo se upoznati s najvažnijim pravilima koja određuju ponašanje op-amp u povratnoj petlji. Oni su istiniti za gotovo sve slučajeve života.

Prvo, operacijsko pojačalo ima tako veliko pojačanje napona da promjena napona između ulaza za nekoliko djelića milivolta uzrokuje promjenu izlaznog napona u cijelom rasponu, pa nemojmo razmatrati ovaj mali napon, nego formulirajmo pravilo I :

I. Izlaz operacijskog pojačala nastoji osigurati da razlika napona između njegovih ulaza bude nula.

Drugo, operacijsko pojačalo troši vrlo malo ulazne struje (operacijsko pojačalo tipa LF411 troši 0,2 nA; operacijsko pojačalo s FET ulazima troši oko picoampera); Ne ulazeći u dublje detalje, formulirajmo pravilo II:

II. Ulazi operacijskog pojačala ne troše nikakvu struju.

Ovdje je potrebno pojašnjenje: pravilo I ne znači da operacijsko pojačalo zapravo mijenja napon na svojim ulazima. Ovo je nemoguće. (Ovo ne bi bilo u skladu s pravilom II.) Op-amp "procjenjuje" stanje ulaza i, uz pomoć vanjskog povratnog kruga, prenosi napon s izlaza na ulaz tako da rezultirajuća razlika napona između ulaza postaje nula (ako je moguće).

Često su mi počeli postavljati pitanja o analognoj elektronici. Je li sesija studente uzimala zdravo za gotovo? ;) Dobro, krajnje je vrijeme za malo edukativne aktivnosti. Konkretno, o radu operacijskih pojačala. Što je to, s čime se jede i kako to izračunati.

Što je to
Operacijsko pojačalo je pojačalo s dva ulaza, neve... hmm... visokim pojačanjem signala i jednim izlazom. Oni. imamo U out = K*U in i K je idealno jednako beskonačno. U praksi su, naravno, brojke skromnije. Recimo 1.000.000, ali čak i takve brojke vas oduševe kad ih pokušate izravno primijeniti. Dakle, kao u vrtiću, jedno božićno drvce, dva, tri, puno božićnih drvaca - ovdje imamo puno pojačanja;) I to je to.

I ima dva ulaza. I jedan od njih je izravan, a drugi je inverzan.

Štoviše, ulazi su visoke impedancije. Oni. njihova ulazna impedancija je beskonačna u idealnom slučaju i JAKO visoka u stvarnom slučaju. Broj tamo ide u stotine megaohma ili čak gigaohma. Oni. mjeri napon na ulazu, ali ima minimalan utjecaj na njega. I možemo pretpostaviti da struja ne teče u op-ampu.

Izlazni napon u ovom slučaju izračunava se kao:

U izlaz =(U 2 -U 1)*K

Očito, ako je napon na izravnom ulazu veći nego na inverznom ulazu, tada je izlaz plus beskonačno. Inače će biti minus beskonačno.

Naravno, u realnom strujnom krugu neće biti beskonačnog plusa i minusa, već će ih zamijeniti najveći i najniži mogući napon napajanja pojačala. I dobit ćemo:

Usporednik
Uređaj koji vam omogućuje usporedbu dva analogna signala i donošenje presude - koji je signal veći. Već zanimljivo. Možete smisliti mnogo aplikacija za to. Usput, isti komparator ugrađen je u većinu mikrokontrolera, a pokazao sam kako ga koristiti na primjeru AVR-a u člancima o stvaranju. Komparator je također odličan za stvaranje .

Ali stvar nije ograničena na jedan komparator, jer ako uvedete povratnu vezu, onda se iz op-amp-a može učiniti puno.

Povratne informacije
Ako uzmemo signal s izlaza i pošaljemo ga ravno na ulaz, pojavit će se povratna informacija.

Pozitivna ocjena
Uzmimo i prebacimo signal izravno iz izlaza u izravan ulaz.

• Napon U1 je veći od nule - izlaz -15 volti
• Napon U1 je manji od nule - izlaz je +15 volti

Što se događa ako je napon nula? U teoriji bi izlaz trebao biti nula. Ali u stvarnosti, napon NIKADA neće biti nula. Uostalom, čak i ako naboj desnog elektrona premašuje naboj lijevog za jedan elektron, tada je to već dovoljno za pokretanje potencijala na izlazu uz beskonačno pojačanje. A na izlazu će početi sav pakao - signal skače tu i tamo brzinom slučajnih poremećaja induciranih na ulazima komparatora.

Da bi se riješio ovaj problem, uvodi se histereza. Oni. svojevrsni jaz između prebacivanja iz jednog stanja u drugo. Da biste to učinili, uvodi se pozitivna povratna informacija, poput ove:

Pretpostavljamo da u ovom trenutku postoji +10 volti na inverznom ulazu. Izlaz iz op-amp je minus 15 volti. Na izravnom ulazu više nije nula, već mali dio izlaznog napona iz razdjelnika. Približno -1,4 volta Dok napon na inverznom ulazu ne padne ispod -1,4 volta, izlaz operativnog pojačala neće promijeniti svoj napon. I čim napon padne ispod -1,4, izlaz op-amp će naglo skočiti na +15 i već će biti pristranost od +1,4 volta na izravnom ulazu.

A kako bi se promijenio napon na izlazu komparatora, signal U1 trebat će se povećati za čak 2,8 volta kako bi dosegao gornju razinu od +1,4.

Pojavljuje se svojevrsni jaz tamo gdje nema osjetljivosti, između 1,4 i -1,4 volta. Širina raspora je kontrolirana omjerima otpornika u R1 i R2. Napon praga izračunava se kao Uout/(R1+R2) * R1 Recimo da će 1 do 100 dati +/-0,14 volta.

Ipak, op-pojačala se češće koriste u načinu rada s negativnom povratnom spregom.

Negativne povratne informacije
U redu, recimo to na drugi način:

U slučaju negativne povratne informacije, operacijsko pojačalo ima zanimljivo svojstvo. Uvijek će pokušati prilagoditi svoj izlazni napon tako da naponi na ulazima budu jednaki, što rezultira nultom razlikom.
Dok ovo nisam pročitao u velikoj knjizi od drugova Horowitza i Hilla, nisam mogao ući u rad OU. Ali pokazalo se da je jednostavno.

Repetitor
I dobili smo repetitor. Oni. na ulazu U 1, na inverznom ulazu U out = U 1. Pa, ispada da je U out = U 1.

Pitanje je zašto nam treba takva sreća? Bilo je moguće izravno spojiti žicu i ne bi bilo potrebno operativno pojačalo!

Moguće je, ali ne uvijek. Zamislimo ovu situaciju: postoji senzor napravljen u obliku otpornog razdjelnika:

Niži otpor mijenja svoju vrijednost, mijenja se raspodjela izlaznih napona iz razdjelnika. I trebamo ga očitati voltmetrom. Ali voltmetar ima svoj unutarnji otpor, iako velik, ali će promijeniti očitanja senzora. Štoviše, što ako ne želimo voltmetar, ali želimo da žarulja mijenja svjetlinu? Ovdje više ne možete spojiti žarulju! Stoga puferiramo izlaz s operacijskim pojačalom. Njegov ulazni otpor je ogroman i njegov utjecaj će biti minimalan, a izlaz može dati prilično primjetnu struju (desetke miliampera, pa čak i stotine), što je sasvim dovoljno za rad žarulje.
Općenito, možete pronaći aplikacije za repetitor. Osobito u preciznim analognim sklopovima. Ili gdje strujni krug jednog stupnja može utjecati na rad drugog, kako bi ih razdvojio.

Pojačalo
Sada napravimo fintu ušima - uzmite povratnu informaciju i spojite je na masu kroz razdjelnik napona:

Sada se pola izlaznog napona dovodi na inverzni ulaz. Ali pojačalo još treba izjednačiti napone na svojim ulazima. Što će on morati učiniti? Tako je - podignite napon na izlazu dvostruko više nego prije kako biste kompenzirali rezultirajući razdjelnik.

Sada će na pravoj liniji biti U 1. Inverzno U out /2 = U 1 ili U out = 2*U 1.

Ako stavimo djelitelj s drugim omjerom, situacija će se promijeniti na isti način. Kako ne biste morali vrtjeti formulu razdjelnika napona, odmah ću je dati:

U izlaz = U 1 *(1+R 1 /R 2)

Mnemotehnički je zapamtiti ono što je podijeljeno na ono što je vrlo jednostavno:

Ispada da ulazni signal prolazi kroz lanac otpornika R 2, R 1 u U van. U ovom slučaju, izravni ulaz pojačala postavljen je na nulu. Prisjetimo se navika operacijskog pojačala - ono će pokušati, bilo kako bilo, osigurati da se na inverznom ulazu generira napon jednak izravnom ulazu. Oni. nula. Jedini način da to učinite je da smanjite izlazni napon ispod nule tako da se nula pojavi u točki 1.

Tako. Zamislimo da je U out =0. Još uvijek je nula. A ulazni napon, na primjer, je 10 volti u odnosu na U out. Djelitelj od R 1 i R 2 će ga podijeliti na pola. Dakle, u točki 1 postoji pet volti.

Pet volti nije nula i operacijsko pojačalo smanjuje svoj izlaz sve dok točka 1 ne bude nula. Da biste to učinili, izlaz bi trebao postati (-10) volti. U ovom slučaju, u odnosu na ulaz, razlika će biti 20 volti, a razdjelnik će nam dati točno 0 u točki 1. Imamo inverter.

Ali također možemo odabrati druge otpornike tako da naš djelitelj proizvodi različite koeficijente!
Općenito, formula pojačanja za takvo pojačalo bit će sljedeća:

U izlaz = - U ulaz * R 1 / R 2

Pa, mnemotehnička slika za brzo pamćenje xy od xy.

Recimo da su U 2 i U 1 po 10 volti. Tada će u 2. točki biti 5 volti. A izlaz će morati postati takav da u prvoj točki bude i 5 volti. Odnosno nula. Dakle, ispada da je 10 volti minus 10 volti jednako nula. Tako je :)

Ako U 1 postane 20 volti, izlaz će morati pasti na -10 volti.
Izračunajte sami - razlika između U 1 i U out bit će 30 volti. Struja kroz otpornik R4 bit će (U 1 -U izlaz)/(R 3 +R 4) = 30/20000 = 0,0015 A, a pad napona na otporniku R 4 bit će R 4 *I 4 = 10000 * 0,0015 = 15 volti. Oduzmite pad od 15 volti od pada ulaza od 20 i dobijete 5 volti.

Stoga je naše operacijsko pojačalo riješilo aritmetički problem od 10 oduzeto 20, što je rezultiralo -10 volti.

Štoviše, problem sadrži koeficijente određene otpornicima. Samo što sam radi jednostavnosti izabrao otpornike iste vrijednosti i stoga su svi koeficijenti jednaki jedinici. Ali u stvari, ako uzmemo proizvoljne otpornike, tada će ovisnost izlaza o ulazu biti ovakva:

U izlaz = 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

Mnemotehnička tehnika pamćenja formule za izračunavanje koeficijenata je sljedeća:
Točno prema shemi. Brojnik razlomka je na vrhu, tako da zbrajamo gornje otpornike u strujnom krugu i množimo s donjim. Nazivnik je ispod, pa zbrajamo donje otpornike i množimo s gornjim.

Ovdje je sve jednostavno. Jer točka 1 konstantno reducira na 0, tada možemo pretpostaviti da su struje koje teku u nju uvijek jednake U/R, a struje koje ulaze u čvor broj 1 se zbrajaju. Omjer ulaznog otpornika i povratnog otpornika određuje težinu ulazne struje.

Grana može biti koliko god želite, ali ja sam nacrtao samo dvije.

U izlaz = -1(R 3 *U 1 /R 1 + R 3 *U 2 /R 2)

Otpornici na ulazu (R 1, R 2) određuju količinu struje, a time i ukupnu težinu dolaznog signala. Ako učinite da su svi otpornici jednaki, kao što je moj, tada će težina biti ista, a faktor množenja svakog člana bit će jednak 1. A U out = -1(U 1 +U 2)

Neinvertirajuće zbrajalo
Ovdje je sve malo kompliciranije, ali je slično.

Uout = U 1 *K 1 + U 2 *K 2

K 1 = R 5 / R 1
K 2 = R 5 / R 2

Štoviše, otpornici u povratnoj sprezi moraju biti takvi da se poštuje jednadžba R 3 / R 4 = K 1 + K 2

Općenito, možete raditi bilo koju matematiku koristeći operacijska pojačala, zbrajati, množiti, dijeliti, izračunavati derivacije i integrale. I to gotovo trenutno. Analogna računala izrađuju se pomoću op-pojačala. Čak sam vidio jednog takvog na petom katu SUSU - budala veličine pola sobe. Nekoliko metalnih ormara. Program se upisuje spajanjem različitih blokova žicama :)

Invertirajuće pojačalo jedan je od najjednostavnijih i najčešće korištenih analognih sklopova. Sa samo dva otpornika možemo postaviti pojačanje koje nam je potrebno. Ništa nas ne sprječava da koeficijent učinimo manjim od 1, čime oslabimo ulazni signal.

Često se u krug dodaje još jedan R3, čiji je otpor jednak zbroju R1 i R2.

Da bismo razumjeli kako radi invertirajuće pojačalo, simulirajmo jednostavan krug. Na ulazu imamo napon od 4V, otpor otpornika je R1=1k i R2=2k. Bilo bi moguće, naravno, sve to zamijeniti formulom i odmah izračunati rezultat, ali pogledajmo kako točno ova shema funkcionira.

Počnimo s podsjetnikom na osnovna načela rada operacijskog pojačala:

Pravilo broj 1 - operacijsko pojačalo preko OOS-a (negativna povratna sprega) utječe svojim izlazom na ulaz, pri čemu dolazi do izjednačavanja napona na oba ulaza, i invertirajućem (-) i neinvertirajućem (+).

Imajte na umu da je neinvertirajući ulaz (+) spojen na masu, odnosno ima napon od 0V. U skladu s pravilom br. 1, invertirajući ulaz (-) također treba biti 0V.

Dakle, znamo napon na stezaljkama otpornika R1 i njegov otpor je 1k. Dakle, uz pomoć možemo izvršiti izračun i izračunati koliko struje teče kroz otpornik R1:

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

Pravilo br. 2 - ulazi pojačala ne troše struju

Dakle, struja koja teče kroz R1 nastavlja teći kroz R2!

Upotrijebimo ponovno Ohmov zakon i izračunajmo koliki se pad napona događa na otporniku R2. Znamo njegov otpor i znamo koja struja prolazi kroz njega, stoga:

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

Ispada da imamo 8V na izlazu? Ne sigurno na taj način. Podsjetit ću vas da je ovo invertirajuće pojačalo, odnosno ako na ulaz stavimo pozitivan napon, a na izlazu uklonimo negativni napon. Kako se to događa?

To je zbog činjenice da je povratna veza instalirana na invertirajućem ulazu (-), a za izjednačavanje napona na ulazu, pojačalo smanjuje potencijal na izlazu. Spajanje otpornika može se smatrati jednostavnim, stoga, kako bi potencijal na mjestu njihovog spajanja bio jednak nuli, izlaz mora biti minus 8 volti: Uout. = -(R2/R1)*Uin.

Postoji još jedna začkoljica povezana s pravilom 3:

Pravilo br. 3 - naponi na ulazima i izlazima moraju biti u rasponu između pozitivnog i negativnog napona napajanja operacijskog pojačala.

Odnosno, moramo provjeriti mogu li se naponi koje smo izračunali stvarno dobiti preko pojačala. Početnici često misle da pojačalo radi kao izvor besplatne energije i proizvodi napon ni iz čega. Ali moramo zapamtiti da pojačalo također treba snagu za rad.
Klasična pojačala rade na naponima od -15V i +15V. U takvoj situaciji, naših -8V, koje smo izračunali, je pravi napon, jer je u ovom rasponu.

Međutim, moderna pojačala često rade na 5 V ili niže. U takvoj situaciji nema šanse da će nam pojačalo dati minus 8V na izlazu. Stoga, kada projektirate sklopove, uvijek imajte na umu da teoretski izračuni uvijek moraju biti potkrijepljeni stvarnošću i fizičkim mogućnostima.

Treba napomenuti da invertirajuće pojačalo ima jedan nedostatak. Već znamo što ne opterećuje izvor signala, budući da ulazi pojačala imaju vrlo visok otpor i troše tako malo struje da se u većini slučajeva to može zanemariti (pravilo #2).

Invertirajuće pojačalo ima ulazni otpor jednak otporu otpornika R1, u praksi se kreće od 1k...1M. Usporedbe radi, pojačalo s ulazima tranzistora s efektom polja ima otpor reda veličine stotina megaohma, pa čak i gigaohma! Stoga ponekad može biti preporučljivo instalirati pratilac napona ispred pojačala.

Postoji mnogo važnih tema u tečaju elektronike. Danas ćemo pokušati razumjeti operacijska pojačala.
Početi ispočetka. Operacijsko pojačalo je "stvar" koja vam omogućuje da radite s analognim signalima na svaki mogući način. Najjednostavniji i najosnovniji su pojačanje, slabljenje, zbrajanje, oduzimanje i mnogi drugi (na primjer, diferencijacija ili logaritam). Velika većina operacija na operacijskim pojačalima (u daljnjem tekstu op-pojačala) izvodi se pomoću pozitivne i negativne povratne sprege.
U ovom ćemo članku razmotriti određeno "idealno" op-amp, jer Nema smisla prelaziti na određeni model. Pod idealnim se podrazumijeva da će ulazni otpor težiti beskonačnosti (dakle, ulazna struja će težiti nuli), a izlazni otpor, naprotiv, težiti nuli (to znači da opterećenje ne bi trebalo utjecati na izlazni napon ). Također, svako idealno operacijsko pojačalo trebalo bi pojačati signale bilo koje frekvencije. Pa, i što je najvažnije, dobitak u nedostatku povratne informacije također bi trebao težiti beskonačnosti.

Prijeđi na stvar

Operacijsko pojačalo često se u dijagramima simbolizira jednakostraničnim trokutom. S lijeve strane su ulazi, koji su označeni "-" i "+", s desne strane je izlaz. Napon se može primijeniti na bilo koji od ulaza, od kojih jedan mijenja polaritet napona (zato je nazvan invertirajući), drugi ne (logično je pretpostaviti da se zove neinvertirajući). Op-amp napajanje je najčešće bipolarno. Tipično, pozitivni i negativni naponi napajanja imaju istu vrijednost (ali različit predznak!).
U najjednostavnijem slučaju, izvore napona možete spojiti izravno na ulaze op-amp. Zatim će se izlazni napon izračunati prema formuli:
, gdje je napon na neinvertirajućem ulazu, je napon na invertirajućem ulazu, je izlazni napon i je pojačanje otvorene petlje.
Pogledajmo idealno operacijsko pojačalo s Proteusove točke gledišta.


Predlažem da se "igrate" s njim. Napon od 1 V primijenjen je na neinvertirajući ulaz. Za invertiranje 3V. Koristimo "idealno" op-amp. Dakle, dobivamo: . Ali ovdje imamo limiter, jer nećemo moći pojačati signal iznad našeg napona napajanja. Dakle, i dalje ćemo dobiti -15V na izlazu. Proizlaziti:


Promijenimo dobitak (da mi vjerujete). Neka parametar pojačanja napona postane jednak dva. Isti problem je jasno riješen.

Primjena operacijskih pojačala u stvarnom životu na primjeru invertirajućih i neinvertirajućih pojačala

Postoje dva takva glavni pravila:
ja Izlaz operacijskog pojačala nastoji uzrokovati da diferencijalni napon (razlika između napona na invertirajućem i neinvertirajućem ulazu) bude nula.
II. Ulazi operativnog pojačala ne troše nikakvu struju.
Prvo pravilo se provodi putem povratne informacije. Oni. napon se prenosi s izlaza na ulaz na takav način da razlika potencijala postaje nula.
To su, da tako kažem, "sveti kanoni" u OU temi.
A sada, konkretnije. Invertirajuće pojačalo izgleda točno ovako (obratite pozornost na to kako su ulazi smješteni):


Na temelju prvog "kanona" dobivamo omjer:
, i nakon "male čarolije" s formulom, izvodimo vrijednost za pojačanje invertirajućeg op-amp-a:

Gornji snimak zaslona ne treba komentar. Samo uključite sve i provjerite sami.

Sljedeća razina - neinvertirajući pojačalo.
Ovdje je također sve jednostavno. Napon se dovodi izravno na neinvertirajući ulaz. Povratna informacija se dovodi na invertirajući ulaz. Napon na invertirajućem ulazu bit će:
, ali primjenjujući prvo pravilo, možemo to reći

I opet, "grandiozno" znanje u području više matematike omogućuje nam da prijeđemo na formulu:
Dat ću vam opsežnu snimku zaslona koju možete još jednom provjeriti ako želite:

Na kraju ću vam dati par zanimljivih sklopova kako ne biste imali dojam da operacijska pojačala mogu samo pojačati napon.

Pratilac napona (pojačalo međuspremnika). Princip rada je isti kao kod tranzistorskog repetitora. Koristi se u krugovima s velikim opterećenjem. Također, može se koristiti za rješavanje problema usklađivanja impedancije ako krug sadrži neželjene razdjelnike napona. Shema je jednostavna do točke genija:

Sumirajuće pojačalo. Može se koristiti ako trebate dodati (oduzeti) nekoliko signala. Radi jasnoće, ovdje je dijagram (opet obratite pozornost na položaj ulaza):


Također, obratite pozornost na činjenicu da je R1 = R2 = R3 = R4, i R5 = R6. Formula za izračun u ovom slučaju bit će: (poznato, zar ne?)
Dakle, vidimo da vrijednosti napona koje se dovode na neinvertirajući ulaz "stječu" znak plus. Na obrnutom - minus.

Zaključak

Sklopovi operacijskih pojačala izuzetno su raznoliki. U složenijim slučajevima, možete pronaći krugove aktivnog filtera, ADC i uređaje za uzorkovanje memorije, pojačala snage, pretvarače struje u napon i mnoge druge sklopove.

Popis izvora

Kratak popis izvora koji će vam pomoći da se brzo naviknete na operacijska pojačala i elektroniku općenito:
Wikipedia
P. Horowitz, W. Hill. "Umjetnost dizajna sklopova"
B. Baker. “Što digitalni programer treba znati o analognoj elektronici”
Bilješke s predavanja o elektronici (po mogućnosti vlastite)
UPD: Hvala vam NLO za pozivnicu

) radit ćemo s OP97 i AD620. Pogledajmo prvo AD620. U podatkovnoj tablici za to je navedeno kako slijedi:

Sl.2b

AD620 je instrumentacijsko operacijsko pojačalo. Riječ instrumental označava njegove bolje karakteristike u usporedbi s konvencionalnim op-ampom. Pojačani signal dovodi se do +IN i –IN ulaza. Dobitak ovog pojačala postavlja se pomoću otpornika spojenog na Rg ulaze (postoje dva od njih - br. 1 i br. 8). Koji otpornik odgovara kojem faktoru pojačanja - pogledajte u podatkovnoj tablici. Napajanje AD620 op-amp je bipolarno. To znači da ima pinove za napajanje, koji su označeni +Vs i –Vs. I sada ako na njih spojimo, na primjer, bateriju od 5 V (minus baterije treba spojiti na –Vs, a plus, odnosno, na +Vs), a na ulaze signala primijenimo razliku potencijala + IN odnosno –IN, koji treba pojačati, tada možemo ukloniti signal pojačan K puta (gdje je K dobitak određen s Rg - vidi gore) s ovog uređaja spajanjem na izlazni pin i točku koju sastavljaju se u strujnom krugu, s potencijalom od 2,5V relativno minus baterija. Točka s potencijalom od 2,5 V u odnosu na minus baterije naziva se nulta točka. Ovo je upravo nula prema kojoj se mjeri potencijal (pojačani signal) na izlaznom pinu pojačala. Ova se točka može dobiti korištenjem običnog otporničkog djelitelja kao na slici 3b.

sl.3b

Dakle, najjednostavniji dijagram povezivanja za ovo op-amp izgleda ovako:

Dakle plus baterije u odnosu na nultu točku ima potencijal od +2,5V, a minus baterije u odnosu na nultu točku ima potencijal od –2,5V (vidi sl. 3b). Odnosno, potencijal nulte točke je točno na pola puta između plusa i minusa baterije. Otuda i naziv ove metode napajanja - bipolarno napajanje (jer se ispostavilo da smo minus 2,5 V u odnosu na nultu točku primijenili na –Vs izlaz pojačala, a plus 2,5 V u odnosu na nultu točku na +Vs) .
Također treba napomenuti da potencijali dovedeni na +IN i –IN ulaze pojačala u odnosu na nulu kruga moraju imati vrijednost unutar istih granica kao potencijali izvora napajanja. To jest, ako smo primijenili –2,5 V i +2,5 V na –Vs odnosno +Vs, onda na –IN i +IN ne možemo napajati, na primjer, 230V odnosno 230,1V. U ovom primjeru razlika potencijala 230,1–230 = 0,1 V, iako mala, neće biti pojačana. Koristeći podatkovnu tablicu, potrebno je saznati prihvatljiv raspon potencijala na ulazima odgovarajućeg op-amp-a. Na primjer, za AD620, u skladu s podacima o rasponu ulaznog napona, kada se napajanje dovodi na –2,5 V i 2,5 V na –Vs i +Vs, napon u odnosu na nulu na –IN ili +IN ne smije biti veći od Vs–1,2V = 2,5–1,2 = 1,3V i ništa manje –Vs+1,9V = –2,5+1,9 = –0,6V. To znači da ako, na primjer, primijenite 0,2 V i 0,3 V na –IN odnosno +IN, sada se potencijalna razlika između –IN i +IN može pojačati za istih 0,1 V. U krugu elektrokardiografa (vidi sliku 5), kako bi potencijali iz ljudskog tijela koji se dovode na ulaz pojačala bili unutar istih granica kao potencijali izvora napajanja, nulta točka izvora napajanja je spojena koristeći takozvanu referentnu elektrodu na pacijentovoj desnoj nozi (Ova veza se također naziva “pokretač desne noge”. Kao rezultat toga, potencijali na ljudskom tijelu će fluktuirati unutar nulte točke izvora napajanja pojačala, i stoga će pasti unutar raspona od Vs–1,2V, –Vs+1,9V.
Postoji i sljedeća važna značajka. Izlazni napon pojačala mora se mjeriti u odnosu na OUTPUT i neutralnu žicu kruga, međutim, u praksi ponekad neka op-pojačala dodaju svoj pomak izlaznom signalu za jednu ili drugu konstantnu vrijednost. Stoga, u takvim op-pojačalima, kako bi se uklonila ova konstantna vrijednost i konačno osiguralo da su mjerenja u odnosu na neutralnu žicu kruga ispravna, obično se daje REF izlaz (tzv. referentni ulaz) kojemu je nulti potencijal kruga mora se primijeniti. Štoviše, potrebno je primijeniti nulti potencijal na REF pin iz izvora s minimalnim izlaznim otporom, inače primjenom nultog potencijala na REF neće se postići željeni učinak. Dakle, nulti potencijal se obično dovodi na REF ulaz preko op-ampa spojenog prema takozvanom krugu repetitora, koji, kao što je poznato, ima izlazni otpor blizu nule, a ulazni otpor, naprotiv, teži na ogromnu vrijednost. Nulti potencijal se primjenjuje na ulaz repetitora, čiji je dobitak jednak jedinici; nulti potencijal se uklanja s izlaza repetitora i primjenjuje na REF. Op-amp spojen prema krugu repetitora izgleda ovako:

Sl.5b

Tada će spojni krug za pojačalo s REF-om izgledati ovako:

Sl.6b

U našem krugu elektrokardiografa, repetitor koji proizvodi referentni napon za AD620 pojačala izgrađen je na temelju OP97 (vidi sliku 8) - ovdje se nulti potencijal primjenjuje na pozitivni ulaz OP97, a na izlazu OP97 referentni nulti potencijal dovodi se do REF pinova AD620 pojačala posebno dizajniranih za ovu svrhu. OP97 je također bipolaran.
Osim op-pojačala s bipolarnim napajanjem, postoje i takozvani unipolarni, na primjer, TLC272. Za takva pojačala, izlazni napon se mjeri ne u odnosu na nultu točku, već u odnosu na minus baterije, pa su u skladu s tim terminali za napajanje takvog op-amp označeni kao GND (ovdje minus baterija) i VDD ( ovdje plus).
Pa, to je vjerojatno sve. Ove su informacije dovoljne da bismo razumjeli što gdje hraniti i što gdje mjeriti u pojačalima na našem krugu elektrokardiografa.

Više informacija o operacijskim pojačalima možete pronaći i ovdje:

p.s. Za one koji su zainteresirani za objašnjenja pojmova matematike, fizike i tehnike, kako kažu, “na dohvat ruke”, možemo preporučiti ovu knjigu, a posebno poglavlja iz njezinih dijelova “Matematika”, “Fizika” i “Tehnologija” (samu knjigu ili pojedina poglavlja iz nje možete kupiti).