Amplificadors operatius. Part 2. L’amplificador operatiu perfecte

Per entendre millor els principis de construir circuits mitjançant amplificadors operatius, solen utilitzar el concepte d'amplificador operatiu ideal. Quina és la seva idealitat, les seves meravelloses propietats? No n’hi ha tants, però tots tendeixen a zero o fins i tot a l’infinit. Però es comporta així amplificador operatiu no estan coberts per feedback (SO) i generalment no tenen connexions externes.

En aquest article tractarem de parlar de comentaris i d’alguns esquemes per incloure amplificadors operatius sense mencionar fórmules matemàtiques molestes amb integrals. Però alguns, força senzills i comprensibles, a nivell de vuitè grau de l’escola, que ajudaran a comprendre el significat general, encara no es poden evitar.

Guanyament

Amb un guany tan "desenfrenat", n'hi ha prou amb aplicar algunes microvoltes a les seves entrades (per exemple, interferències de xarxa) per obtenir una tensió de sortida propera als 15V. Aquest estat indica saturació de la sortida.

És convenient recordar el mateix estat en els transistors. Naturalment, d’aquesta forma, no s’obté cap guany en absolut. Per tant, els amplificadors operacionals reals sempre estan coberts per comentaris negatius, que es parlaran a continuació.

Tot i que cal destacar que bastant sovint s’utilitzen amplificadors operatius sense feedback, i en alguns casos amb comentaris positius. Aquesta aplicació es troba a comparadors - Dispositius per a la comparació precisa de senyals analògics. Els comparadors estan disponibles en forma de microcircuits especialitzats i també formen part d'altres microcircuits. Només cal recordar el llegendari temporitzador integrat NE555, que conté dins de si dos comparadors.

Història gairebé recent

Al mateix temps, la indústria electrònica domèstica també va dominar la producció d'amplificadors operatius. El primer amplificador operatiu va ser K1UT401A (B), posteriorment rebatejat com a K140UD1 amb les mateixes lletres al final. Així doncs, al tractar-se d’una còpia gairebé exacta del germà nord-americà UA702, l’anàleg amb la lletra A a una tensió d’alimentació de ± 6V va tenir un benefici en l’interval de 500 ... 4500, i amb la lletra B (± 12V) 1500 ... 13000.

Segons els estàndards moderns, això és només ridícul, però, tanmateix, encara es poden trobar aquests amplificadors arcaics. Però, fins i tot amb un guany tan "petit", era impossible fer-ho sense comentaris negatius.

I només l'aparició d'amplificadors operatius en disseny integrat va introduir aquest component universal en circuits industrials, domèstics i aficionats. Al cap i a la fi, heu d’admetre que no es pot utilitzar un amplificador operatiu amb tubs electrònics o fins i tot una opció de transistor, excepte en els AVM de defensa.

Entrades i sortides d'amplificadors operatius

L’amplificador operatiu té dues entrades i una sortida i, per descomptat, dues sortides per a l’alimentació de la tensió. Aquest és el mínim conjunt de conclusions que és vital. Això és exactament com passa amb la majoria d’amplificadors operatius moderns. Un cop hi va haver conclusions per connectar elements de correcció i equilibri de freqüències.

El menjar és més sovint bipolar amb un punt mitjà, cosa que permet dur a terme l'amplificació per tensió constant. En aquest cas, s’accepta generalment que l’interval de freqüències dels amplificadors operatius comença des de 0 Hz, i la freqüència superior està limitada tant pel tipus d’amplificador operatiu, el seu circuit intern, com pel tipus de transistors i el seu circuit de commutació.

L’ample de banda d’un amplificador operatiu ideal s’estén des de corrent continu fins a l’infinit.A més, la velocitat o velocitat de trànsit del senyal de sortida tendeixen a l’infinit. Però ara no considerarem aquest problema.

Què millora l'amplificador operatiu

La tensió de sortida de l'amplificador operatiu és proporcional a la diferència de tensió en les seves entrades. En aquest cas, el nivell absolut dels senyals, així com la seva polaritat, no tenen un paper especial. Només la diferència importa. I atès que tots els termes en electrònica provenien de la llengua anglesa, llavors és hora de recordar la paraula “diferent”, que significa diferència heterogènia (el diccionari “multitran”), i els amplificadors d’aquest principi de funcionament s’anomenen diferencials.

El que no amplifica l'amplificador operatiu

Aquí també podem recordar una propietat tan meravellosa d’amplificadors operacionals com l’atenuació d’un senyal de mode comú: si s’aplica el mateix senyal a les dues entrades, no s’amplificarà. Això s’utilitza quan s’aplica un senyal sobre cables llargs: el senyal útil té una fase diferent, mentre que el senyal d’interferència a les dues entrades és el mateix.

Què es pot obtenir a la sortida de l'amplificador operatiu

La impedància de sortida d’un amplificador operatiu ideal tendeix a zero, la qual cosa teòricament permet obtenir un senyal arbitràriament gran i infinit a la sortida. De fet, el voltatge de sortida d’un amplificador operatiu real està limitat per la tensió de les fonts d’energia: si una tensió d’alimentació bipolar, per exemple, ± 15V, és senzillament impossible obtenir +20 o -25 a la sortida.

Això es refereix a l'amplificació de tensions constants. En el cas de l'amplificació, per exemple, un sinusoide a la sortida, també s'ha d'obtenir un sinusoide, l'amplitud de la qual no excedeixi la tensió d'alimentació.

Els voltatges d’entrada i sortida no poden ser superiors al voltatge de les fonts d’energia. Per exemple, quan s’alimenta amb ± 15V, la tensió de sortida és inferior a 0,5 ... 1,5 V. Però alguns microcircuits moderns permeten igualar el voltatge d’alimentació a la sortida i l’entrada. Aquesta propietat dels fulls de dades es coneix com a ferrocarril a ferro, literalment "pneumàtic a pneumàtic". Quan trieu un amplificador operatiu, heu de prestar atenció a aquesta propietat.

Impedància d’entrada

La impedància d’entrada d’ambdues entrades de l’amplificador operatiu és molt gran i es troba dins de centenars de MegaOhm, i en alguns casos fins i tot de GigaOhm. A títol comparatiu: el K1UT401 esmentat anteriorment tenia una impedància d'entrada de només unes desenes de kOhm.

La impedància d’entrada, per descomptat, no arriba a l’infinit, com un amplificador operatiu ideal, però és tan gran que no afecta els nivells de senyal d’entrada. D'això podem concloure que no hi ha fluxos actuals en les entrades. Aquest és un dels principals principis utilitzats en el càlcul i anàlisi de circuits en amplificadors operatius. Ara per ara, només cal recordar-ho.

La darrera declaració està relacionada directament amb amplificadors operatius. Una impedància d’entrada tan elevada és inherent als propis amplificadors operatius, però la impedància d’entrada de diversos circuits basats en aquesta pot ser molt inferior. Sempre s’ha de recordar aquesta circumstància. I ara, vés amb compte, comença la història sobre el més important.

Respostos negatius (OOS)

OOS no és més que una connexió entre la sortida i l’entrada, en què una part de la sortida queda restada del senyal d’entrada. Aquesta connexió condueix a una disminució del guany. A diferència de l’OOS, hi ha una retroalimentació positiva (POS), que de forma inversa suma el senyal d’entrada amb part de la sortida. Aquestes connexions s’utilitzen no només en tecnologia electrònica, sinó en molts altres casos, per exemple, en mecànica. L’efecte d’aquestes retroalimentacions es pot caracteritzar de la manera següent: el sistema operatiu condueix a l’estabilitat del sistema, el positiu porta a la seva inestabilitat.

En relació amb els amplificadors operatius en qüestió, l'OOS permet ajustar el guany amb una precisió suficient, i també comporta millores molt més qualitatives i fins i tot agradables al circuit. Però primer cal esbrinar com funciona l'OOS.A tall d’exemple, considereu un circuit que es pot trobar a qualsevol llibre de text sobre automatització.

Figura 1

Sortida del senyal de sortida Ignal U.output. de la sortida passa al dispositiu de suma (un cercle amb un signe més a l’interior) a través del circuit OOS amb el coeficient de transferència β, en aquest cas, menys d’un. Si aquest coeficient és superior a la unitat, que és tècnicament possible, aleshores en lloc d’amplificar el senyal, obtenim la seva atenuació. Però, per ara, suposarem que necessitem precisament un reforç.

La cinglera OOS és només un accident

Si trenqueu el bucle de retroalimentació, el voltatge a la sortida de l'amplificador operatiu serà U.out. = K * U.in. Valor teòricament enorme. De fet, estarà limitat per la magnitud de la tensió d’alimentació. Això ja s’ha dit anteriorment. Un exemple similar: si es tracta d’un motor elèctric amb estabilització de revolucions (també de retroalimentació), simplement s’acceleraran en la mesura del possible. En aquest cas, diuen que el sistema va anar "a la venda ambulant".

Al passar pel circuit del circuit OOS, el senyal de sortida es veu atenuat per β * U.output. Per tant, només (U.in.-β * U.out) arriba a l’entrada de l’amplificador a través del sumador. El signe menys indica que el feedback és negatiu. Després de passar pel dispositiu amb un guany de K, la sortida serà U.out. = K * (U.in.-β * U.out.). Al seu torn, el guany de tot el sistema K.us. = U.out./U.in. i resulta que U.out. = K *

Després d'algunes transformacions, podem obtenir el resultat següent: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Totes aquestes transformacions van comportar la fórmula simple K.us. = K / (1+ K * β). Si suposem que K in és prou gran (i en el cas d’utilitzar un amplificador operatiu, realment és així), la unitat entre claudàtors no farà cap clima especial, es pot descartar, per la qual cosa la fórmula prendrà la següent forma:

K.us. = 1 / β

La fórmula resultant (que, de fet, va ser la raó per la qual es va agrupar tota la tanca de les fórmules) ens permet afirmar que el coeficient de transferència de l'amplificador operatiu al circuit de retroalimentació no depèn en cap cas del guany de l'amplificador operatiu, sinó que només es determina pels paràmetres del circuit de retroalimentació. , el seu coeficient de transmissió β. Però, però, com més gran sigui el guany de l'amplificador operacional, més precisa és la fórmula especificada, més estable funciona el circuit.

Per tant, les cascades d’amplificació en amplificadors operatius no requereixen l’ajustament, com és habitual en cascades de transistors: les resistències de retroalimentació només calculades, soldades, obtenien el guany de cascada necessari. Com es fa això es descriurà al següent article.