Operationele versterkers. Deel 2. De perfecte operationele versterker

Om de principes van het construeren van circuits met behulp van operationele versterkers beter te begrijpen, gebruiken ze vaak het concept van een ideale operationele versterker. Wat is zijn idealiteit, zijn prachtige eigenschappen? Het zijn er niet zo veel, maar ze neigen allemaal naar nul of zelfs oneindig. Maar gedraagt ​​zich zo operationele versterker niet gedekt door feedback (OS) en in het algemeen geen externe verbindingen.

In dit artikel zullen we proberen te praten over feedback en enkele schema's voor het opnemen van operationele versterkers zonder omslachtige wiskundige formules met integralen te noemen. Maar sommige, vrij eenvoudig en begrijpelijk, op het achtste leerjaarniveau van de school, die zullen helpen de algemene betekenis te begrijpen, kunnen nog steeds niet worden vermeden.

winnen van

Met een dergelijke "ongebreidelde" versterking is het voldoende om slechts een paar microvolt op zijn ingangen (bijvoorbeeld netinterferentie) aan te leggen om een ​​uitgangsspanning van bijna 15V te krijgen. Deze status geeft de verzadiging van de uitgang aan.

Het is aangewezen om dezelfde staat in transistoren terug te roepen. Uiteraard wordt in deze vorm helemaal geen winst behaald. Daarom worden echte operationele versterkers altijd gedekt door negatieve feedback, die hieronder zal worden besproken.

Hoewel moet worden opgemerkt dat vrij vaak operationele versterkers worden gebruikt zonder feedback, en in sommige gevallen met positieve feedback. Deze applicatie is te vinden in vergelijkers - apparaten voor een nauwkeurige vergelijking van analoge signalen. Vergelijkers zijn beschikbaar in de vorm van gespecialiseerde microschakelingen en maken ook deel uit van andere microschakelingen. Denk maar aan de legendarische geïntegreerde timer NE555, die in zichzelf twee vergelijkers bevat.

Bijna recente geschiedenis

Ooit beheerste de binnenlandse elektronische industrie ook de productie van operationele versterkers. De eerste operationele versterker was K1UT401A (B), vervolgens hernoemd tot K140UD1 met dezelfde letters aan het einde. Omdat het een vrijwel exacte kopie is van de Amerikaanse broer UA702, had de analoog met de letter A bij een voedingsspanning van ± 6V een winst in het bereik van 500 ... 4500 en met de letter B (± 12V) 1500 ... 13000.

Volgens moderne normen is dit gewoon belachelijk, maar toch kunnen deze archaïsche versterkers nog steeds worden gevonden. Maar zelfs met zo'n "kleine" winst, was het onmogelijk om te doen zonder negatieve feedback.

En alleen al het uiterlijk van operationele versterkers in een geïntegreerd ontwerp introduceerde deze universele component in industriële, huishoudelijke en amateurcircuits. Je moet immers toegeven dat een operationele versterker met elektronische buizen of zelfs een transistoroptie, behalve in defensie-AVM's, niet kon worden gebruikt.

Ingangen en uitgangen van operationele versterkers

De operationele versterker heeft twee ingangen en één uitgang, en natuurlijk twee uitgangen voor het leveren van spanning. Dit is de minimale reeks conclusies die van vitaal belang is. Dit is precies zoals het is met de meeste moderne operationele versterkers. Ooit waren er conclusies voor het verbinden van elementen van frequentiecorrectie en balancering.

Eten is meestal bipolair met een middelpunt, waardoor het mogelijk is om te versterken door constante spanning. In dit geval wordt algemeen aanvaard dat het frequentiebereik van operationele versterkers begint vanaf 0 Hz, en de bovenste frequentie wordt beperkt door zowel het type operationele versterker zelf, zijn interne circuit en het type transistors, en zijn schakelcircuit.

De bandbreedte van een ideale operationele versterker strekt zich uit van DC tot oneindig.Ook neigt de snelheid of draaisnelheid van het uitgangssignaal tot oneindig. Maar we zullen deze kwestie voorlopig niet behandelen.

Wat verbetert de operationele versterker

De uitgangsspanning van de operationele versterker is evenredig met het spanningsverschil aan zijn ingangen. In dit geval spelen het absolute niveau van de signalen, evenals hun polariteit, geen speciale rol. Alleen het verschil is belangrijk. En aangezien alle termen in elektronica uit de Engelse taal kwamen, is het tijd om het woord 'anders' te onthouden, wat heterogeen, verschil (het woordenboek 'Multitran') betekent, en de versterkers van dit werkingsprincipe worden differentieel genoemd.

Wat versterkt de operationele versterker niet

Hier kunnen we ook zo'n prachtige eigenschap van operationele versterkers oproepen als de verzwakking van een common-mode signaal: als hetzelfde signaal op beide ingangen wordt toegepast, zal het niet worden versterkt. Dit wordt gebruikt bij het toepassen van een signaal over lange draden: het nuttige signaal heeft een andere fase, terwijl het stoorsignaal op beide ingangen hetzelfde is.

Wat kan worden verkregen aan de uitgang van de operationele versterker

De uitgangsimpedantie van een ideale operationele versterker neigt naar nul, waardoor u in theorie een willekeurig groot, gewoon oneindig signaal aan de uitgang kunt krijgen. In feite wordt de uitgangsspanning van een echte operationele versterker beperkt door de spanning van de stroombronnen: als een bipolaire voedingsspanning bijvoorbeeld ± 15V is, is het eenvoudigweg onmogelijk om +20 of -25 aan de uitgang te verkrijgen.

Dit betreft de versterking van constante spanningen. In het geval van versterking, bijvoorbeeld een sinusoïde aan de uitgang, moet ook een sinusoïde worden verkregen, waarvan de amplitude de voedingsspanning niet overschrijdt.

Ingangs- en uitgangsspanningen kunnen niet hoger zijn dan de spanning van stroombronnen. Bijvoorbeeld, wanneer gevoed door ± 15V, is de uitgangsspanning lager met 0,5 ... 1,5V. Maar met sommige moderne microschakelingen kunt u gelijk worden aan de voedingsspanning aan de uitgang en ingang. Deze eigenschap in datasheets wordt Rail-to-Rail genoemd, letterlijk als "band tegen band". Wanneer u een operationele versterker kiest, moet u op deze eigenschap letten.

Ingangsimpedantie

De ingangsimpedantie van beide ingangen van de operationele versterker is erg groot en ligt binnen honderden MegaOhm, en in sommige gevallen zelfs GigaOhm. Ter vergelijking: de eerder genoemde K1UT401 had een ingangsimpedantie van slechts enkele tientallen kOhm.

De ingangsimpedantie bereikt natuurlijk niet oneindig, zoals een ideale operationele versterker, maar hij is nog steeds zo groot dat deze de ingangssignaalniveaus niet beïnvloedt. Hieruit kunnen we concluderen dat er geen stroom door de ingangen vloeit. Dit is een van de belangrijkste principes die worden gebruikt bij de berekening en analyse van circuits op operationele versterkers. Voor nu moet je het gewoon onthouden.

De laatste verklaring heeft rechtstreeks betrekking op operationele versterkers. Een dergelijke hoge ingangsimpedantie is inherent aan de operationele versterkers zelf, maar de ingangsimpedantie van verschillende daarop gebaseerde circuits kan veel lager zijn. Deze omstandigheid moet altijd worden onthouden. En nu, wees voorzichtig, het verhaal begint over het belangrijkste.

Negatieve feedback (OOS)

OOS is niets meer dan een verbinding tussen de uitgang en de ingang, waarbij een deel van de uitgang wordt afgetrokken van het ingangssignaal. Een dergelijke verbinding leidt tot een afname van de versterking. In tegenstelling tot OOS is er positieve feedback (POS), die omgekeerd het ingangssignaal samenvat met een deel van de uitgang. Dergelijke verbindingen worden niet alleen in de elektronische technologie gebruikt, maar in veel andere gevallen, bijvoorbeeld in de mechanica. Het effect van deze feedbacks kan als volgt worden gekenmerkt: OOS leidt tot de stabiliteit van het systeem, positief leidt tot zijn instabiliteit.

Met betrekking tot de operationele versterkers in kwestie, kunt u met de OOS de versterking met voldoende nauwkeurigheid instellen en leidt dit ook tot veel meer kwalitatieve en zelfs prettige verbeteringen aan het circuit. Maar eerst moet je uitzoeken hoe de OOS werkt.Overweeg als voorbeeld een circuit dat kan worden gevonden in elk handboek over automatisering.

Figuur 1

Ignate U.output signaaluitgang. van de uitgang gaat het naar het sommeerapparaat (een cirkel met een plusteken erin) via het OOS-circuit met de overdrachtscoëfficiënt β, in dit geval minder dan één. Als deze coëfficiënt groter wordt gemaakt dan eenheid, wat technisch mogelijk is, dan verkrijgen we in plaats van het signaal te versterken, de verzwakking ervan. Maar voor nu gaan we ervan uit dat we juist versterking nodig hebben.

OOS cliff is slechts een ongeluk

Als u de terugkoppellus verbreekt, is de spanning aan de uitgang van de operationele versterker U.out. = K * U.in. Theoretisch grote waarde. In feite zal het worden beperkt door de grootte van de voedingsspanning. Dit is al eerder gezegd. Een soortgelijk voorbeeld: als het een elektromotor is met stabilisatie van omwentelingen (ook feedback), dan zal deze gewoon zo snel mogelijk versnellen. In dit geval zeggen ze dat het systeem ging "trappen".

Het uitgangssignaal loopt door het circuit van het OOS-circuit en wordt verzwakt door β * U.output. Daarom komt alleen (U.in.-β * U.out.) Naar de versterkeringang via de opteller. Het minteken geeft aan dat de feedback negatief is. Nadat het apparaat met een versterking K is gepasseerd, is de uitvoer U.output = K * (U.in.-β * U.out.). Op zijn beurt wordt de versterking van het hele systeem K.us. = U.out./U.in. en het blijkt dat U.out. = K *

Na enkele transformaties kan het volgende resultaat worden verkregen: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Al deze transformaties hebben geleid tot de eenvoudige formule K.us. = K / (1+ K * β). Als we aannemen dat K in groot genoeg is (en in het geval van het gebruik van een operationele versterker is dit echt zo), dan zal de eenheid tussen haakjes geen speciaal weer doen, het kan worden weggegooid, waardoor de formule de volgende vorm aanneemt:

K.us. = 1 / β

De resulterende formule (wat in feite de reden was waarom de hele omheining van de formules werd samengevoegd) stelt ons in staat om te stellen dat de overdrachtscoëfficiënt van de operationele versterker in het feedbackcircuit op geen enkele manier afhankelijk is van de versterking van de operationele versterker zelf, maar alleen wordt bepaald door de parameters van het feedbackcircuit , de transmissiecoëfficiënt β. Maar hoe hoger de versterking van de operationele versterker zelf, des te nauwkeuriger de opgegeven formule geeft, des te stabieler het circuit werkt.

Daarom vereisen de versterkingscascades op operationele versterkers geen afstemming, zoals gewoonlijk transistorcascades: alleen berekende feedbackweerstanden, gesoldeerd, kregen de vereiste cascade-versterking. Hoe dit wordt gedaan, wordt beschreven in het volgende artikel.