Operační zesilovače. Část 2. Perfektní operační zesilovač

Aby lépe porozuměli principům konstrukce obvodů pomocí operačních zesilovačů, často používají koncept ideálního operačního zesilovače. Jaká je jeho ideálnost, nádherné vlastnosti? Není jich tolik, ale všichni mají sklon buď k nule, nebo dokonce k nekonečnu. Ale chová se to operační zesilovač nejsou pokryty zpětnou vazbou (OS) a obecně nemají externí připojení.

V tomto článku se pokusíme hovořit o zpětné vazbě a některých schématech pro začlenění operačních zesilovačů, aniž bychom zmiňovali těžkopádné matematické vzorce s integrály. Ale některým, velmi jednoduchým a srozumitelným, na úrovni osmého ročníku školy, které pomohou pochopit obecný význam, se stále nelze vyhnout.

Zisk

S takovým „nekontrolovatelným“ ziskem stačí na jeho vstupy aplikovat pouze několik mikrovoltů (například rušení sítě), aby se výstupní napětí dostalo blízko 15V. Tento stav indikuje nasycení výstupu.

Je vhodné připomenout stejný stav u tranzistorů. Přirozeně, v této formě se nedosáhne vůbec žádného zisku. Proto jsou skutečné operační zesilovače vždy pokryty negativní zpětnou vazbou, která bude popsána níže.

Je třeba poznamenat, že operační zesilovače se často používají bez zpětné vazby a v některých případech s pozitivní zpětnou vazbou. Tato aplikace se nachází v komparátory - zařízení pro přesné porovnání analogových signálů. Komparátory jsou k dispozici ve formě specializovaných mikroobvodů a jsou také součástí jiných mikroobvodů. Jen si vzpomeňte na legendární integrovaný časovač NE555, který v sobě obsahuje dva komparátory.

Téměř nedávná historie

Domácí elektronický průmysl současně zvládl výrobu operačních zesilovačů. První operační zesilovač byl K1UT401A (B), následně přejmenovaný na K140UD1 se stejnými písmeny na konci. Takže jako téměř přesná kopie amerického bratra UA702 měl analog s písmenem A při napájecím napětí ± 6V zisk v rozsahu 500 ... 4500 a písmenem B (± 12 V) 1500 ... 13000.

Podle moderních standardů je to jen směšné, ale přesto je možné tyto archaické zesilovače stále najít. Ale i při takovém „malém“ zisku nebylo možné udělat se zápornou zpětnou vazbou.

A právě vzhled operačních zesilovačů v integrovaném designu představil tuto univerzální součást do průmyslových, domácích a amatérských obvodů. Koneckonců musíte připustit, že operační zesilovač s elektronickými trubicemi nebo dokonce tranzistorový doplněk nelze použít, s výjimkou obranných AVM.

Vstupy a výstupy operačních zesilovačů

Operační zesilovač má dva vstupy a jeden výstup a samozřejmě dva výstupy pro napájení. Toto je minimální soubor závěrů, které jsou zásadní. Tak to je u většiny moderních operačních zesilovačů. Jakmile byly závěry pro spojovací prvky korekce a vyvážení frekvence.

Jídlo je nejčastěji bipolární se středním bodem, což umožňuje provádět zesílení konstantním napětím. V tomto případě je obecně přijímáno, že frekvenční rozsah operačních zesilovačů začíná od 0 Hz a horní frekvence je omezena jak samotným typem operačního zesilovače, jeho vnitřním obvodem a typem tranzistorů, tak i jeho spínacím obvodem.

Šířka pásma ideálního operačního zesilovače sahá od DC k nekonečnu.Také rychlost nebo rychlost vybočení výstupního signálu má sklon k nekonečnu. Ale tuto otázku prozatím nebudeme zvažovat.

Co zvyšuje operační zesilovač

Výstupní napětí operačního zesilovače je úměrné rozdílu napětí na jeho vstupech. V tomto případě absolutní úroveň signálů, stejně jako jejich polarita, nehrají zvláštní roli. Záleží jen na rozdílu. A protože všechny termíny v elektronice pocházely z anglického jazyka, je čas si zapamatovat slovo „different“, což znamená heterogenní, rozdíl (slovník „Multitran“) a zesilovače tohoto principu fungování se nazývají diferenciální.

Co nezesiluje operační zesilovač

Zde si můžeme také připomenout tak úžasnou vlastnost operačních zesilovačů, jako je útlum signálu v běžném režimu: pokud je stejný signál aplikován na oba vstupy, nebude zesílen. To se používá při aplikaci signálu na dlouhé dráty: užitečný signál má jinou fázi, zatímco interferenční signál na obou vstupech je stejný.

Co lze získat na výstupu operačního zesilovače

Výstupní impedance ideálního operačního zesilovače má sklon k nule, což teoreticky umožňuje získat libovolně velký, jen nekonečný signál na výstupu. Ve skutečnosti je výstupní napětí skutečného operačního zesilovače omezeno napětím zdrojů energie: je-li například bipolární napájecí napětí, například ± 15 V, pak je jednoduše nemožné získat na výstupu +20 nebo -25.

To je s ohledem na zesílení konstantního napětí. V případě zesílení, například sinusoidu na výstupu, by se měl také získat sinusoid, jehož amplituda nepřesahuje napájecí napětí.

Vstupní a výstupní napětí nesmí být vyšší než napětí zdrojů energie. Například při napájení ± 15 V je výstupní napětí nižší o 0,5 ... 1,5 V. Některé moderní mikroobvody však umožňují vyrovnat se napájecímu napětí na výstupu a na vstupu. Tato vlastnost v technických listech je označována jako Rail-to-Rail, doslova jako „pneumatika na pneumatiku“. Při výběru operačního zesilovače byste měli věnovat pozornost této vlastnosti.

Vstupní impedance

Vstupní impedance obou vstupů operačního zesilovače je velmi velká a je uvnitř stovek MegaOhm, v některých případech dokonce GigaOhm. Pro srovnání: výše uvedený K1UT401 měl vstupní impedanci jen několik desítek kOhm.

Vstupní impedance samozřejmě nedosahuje nekonečna, jako ideální operační zesilovač, ale je stále tak velká, že neovlivňuje úrovně vstupního signálu. Z toho můžeme usoudit, že na vstupech neproudí žádný proud. Toto je jeden z hlavních principů používaných při výpočtu a analýze obvodů operačních zesilovačů. Prozatím si to musíte pamatovat.

Poslední výrok se týká přímo operačních zesilovačů. Taková vysoká vstupní impedance je vlastní operačním zesilovačům samotným, ale vstupní impedance různých obvodů založených na ní může být mnohem nižší. Tuto okolnost je třeba mít vždy na paměti. A teď buďte opatrní, příběh začíná o nejdůležitější věci.

Negativní zpětná vazba (OOS)

OOS není nic jiného než spojení mezi výstupem a vstupem, ve kterém je část výstupu odečtena od vstupního signálu. Takové spojení vede ke snížení zisku. Na rozdíl od OOS existuje pozitivní zpětná vazba (POS), která naopak součte vstupní signál s částí výstupu. Taková propojení se používají nejen v elektronické technologii, ale v mnoha dalších případech, například v mechanice. Účinek těchto zpětných vazeb lze charakterizovat takto: OOS vede ke stabilitě systému, pozitivní vede k jeho nestabilitě.

Ve vztahu k dotyčným operačním zesilovačům vám OOS umožňuje nastavit zisk s dostatečnou přesností a také vede k mnoha kvalitativnějším a dokonce příjemnějším vylepšením obvodu. Nejprve však musíte přijít na to, jak funguje OOS.Jako příklad uveďme obvod, který najdete v jakékoli učebnici automatizace.

Obrázek 1

Ignorujte výstup signálu U.output. z výstupu prochází do sčítacího zařízení (kruh se znaménkem plus uvnitř) přes obvod OOS s převodovým koeficientem β, v tomto případě méně než jedním. Pokud je tento koeficient větší než jednota, což je technicky možné, získáme místo zesílení signálu jeho útlum. Ale prozatím budeme předpokládat, že potřebujeme přesné posílení.

Útes OOS je jen nehoda

Pokud přerušíte zpětnou vazbu, bude na výstupu operačního zesilovače napětí U.out. = K * U.in. Teoreticky obrovská hodnota. Ve skutečnosti bude omezeno velikostí napájecího napětí. To již bylo řečeno dříve. Podobný příklad: pokud se jedná o elektromotor se stabilizací otáček (také zpětná vazba), pak se pokud možno zrychlí. V tomto případě říkají, že systém šel „peddling“.

Prochází obvodem obvodu OOS a výstupní signál je zeslaben ß * U.output. Proto pouze vstup (U.in.-β * U.out.) Přichází na vstup zesilovače přes sčítač. Znaménko minus znamená, že zpětná vazba je záporná. Po průchodu zařízením se ziskem K bude výstup U.output = K * (U.in.-β * U.out.). Zisk celého systému K.us. = U.out./U.in. a ukáže se, že U.out. = K *

Po některých transformacích můžeme získat následující výsledek: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Všechny tyto transformace vedly k jednoduchému vzorci K.us. = K / (1+ K * β). Pokud předpokládáme, že K in je dostatečně velký (a v případě použití operačního zesilovače je to opravdu tak), pak jednotka v závorkách nebude dělat žádné zvláštní počasí, může být vyřazena, v důsledku čehož bude mít vzorec následující podobu:

K.us = 1 / β

Výsledný vzorec (který ve skutečnosti byl důvodem, proč byl celý plot vzorců sdružen) umožňuje říci, že přenosový koeficient operačního zesilovače v zpětnovazebním obvodu nezávisí v žádném případě na zisku samotného operačního zesilovače, ale je určen pouze parametry zpětnovazebního obvodu , jeho koeficient přenosu β. Ale čím vyšší je zisk samotného operačního zesilovače, tím přesnější je daný vzorec, tím stabilnější obvod pracuje.

Proto zesilovací kaskády na operačních zesilovačech nevyžadují ladění, protože obvyklé tranzistorové kaskády: právě vypočtené zpětnovazební odpory, pájené, získaly požadovaný zisk kaskády. Jak se to dělá, bude popsáno v dalším článku.