Domov › Služby › Obvod neinvertujícího operačního zesilovače. Operační zesilovače. Druhy a práce. Výživa a vlastnosti. Harmonické generátory

Obvod neinvertujícího operačního zesilovače. Operační zesilovače. Druhy a práce. Výživa a vlastnosti. Harmonické generátory

Neinvertující zesilovač je základní obvod s OU. Vypadá to bolestně jednoduše:

V tomto obvodu je signál přiveden na neinvertující vstup operačního zesilovače.

Takže, abyste pochopili princip fungování tohoto obvodu, pamatujte si nejvíce důležité pravidlo, který se používá k analýze obvodů operačních zesilovačů: výstupní napětí Operační zesilovač se snaží zajistit, aby rozdíl napětí mezi jeho vstupy byl nulový.

Princip fungování

Označme tedy invertující vstup písmenem A:

Podle hlavního pravidla operačních zesilovačů zjistíme, že napětí na invertujícím vstupu se rovná vstupnímu napětí: U A = U dovnitř. U A je odstraněn z , který je tvořen odpory R1 a R2. Proto:

U A = U out R1/(R1+R2)

Protože Vstup U A =U, chápeme to U vstup = U výstup R1/(R1+R2).

Napěťový zisk se vypočítá jako K U = U out / U vstup.

Zde dosadíme dříve získané hodnoty a získáme je K U = 1+R2/R1.

Kontrola práce v Proteus

To lze také snadno zkontrolovat pomocí programu Proteus. Diagram bude vypadat takto:

Pojďme vypočítat zisk K U. K U = 1+R2/R1=1+90k/10k=10. To znamená, že náš zesilovač by se měl zvýšit přesně 10krát vstupní signál. Pojďme zkontrolovat, zda je to pravda. Na neinvertující vstup přivedeme sinusoidu o frekvenci 1 kHz a uvidíme, co máme na výstupu. K tomu potřebujeme virtuální osciloskop:

Vstupní signál je žlutý průběh a výstupní signál je růžový průběh:

Jak vidíte, vstupní signál byl zesílen přesně 10x. Fáze výstupního signálu zůstává stejná. Proto se takový zesilovač nazývá NE invertování.

Ale jak se říká, je tu jedno „ALE“. Ve skutečnosti mají skutečné operační zesilovače konstrukční chyby. Protože se Proteus snaží emulovat komponenty blízké skutečným, podívejme se na amplitudově-frekvenční odezvu (AFC) a také na fázově-frekvenční odezvu (PFC) našeho operačního zesilovače LM358.

Frekvenční charakteristika a fázová charakteristika neinvertujícího zesilovače na LM358

V praxi, abychom odstranili frekvenční charakteristiku, musíme na vstup našeho zesilovače přivést frekvenci od 0 Hertzů do nějaké konečné hodnoty a na výstupu v tuto chvíli sledovat změnu amplitudy signálu. V Proteus se to vše provádí pomocí funkce Frequency Response:

Na ose Y máme zisk a na ose X máme frekvenci. Jak jste si mohli všimnout, zisk zůstal téměř beze změny až do frekvence 10 kHz, poté začal s rostoucí frekvencí rychle klesat. Při frekvenci 1 megahertz byl zisk rovný jedné. Tento parametr v operačním zesilovači se nazývá jednotný zisk frekvence a je označen jako f 1. To znamená, že zesilovač na této frekvenci signál nezesiluje. Co je dáno na vstupu, to vychází.

Při návrhu zesilovačů je důležitý parametr mezní frekvence f gr. Abychom to mohli vypočítat, potřebujeme znát zisk na frekvenci Kgr:

Kgr = K Uo / √2 nebo = K Uo x 0,707, kde K Uo je zisk při frekvenci 0 Hertzů (stejnosměrný proud).

Pokud se podíváme na frekvenční odezvu, uvidíme, že při nulové frekvenci (při stejnosměrném proudu) je náš zisk 10. Vypočítáme K gr.

Kgr = 10 x 0,707 = 7,07

Nyní provádíme vodorovná čára na úrovni 7.07 a podívejte se na průsečík s grafem. Mám asi 104 kHz. Sestavte zesilovač s mezní frekvencí větší než f gr nedává smysl, protože v tomto případě bude výstupní signál zesilovače značně utlumen.

Je také velmi snadné určit mezní frekvenci, pokud vykreslíte graf v . Mezní frekvence bude na úrovni K Uo -3dB. Tedy v našem případě na úrovni 17dB. Jak vidíte, i v tomto případě jsme dostali mezní frekvenci 104 kHz.

Dobře, zdá se, že jsme vyřešili mezní frekvenci. Nyní je pro nás důležitý parametr, jako je fázová odezva. V našem případě se zdá, že jsme získali NEinvertující zesilovač. To znamená, že fázový posun mezi vstupním a výstupním signálem musí být nulový. Jak se ale bude zesilovač chovat na vysokých frekvencích (KV)?

Vezmeme stejný frekvenční rozsah od 0 do 100 MHz a podíváme se na fázovou odezvu:

Jak je vidět, do 1 kHz neinvertující zesilovač opravdu funguje jak má. To znamená, že vstupní a výstupní signály se pohybují ve fázi. Ale po frekvenci 1 kHz vidíme, že fáze výstupního signálu začíná zpožďovat. Na frekvenci 100 kHz je již pozadu asi o 40 stupňů.

Pro přehlednost lze frekvenční odezvu a fázovou odezvu umístit do jednoho grafu:

Také v obvodech s neinvertujícím zesilovačem se často zavádí kompenzační rezistor RK.

Je určeno vzorcem:

a slouží k zajištění rovnosti odporu mezi každým ze vstupů a zemí. Na to se podíváme podrobněji v příštím článku.

Se vstupem od Jeera

V kurzu elektroniky je toho hodně důležitá témata. Dnes se pokusíme porozumět operačním zesilovačům.
Začněme od začátku. Operační zesilovač- je to „věc“, která vám umožňuje pracovat všemi možnými způsoby analogové signály. Nejjednodušší a nejzákladnější jsou zesílení, zeslabení, sčítání, odčítání a mnoho dalších (například derivování nebo logaritmus). Naprostá většina operací na operačních zesilovačích (dále jen operační zesilovače) se provádí pomocí kladné a záporné zpětné vazby.
V tomto článku se budeme zabývat určitým „ideálním“ operačním zesilovačem, protože jít do konkrétní model nedává smysl. Ideálem je myšleno, že vstupní odpor bude mít tendenci k nekonečnu (proto bude mít vstupní proud tendenci k nule) a výstupní odpor bude mít naopak tendenci k nule (to znamená, že zátěž by neměla ovlivňovat výstupní napětí ). Každý ideální operační zesilovač by měl také zesilovat signály jakékoli frekvence. No a hlavně zisk, když není zpětná vazba musí také tíhnout k nekonečnu.

Jděte k věci

Operační zesilovač je ve schématech zapojení často symbolizován rovnostranným trojúhelníkem. Vlevo jsou vstupy, které jsou označeny „-“ a „+“, vpravo je výstup. Napětí může být přivedeno na kterýkoli ze vstupů, z nichž jeden mění polaritu napětí (proto se nazývá invertující), druhý nikoli (logicky se předpokládá, že se nazývá neinvertující). Napájecí zdroj operačního zesilovače je nejčastěji bipolární. Obvykle mají kladné a záporné napájecí napětí stejnou hodnotu(ale jiné znamení!).
V nejjednodušším případě můžete připojit zdroje napětí přímo na vstupy operačního zesilovače. A pak se výstupní napětí vypočítá podle vzorce:
, kde je napětí na neinvertujícím vstupu, je napětí na invertujícím vstupu, je výstupní napětí a je zisk v otevřené smyčce.
Podívejme se na ideální operační zesilovač z pohledu Proteus.

Doporučuji si s ním „hrát“. Na neinvertující vstup bylo přivedeno napětí 1V. Na invertování 3V. Používáme „ideální“ operační zesilovač. Takže dostáváme: . Ale tady máme omezovač, protože nebudeme schopni zesílit signál nad naše napájecí napětí. Na výstupu tedy stále dostaneme -15V. Výsledek:

Pojďme změnit zisk (tak mi věříte). Nechť je parametr Voltage Gain roven dvěma. Stejný problém je jasně vyřešen.

Reálná aplikace operačních zesilovačů na příkladu invertujících a neinvertujících zesilovačů

Jsou dva hlavní pravidla:
já Výstup operačního zesilovače má tendenci způsobit, že rozdílové napětí (rozdíl mezi napětím na invertujícím a neinvertujícím vstupu) bude nulové.
II. Vstupy operačního zesilovače nespotřebovávají žádný proud.
První pravidlo je implementováno prostřednictvím zpětné vazby. Tito. napětí se přenese z výstupu na vstup tak, že rozdíl potenciálů bude nulový.
To jsou takříkajíc „posvátné kánony“ v tématu OU.
A teď konkrétněji. Invertující zesilovač vypadá přesně takto (věnujte pozornost tomu, jak jsou umístěny vstupy):

Na základě prvního „kánu“ získáme poměr:
a po „trochu magie“ se vzorcem odvodíme hodnotu zisku invertujícího operačního zesilovače:

Výše uvedený snímek obrazovky nepotřebuje žádné komentáře. Stačí vše zapojit a zkontrolovat sami.

Další fáze - neinvertující zesilovač.
Vše je zde také jednoduché. Napětí je přivedeno přímo na neinvertující vstup. Zpětná vazba je dodávána na invertující vstup. Napětí na invertujícím vstupu bude:
, ale použitím prvního pravidla můžeme říci, že

A opět, „grandiózní“ znalosti v oblasti vyšší matematiky nám umožňují přejít na vzorec:
Dám vám obsáhlý snímek obrazovky, který si můžete zkontrolovat, pokud chcete:

Nakonec vám pár dám zajímavá schémata, abyste neměli dojem, že operační zesilovače dokážou pouze zesílit napětí.

Napěťový sledovač (vyrovnávací zesilovač). Princip činnosti je stejný jako u tranzistorového opakovače. Používá se v obvodech s těžký náklad. Také může být použit k vyřešení problému impedančního přizpůsobení, pokud obvod obsahuje nežádoucí děliče napětí. Schéma je jednoduché až geniální:

Sumární zesilovač. Lze jej použít, pokud potřebujete sečíst (odečíst) několik signálů. Pro přehlednost je zde schéma (opět věnujte pozornost umístění vstupů):

Věnujte také pozornost skutečnosti, že R1 = R2 = R3 = R4 a R5 = R6. Výpočtový vzorec v v tomto případě bude: (známé, že?)
Vidíme tedy, že hodnoty napětí, které jsou přiváděny na neinvertující vstup, „získají“ znaménko plus. Na převrácené jedničce - mínus.

Závěr

Obvody operačního zesilovače jsou velmi rozmanité. Ve více těžké případy Můžete narazit na diagramy aktivní filtry, ADC a paměťová vzorkovací zařízení, výkonové zesilovače, měniče proudu na napětí a mnoho dalších obvodů.

Seznam zdrojů

Krátký seznam zdrojů, které vám pomohou rychle si zvyknout na operační zesilovače i elektroniku obecně:
Wikipedie
P. Horowitz, W. Hill. "Umění obvodového designu"
B. Baker. „Co potřebuje digitální vývojář vědět o analogové elektronice“
Poznámky z přednášek o elektronice (nejlépe vlastní)
UPD: Děkuju UFO za pozvání

Invertující zesilovač je jedním z nejjednodušších a nejčastěji používaných analogových obvodů. S pouhými dvěma odpory můžeme nastavit potřebný zisk. Nic nám nebrání udělat koeficient menší než 1 a tím zeslabit vstupní signál.

Často se do obvodu přidává další R3, jehož odpor se rovná součtu R1 a R2.

Abychom pochopili, jak funguje invertující zesilovač, pojďme simulovat jednoduché schéma. Na vstupu máme napětí 4V, odpor rezistorů je R1=1k a R2=2k. Bylo by samozřejmě možné toto vše dosadit do vzorce a okamžitě vypočítat výsledek, ale podívejme se, jak přesně toto schéma funguje.

Začněme připomenutím základních provozních principů operačního zesilovače:

Pravidlo č. 1 - operační zesilovač ovlivňuje svůj výstup na vstupu přes OOS (negativní zpětnou vazbu), v důsledku čehož dochází k vyrovnání napětí na obou vstupech, invertujícím (-) i neinvertujícím (+).

Vezměte prosím na vědomí, že neinvertující vstup (+) je spojen se zemí, to znamená, že má napětí 0V. V souladu s pravidlem č. 1 by měl být invertující vstup (-) také 0V.

Známe tedy napětí na svorkách rezistoru R1 a jeho odpor je 1k. S pomocí tedy můžeme provést výpočet a vypočítat, kolik proudu protéká rezistorem R1:

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

Pravidlo č. 2 - vstupy zesilovače nespotřebovávají proud

Proud tekoucí přes R1 tedy nadále teče přes R2!

Použijme opět Ohmův zákon a vypočítejme, k jakému poklesu napětí na rezistoru R2 dochází. Známe jeho odpor a víme, jaký proud jím prochází, proto:

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

Ukazuje se, že na výstupu máme 8V? Vlastně ne. Připomínám, že se jedná o invertující zesilovač, tedy pokud na vstup přivedeme kladné napětí a na výstupu odebereme záporné napětí. Jak se to stane?

To je způsobeno skutečností, že zpětná vazba je instalována na invertujícím vstupu (-) a pro vyrovnání napětí na vstupu zesilovač snižuje potenciál na výstupu. Zapojení rezistorů lze považovat za jednoduché, proto, aby byl potenciál v místě jejich připojení roven nule, musí být na výstupu mínus 8 voltů: Uout. = -(R2/R1)*Uin.

S pravidlem 3 souvisí další háček:

Pravidlo č. 3 - napětí na vstupech a výstupech musí být v rozsahu mezi kladným a záporným napájecím napětím operačního zesilovače.

To znamená, že musíme zkontrolovat, že napětí, která jsme vypočítali, lze skutečně získat přes zesilovač. Začátečníci si často myslí, že zesilovač funguje jako zdroj volné energie a vyrábí napětí z ničeho. Musíme ale pamatovat na to, že zesilovač potřebuje k provozu také výkon.
Klasické zesilovače pracují na napětí -15V a +15V. V takové situaci je naše -8V, které jsme vypočítali, skutečné napětí, protože je v tomto rozsahu.

Moderní zesilovače však často pracují s napětím 5V nebo nižším. V takové situaci není šance, že nám zesilovač dá na výstupu mínus 8V. Při návrhu obvodů proto vždy pamatujte, že teoretické výpočty je vždy potřeba podepřít realitou a fyzickými možnostmi.

Nutno podotknout, že invertující zesilovač má jednu nevýhodu. Již víme, že nezatěžuje zdroj signálu, protože vstupy zesilovače jsou velmi vysoká odolnost a spotřebovávají tak málo proudu, že ve většině případů je lze ignorovat (pravidlo č. 2).

Invertující zesilovač má vstupní odpor rovný odporu rezistoru R1, v praxi se pohybuje v rozmezí 1k...1M. Pro srovnání zesilovač se vstupy tranzistory s efektem pole má odpor v řádu stovek megaohmů a dokonce i gigaohmů! Proto někdy může být vhodné nainstalovat před zesilovač napěťový sledovač.

Operační zesilovače se často používají k provádění různých operací: sčítání signálů, derivování, integrování, invertování atd. A také operační zesilovače byly vyvinuty jako pokročilé
vyvážené zesilovací obvody.

Operační zesilovač– univerzální funkční prvek, široce používaný v moderní schémata formování a transformace informační signály pro různé účely jak analogově, tak i digitální technologie. Podívejme se dále na typy zesilovačů.

Invertující zesilovač

Zvažte obvod jednoduchého invertujícího zesilovače:

a) úbytek napětí na rezistoru R2 je roven Uout,

b) úbytek napětí na rezistoru R1 je roven Uin.

Uout/R2 = -Uin/R1, nebo napěťové zesílení = Uout/Uin = R2/R1.

Abychom pochopili, jak funguje zpětná vazba, představme si, že na vstup je přivedena určitá úroveň napětí, řekněme 1 V. Pro upřesnění řekněme, že odpor R1 má odpor 10 kOhm a odpor R2 má odpor 100 kOhm. Nyní si představte, že se výstupní napětí rozhodlo vymknout kontrole a je rovno 0 V. Co se stane? Rezistory R1 a R2 tvoří napěťový dělič, pomocí kterého je potenciál invertujícího vstupu udržován rovný 0,91 V. Operační zesilovač detekuje nesoulad napříč vstupy a napětí na jeho výstupu začne klesat. Změna pokračuje, dokud výstupní napětí nedosáhne -10 V, v tomto okamžiku se potenciály vstupů operačního zesilovače stanou stejnými a rovnými potenciálu země. Podobně, pokud výstupní napětí začne dále klesat a stane se zápornějším než -10 V, pak potenciál na invertujícím vstupu bude nižší než potenciál země, což způsobí, že výstupní napětí začne stoupat.

Nevýhodou tohoto obvodu je, že má nízkou vstupní impedanci, zejména u zesilovačů s vysokým napěťovým zesílením (at uzavřený okruh OS), ve kterém je odpor R1 zpravidla malý. Tato nevýhoda je eliminována schématem uvedeným níže na obr. 4.

Neinvertující zesilovač. DC zesilovač.

Podívejme se na schéma na obr. 4. Jeho analýza je velmi jednoduchá: UA = Uin. Napětí UA je odstraněno z děliče napětí: UA = Uout R1 / (R1 + R2). Pokud UA = Uin, pak zisk = Uout / Uin = 1 + R2 / R1. Jedná se o neinvertující zesilovač. V aproximaci, kterou použijeme, je vstupní impedance tohoto zesilovače nekonečná (pro operační zesilovač typu 411 je to 1012 ohmů nebo více, pro operační zesilovač s bipolárním tranzistorem obvykle přesahuje 108 ohmů). Výstupní impedance se stejně jako v předchozím případě rovná zlomkům ohmu. Pokud se jako u invertujícího zesilovače blíže podíváme na chování obvodu při změně vstupního napětí, uvidíme, že funguje tak, jak bylo slíbeno.

AC zesilovač

Výše uvedený obvod je také zesilovač DC. Pokud jsou zdroj signálu a zesilovač vzájemně propojeny střídavým proudem, musí být pro vstupní proud (velmi malé velikosti) zajištěno uzemnění, jak je znázorněno na obr. 5. Pro hodnoty komponentu uvedené v diagramu je napěťový zisk 10 a bod -3 dB odpovídá frekvenci 16 Hz.

Zesilovač AC. Pokud jsou zesíleny pouze signály střídavého proudu, můžete snížit zisk stejnosměrných signálů na jednotu, zejména pokud má zesilovač vysoké napěťové zesílení. To umožňuje snížit vliv vždy existujícího konečného „vstupně odkazovaného smykového napětí“.

Pro obvod znázorněný na Obr. 6, bod -3 dB odpovídá frekvenci 17 Hz; při této frekvenci je impedance kondenzátoru 2,0 kOhm. Vezměte prosím na vědomí, že kondenzátor musí být velký. Pokud je k sestavení střídavého zesilovače použit neinvertující zesilovač s vysokým ziskem, může být kondenzátor příliš velký. V tomto případě je lepší obejít se bez kondenzátoru a upravit offsetové napětí tak, aby se rovnalo nule. Můžete použít jinou metodu - zvýšit odpor rezistorů R1 a R2 a použít dělicí obvod ve tvaru T.

Navzdory vysoké vstupní impedanci, o kterou konstruktéři vždy usilují, není vždy preferován neinvertující obvod zesilovače před obvodem invertujícího zesilovače. Jak uvidíme později, invertující zesilovač neklade tak vysoké nároky na operační zesilovač, a proto má několik nejlepší vlastnosti. Navíc je díky pomyslnému uzemnění vhodné signály kombinovat, aniž by se vzájemně ovlivňovaly. A konečně, pokud je dotyčný obvod připojen k výstupu (stabilnímu) jiného operačního zesilovače, pak je pro vás hodnota vstupní impedance lhostejná - může to být 10 kOhm nebo nekonečno, protože v každém případě bude předchozí stupeň plnit své funkce ve vztahu k následujícímu.

Opakovač

Na Obr. 7 znázorňuje emitorovou sledovačku založenou na operačním zesilovači.

Není to nic jiného než neinvertující zesilovač, ve kterém je odpor rezistoru R1 roven nekonečnu a odpor rezistoru R2 je nulový (zesílení = 1). Existují speciální operační zesilovače určené pro použití pouze jako opakovače, mají vylepšené charakteristiky (hlavně vyšší rychlost), příkladem takového operačního zesilovače je obvod LM310 nebo OPA633, dále pak zjednodušené obvody jako obvod TL068 (k dispozici v tranzistorovém provedení balení se třemi koncovkami).

Zesilovač s jednotkovým ziskem se někdy nazývá vyrovnávací paměť, protože má izolační vlastnosti (vysoká vstupní impedance a nízký výstup).

Základní upozornění při práci s operačními zesilovači

1. Pravidla platí pro jakýkoli operační zesilovač za předpokladu, že je in aktivní režim, tj. jeho vstupy a výstupy nejsou přetíženy.

Například pokud na vstup zesilovače přivedete příliš mnoho energie velký signál, pak to povede k tomu, že výstupní signál bude odříznut blízko úrovně UКК nebo UЭЭ. Zatímco výstupní napětí je pevně nastaveno na mezní napětí, napětí na vstupech se nemůže změnit. Kolísání výstupního napětí operačního zesilovače nemůže být větší než rozsah napájecího napětí (obvykle o 2 V menší než rozsah napájecího napětí, ačkoli některé operační zesilovače mají výkyv výstupního napětí omezený na jedno nebo druhé napájecí napětí). Podobné omezení platí pro rozsah výstupní stability zdroje proudu na bázi operačního zesilovače. Například u zdroje proudu s plovoucí zátěží je maximální úbytek napětí na zátěži s „normálním“ směrem proudu (směr proudu se shoduje se směrem aplikovaného napětí) UКК - Uin a s opačný směr proudu (zátěž v tomto případě může být docela zvláštní, může například obsahovat obrácené baterie, aby se získal stejnosměrný proud nabíjet nebo může být indukční a pracovat s proudy, které mění směr) -Uin - UEE.

2. Zpětná vazba by měla být negativní. To (mimo jiné) znamená, že by se neměly zaměňovat invertující a neinvertující vstupy.

3. Obvod operačního zesilovače musí mít obvod zpětné vazby stejnosměrného proudu, jinak se operační zesilovač definitivně zaplní.

4. Mnoho operačních zesilovačů má poměrně nízké maximální rozdílové vstupní napětí. Maximální rozdíl napětí mezi invertujícím a neinvertujícím vstupem může být omezen na 5 V pro každou polaritu napětí. Při zanedbání této podmínky vzniknou velké vstupní proudy, které povedou ke zhoršení výkonu nebo dokonce zničení operačního zesilovače.

Pojem „zpětná vazba“ (FE) je jedním z nejrozšířenějších, který již dávno přesáhl úzkou oblast technologie a nyní se používá v v širokém slova smyslu. V řídicích systémech se zpětná vazba používá k porovnání výstupního signálu s daná hodnota a provedení příslušných úprav. Jako „systém“ může fungovat cokoli, například proces řízení auta jedoucího po silnici – výstupní data (polohu auta a jeho rychlost) sleduje řidič a porovnává je s očekávanými hodnotami a podle toho upraví vstupní data (pomocí volantu, přepínače rychlosti, brzd). V obvodu zesilovače musí být výstupní signál násobkem vstupního signálu, takže ve zpětnovazebním zesilovači je vstupní signál porovnáván s určitou částí výstupního signálu.

Vše o zpětné vazbě

Negativní zpětná vazba je proces přenosu výstupního signálu zpět na vstup, při kterém část vstupního signálu zhasne. Může se to zdát jako hloupý nápad, který povede pouze ke snížení zisku. Přesně takovou zpětnou vazbu obdržel Harold S. Black, který se v roce 1928 pokusil patentovat negativní zpětnou vazbu. "S naší izolací bylo zacházeno stejně jako." stroj na věčný pohyb(Časopis IEEE Spectrum prosinec 1977). Negativní zpětná vazba skutečně snižuje zisk, ale zároveň zlepšuje další parametry obvodu, například eliminuje zkreslení a nelinearitu, vyhlazuje frekvenční odezvu (uvádí ji do souladu s požadovanou charakteristiku), činí chování obvodu předvídatelným. Čím hlubší je negativní zpětná vazba, tím méně vnější charakteristiky zesilovače závisí na vlastnostech zesilovače s otevřenou zpětnou vazbou (bez zpětné vazby) a nakonec se ukazuje, že závisí pouze na vlastnostech vlastního zpětnovazebního obvodu. Operační zesilovače se obvykle používají v režimu hluboké zpětné vazby a napěťový zisk v otevřené smyčce (bez zpětné vazby) dosahuje v těchto obvodech milionů.

Zpětnovazební obvod může být frekvenčně závislý, pak zisk bude záviset určitým způsobem na frekvenci (příkladem může být předzesilovač zvukové frekvence v přehrávači se standardem RIAA); je-li zpětnovazební obvod amplitudově závislý, pak má zesilovač nelineární charakteristiku (běžným příkladem takového obvodu je logaritmický zesilovač, u kterého zpětnovazební obvod využívá logaritmickou závislost napětí UBE na proudu IK v diodě resp. tranzistor). Zpětnou vazbu lze použít k vytvoření zdroje proudu (výstupní impedance blízká nekonečnu) nebo zdroje napětí (výstupní impedance blízká nule) a může produkovat velmi vysokou nebo velmi nízkou vstupní impedanci. Obecně lze říci, že parametr, pro který je zavedena zpětná vazba, je s její pomocí vylepšen. Pokud například pro zpětnou vazbu použijeme signál úměrný výstupnímu proudu, dostaneme dobrý zdroj proud.

Zpětná vazba může být i pozitivní; používá se např. v generátorech. Kupodivu to není tak užitečné jako negativní OS. Spíše je to spojeno s problémy, protože v obvodu se zapnutým negativním OS vysoká frekvence Mohou nastat poměrně velké fázové posuny, které vedou k pozitivní zpětné vazbě a nežádoucím vlastním oscilacím. Aby k těmto jevům došlo, není nutné aplikovat velké úsilí, ale aby zabránili nechtěným samooscilacím, uchylují se ke korekčním metodám.

Operační zesilovače

Ve většině případů se při zvažování zpětnovazebních obvodů budeme zabývat operačními zesilovači. Operační zesilovač (op-amp) je stejnosměrný diferenciální zesilovač s velmi vysokým ziskem a jednostranným vstupem. Prototypem operačního zesilovače může být klasický diferenciální zesilovač se dvěma vstupy a nesymetrickým výstupem; Je však třeba poznamenat, že skutečné operační zesilovače mají výrazně vyšší zesílení (obvykle řádově 105 - 106) a nižší výstupní impedance a také umožňují změnu výstupního signálu téměř v celém rozsahu napájecího napětí (obvykle dělené zdroje ±15 V).

Symboly "+" a "-" neznamenají, že jeden vstup musí být vždy kladnější než druhý; tyto symboly jednoduše indikují relativní fázi výstupního signálu (to je důležité, pokud obvod používá negativní zpětnou vazbu). Aby nedošlo k záměně, je lepší nazývat vstupy "invertující" a "neinvertující" spíše než "plus" a "mínus" vstupy. Schémata často neukazují připojení napájecích zdrojů k operačnímu zesilovači a pinu určenému k uzemnění. Operační zesilovače mají enormní napěťové zesílení a nikdy se (až na vzácné výjimky) nepoužívají bez zpětné vazby. Můžeme říci, že operační zesilovače jsou určeny pro práci se zpětnou vazbou. Zesílení obvodu bez zpětné vazby je tak vysoké, že v přítomnosti uzavřené zpětnovazební smyčky závisí charakteristika zesilovače pouze na zpětnovazebním obvodu. Při podrobnějším studiu by se samozřejmě mělo ukázat, že takto zobecněný závěr není vždy pravdivý. Začneme tím, že se jednoduše podíváme na to, jak operační zesilovač funguje, a pak si to podle potřeby prostudujeme podrobněji.

Průmysl vyrábí doslova stovky typů operačních zesilovačů, které mají různé výhody před sebou. Velmi se rozšířil dobré schéma typ LF411 (nebo jednoduše „411“), uvedený na trh společností National Semiconductor. Stejně jako všechny operační zesilovače je to malá jednotka umístěná v miniaturním balení s dvouřadým mini-DIP pinem. Toto schéma je levné a snadno použitelné; Průmysl vyrábí vylepšenou verzi tohoto obvodu (LF411A), stejně jako prvek umístěný v miniaturním pouzdře a obsahující dva nezávislé operační zesilovače (obvod jako LF412, který se také nazývá „duální“ operační zesilovač). Obvod LF411 doporučujeme jako dobrý výchozí bod ve vývoji elektronické obvody.

Obvod typu 411 je křemíková matrice obsahující 24 tranzistorů (21 bipolární tranzistor, 3 tranzistory s efektem pole, 11 rezistorů a 1 kondenzátor). Na Obr. Obrázek 2 ukazuje připojení ke svorkám pouzdra.

Tečka na krytu pouzdra a zářez na jeho konci slouží k označení referenčního bodu při číslování kolíků. Ve většině případů elektronických obvodů se číslování kolíků provádí proti směru hodinových ručiček ze strany krytu pouzdra. Piny „nulového nastavení“ (neboli „balance“, „adjustment“) se používají k odstranění malých asymetrií, které jsou možné v operačním zesilovači.

Důležitá pravidla

Nyní se seznámíme s nejdůležitější pravidla, které určují chování operačního zesilovače ve zpětnovazební smyčce. Platí téměř pro všechny případy života.

Za prvé, operační zesilovač má tak velké napěťové zesílení, že změna napětí mezi vstupy o několik zlomků milivoltu způsobí, že se výstupní napětí změní v celém svém rozsahu, takže neuvažujme toto malé napětí, ale formulujme pravidlo I :

I. Výstup operačního zesilovače má tendenci zajistit, aby rozdíl napětí mezi jeho vstupy byl nulový.

Za druhé, operační zesilovač spotřebovává velmi málo vstupního proudu (operační zesilovač typu LF411 spotřebovává 0,2 nA; operační zesilovač se vstupy FET spotřebovává asi pikoampů); Aniž bychom zacházeli do hlubších podrobností, formulujme pravidlo II:

II. Vstupy operačního zesilovače nespotřebovávají žádný proud.

Zde je nutné upřesnění: Pravidlo I neznamená, že operační zesilovač skutečně mění napětí na svých vstupech. To je nemožné. (To by bylo v rozporu s pravidlem II.) Operační zesilovač „odhaduje“ stav vstupů a vnější obvod OS přenáší napětí z výstupu na vstup tak, aby výsledný rozdíl napětí mezi vstupy byl nulový (pokud je to možné).

Tato pravidla poskytují dostatečný základ pro zvažování obvodů operačních zesilovačů.

Operační zesilovače používají negativní zpětnou vazbu (NFB), takže jich je několik jednoduchá pravidla, které určují chování takového zesilovače. Existují tři zjednodušující předpoklady týkající se vlastností operačního zesilovače: zisk v otevřené smyčce a vstupní impedance operačního zesilovače jsou nekonečné a výstupní impedance je nulová.

Při analýze je třeba mít na paměti, že velké napěťové zesílení operačního zesilovače vede k tomu, že změna napětí mezi vstupy o několik zlomků milivoltu způsobí změnu výstupního napětí v celém jeho rozsahu. Z toho vyplývá první pravidlo: operační zesilovač zesiluje rozdíl napětí mezi vstupy a díky vnějšímu obvodu OOS převádí napětí z výstupu na vstup tak, že rozdíl napětí mezi vstupy je prakticky stejný na nulu.

Vstupní impedance různé typy Operační zesilovače se pohybují od megaohmů po tisíce megaohmů, vstupní proudy se pohybují od zlomků nanoampérů po pikoampéry. To dává důvod formulovat druhé pravidlo: vstupy operačního zesilovače nespotřebovávají proud. Tato pravidla poskytují dostatečný základ pro analýzu obvodů operačních zesilovačů. Obvod invertujícího zesilovače pomocí operačního zesilovače je znázorněn na Obr.

Rýže. Operační zesilovač invertující zesilovač

Analýzou tohoto obvodu s ohledem na pravidla formulovaná výše lze ukázat, že když je neinvertující vstup operačního zesilovače uzemněn, napětí na invertujícím vstupu je také nulové. To znamená, že úbytek napětí na rezistoru ROC je roven UOUT a úbytek napětí na rezistoru R1 je roven UIN. Pokud jsou vstupní proudy operačního zesilovače nulové, pak UOUT / ROC = -UIN / R1, napěťový zisk KU = UOUT / UIN = -ROC / R1. Znaménko mínus znamená, že výstupní signál je invertován vzhledem ke vstupnímu signálu (posunutý o 180º).

Tento obvod je stejnosměrný zesilovač V tomto obvodu je implementována paralelní napěťová zpětná vazba, protože signál zpětné vazby není zapojen do série se vstupním signálem, ale je s ním přiváděn paralelně na stejný vstup.

Jak známo, paralelní OOS snižuje vstupní impedanci zesilovače. V obvodu je potenciál spojovacího bodu R1 a ROC vždy nulový a tento bod se nazývá „virtuální nula“ (imaginární zem). Proto je vstupní odpor obvodu RВХ = R1. Výstupní impedance obvodu je malá a rovná se zlomkům ohmu. Nevýhodou obvodu je tedy nízký vstupní odpor, zejména u zesilovačů s vysokým napěťovým zesílením, u kterých je odpor R1 zpravidla malý. Výhodou obvodu je nízká hodnota souosého napětí, téměř nulová. Skutečnost, že zisk je určen jednoduše poměrem dvou odporů, činí použití invertujícího zesilovače velmi flexibilním.

Praktické použití operačních zesilovačů má řadu funkcí. Operační zesilovač musí být v aktivním režimu, jeho vstupy a výstupy nesmí být přetěžovány. Pokud například přivedete příliš mnoho signálu na vstup zesilovače, způsobí to, že výstupní signál se změní rovna napětí saturace (obvykle je její hodnota o 2 V menší než napájecí napětí).

Obvod operačního zesilovače musí mít obvod zpětné vazby stejnosměrného proudu, jinak operační zesilovač určitě přejde do saturačního režimu. Mnoho operačních zesilovačů má poměrně malé maximální přípustné rozdílové vstupní napětí. Maximální rozdíl napětí mezi invertujícím a neinvertujícím vstupem může být omezen na 5 V pro každou polaritu napětí. Při zanedbání této podmínky vzniknou velké vstupní proudy.

V důsledku přítomnosti vstupního offsetového napětí je při nulovém napětí na vstupu výstupní napětí rovno UOUT=KUUCCM. U zesilovače se ziskem 100 a vstupním offsetovým napětím 2 mV může být výstupní offsetové napětí až ±0,2 V. K vyřešení tohoto problému je třeba použít obvody vnější korekce nula (při použití operačního zesilovače s takovými schopnostmi), vyberte operační zesilovač s nízkou hodnotou offsetu. Pokud není potřeba stejnosměrné zesílení, lze použít oddělovací kondenzátory sériový obvod přenos vstupních a výstupních signálů.

Pokud je v invertujícím zesilovači jeden ze vstupů uzemněn, pak i když perfektní nastavení(UСМ = 0), výstupní napětí zesilovače bude nenulové. Je to proto, že vstupní předpětí IB vytváří na rezistorech úbytek napětí, který je pak zesilován obvodem zesilovače. V tomto obvodu je odpor na invertující vstupní straně určován odpory R1║ROC, ale předpětí je vnímáno jako vstupní signál podobný proudu protékajícímu R1, a proto generuje výstupní předpětí UCM = ICMROC chyby způsobené vstupním předpětím, při zapnutí je použit přídavný odpor mezi neinvertujícím vstupem a společným vodičem. Hodnota tohoto odporu by se měla rovnat R2 = R1║ROС. Pro uvedený příklad R1 = 10 kOhm, ROC = 100 kOhm, R2 = 9,1 kOhm.