Операционен усилвател: схеми на свързване, принцип на работа. Усилвателна схема на операционен усилвател на неинвертиращ усилвател. Веригата на усилвателя на напрежение на постоянен ток върху операционния усилвател

Изделието ще разгледа стандартната схема на усилвателя на операционния усилвател, както и примери за различни режими на работа на това устройство. Към днешна дата нито едно устройство за управление не може да работи без използването на операционни усилватели. Това са наистина универсални устройства, които ви позволяват да изпълнявате различни функции със сигнал. За това как работи и какво ви позволява специално да направите това устройство, ще научите по-късно.

Инверторни усилватели

Цикълът на инвертиращия усилвател на ОП усилвателя е доста прост, можете да го видите в изображението. Тя се основава на операционния усилвател (неговите схеми на включване са разгледани в тази статия). Освен това тук:

1. На резистора R1 е налице спад на напрежението, в неговата стойност той е същият като входния.
2. Резисторът R2 също има спад на напрежението - това е същото като изходното напрежение .

В този случай отношението на изходното напрежение към съпротивлението R2 е равно на съотношението на входното напрежение към R1, но обратно към него от знака. Знаейки съпротивлението и напрежението, можете да изчислите печалбата. За да направите това, е необходимо да разделите изходното напрежение на входното напрежение. В същото време оперативният усилвател (неговите комутационни вериги може да има такива) може да има еднаква печалба независимо от типа.

Обратна работа

Сега трябва да анализираме по-подробно една ключова точка - работата на обратната връзка. Да предположим, че има някакво напрежение на входа. За простота на изчисленията ние приемаме стойността му равна на 1 V. Да приемем също, че R1 = 10 kΩ, R2 = 100 kOhm.

И сега предположим, че е възникнала непредвидена ситуация, поради която напрежението е било зададено на изхода на каскадата на 0 V. След това виждаме една интересна картина: два съпротивления започват да работят по двойки, заедно създават делител на напрежението. На изхода на инвертиращата каскада, тя се поддържа на ниво от 0.91 V. В този случай, оп-усилвател дава възможност да се определи грешката на входовете, и на изхода има намаляване на напрежението. Следователно, много е лесно да се проектира схема на операционните усилватели, която изпълнява функцията на усилвател на сигнала например от датчик.

И тази промяна ще продължи до едно и също време, докато на изхода не бъде установена стабилна стойност от 10 V. В този момент потенциала на входовете на операционния усилвател ще бъде равен. И те ще бъдат същите като потенциала на земята. От друга страна, ако напрежението продължава да намалява на изхода на устройството и ще бъде по-малко от -10 V, потенциалът на входа ще бъде по-нисък от този на земята. В резултат на това напрежението започва да се увеличава на изхода.

Такава схема има голям недостатък - входният импеданс е много малък, особено за усилватели с голяма стойност на усилването на напрежението, в случай че затворената обратна връзка е затворена. И структурата, разгледана по-нататък, е лишена от всички тези недостатъци.

Неинвертиращ усилвател

Фигурата показва схемата на неинвертиращия усилвател на операционния усилвател. След като го анализираме, можем да направим няколко извода:

1. Стойността на напрежението UA е равна на входното напрежение.
2. Напрежението UA, което е равно на съотношението на продукта на изходното напрежение и R1 към сумата от съпротивленията R1 и R2, се отстранява от делителя.
3. В случай, когато UA е равна на стойността на входното напрежение, усилването е равно на съотношението на изходното напрежение към входното напрежение (или е възможно да се добави единство към съотношението на съпротивлението R2 и R1).

Този дизайн се нарича неинвертиращ усилвател, той има почти безкраен импеданс на входа. Например, за операционните усилватели на серията 411 стойността му е 1012 Ohm, минималната. И за операционни усилватели на биполярни полупроводникови транзистори, като правило, повече от 108 Ohm. Но изходния импеданс на каскадата, както и в предишната схема, е много малък - част от ома. И това трябва да се има предвид при изчисляване на веригите на операционните усилватели.

Асистентна верига AC

И двете схеми, разгледани в статията по-рано работят върху постоянен ток. Но ако променлив ток действа като връзка между източника на входен сигнал и усилвателя , ще е необходимо да се осигури земя за тока на входа на устройството. И трябва да обърнете внимание на факта, че текущата стойност е изключително малка в мащаб.

В случай, че възникне усилване на AC сигнали, е необходимо да се намали усилването на сигнала постоянно към единство. Това важи особено за случаите, когато напрежението е много високо. Поради това е възможно значително да се намали ефекта от напрежението при срязване, което се прилага върху входа на устройството.

Вторият пример на схема за работа с променливо напрежение

В тази схема, на ниво от -3 dB, можете да видите съответстваща честота от 17 Hz. Той има импеданс на кондензатора от 2 килограма. Ето защо кондензаторът трябва да е достатъчно голям.

За да се изгради усилвател за променлив ток, е необходимо да се използва неинвертиращ тип схема на операционните усилватели. И тя трябва да има достатъчно голям напрежение печалба. Но кондензаторът може да е твърде голям, така че е най-добре да спрете да го използвате. Вярно е, че е необходимо правилно да се избере напрежението при срязване, като се приравнява към нула. И вие можете да приложите T-образен делител и увеличаване на съпротивленията на двата резистори във веригата.

Коя схема е за предпочитане да се използва

Повечето разработчици предпочитат неинвертиращите усилватели, тъй като те имат много висок импеданс на входа. Пренебрегваните схеми за пренебрегване на обратен тип. Но последното има огромно предимство - това не е взискателно към самия оперативен усилвател, който е "сърцето" му.

В допълнение, характеристиките, в действителност, е много по-добре. И с помощта на въображаемо заземяване можете да комбинирате всички сигнали без специално усилие и те няма да окажат влияние един на друг. Той може да се използва при проектирането и веригата на усилвателя на постоянен ток на операционния усилвател. Всичко зависи от нуждите.

И последното нещо е така, ако цялата схема, разгледана тук, е свързана със стабилната мощност на друг операционен усилвател. В този случай стойността на импеданса на входа не играе важна роля - най-малко 1 kOhm, най-малко 10, макар и безкрайност. В този случай, първият етап винаги изпълнява своята функция по отношение на следващия.

Повтаряща се верига

Повторителят работи на операционен усилвател, подобен на емитер, изграден върху биполярен транзистор. И изпълнява подобни функции. Всъщност това е неинвертиращ усилвател, при който съпротивлението на първия резистор е безкрайно голямо, докато вторият резистор е нулев. Печалбата е единство.

Има специални видове операционни усилватели, които се използват в технологията само за ретранслатори. Те имат много по-добри характеристики - като правило това е висока скорост. Като пример можем да споменем такива операционни усилватели като OPA633, LM310, TL068. Последният има тяло, като транзистор, както и три терминала. Много често подобни усилватели се наричат просто буфери. Факт е, че те имат свойствата на изолатор (много висок импеданс на входа и изключително ниска мощност). Приблизително по този принцип е изградена схемата на токовия усилвател на операционния усилвател.

Активен режим на работа

Всъщност това е режим на работа, при който изходите и входовете на операционния усилвател не са претоварени. Ако един много голям сигнал се прилага на входа на веригата, а след това на изхода тя просто ще започне да се намали в зависимост от нивото на напрежение на колектора или емитер. Но когато изходното напрежение е фиксирано на пределно ниво - на входовете на усилвателя, напрежението не се променя. В този случай диапазонът не може да бъде по-голям от захранващото напрежение на стъпката на усилвателя.

Повечето от схемите на операционните усилватели се изчисляват по такъв начин, че този диапазон да е по-малък от захранващото напрежение с 2 V. Но всичко зависи от това коя конкретна усилвателна верига се използва на операционния усилвател. Съществува ограничение за стабилността на източник на ток, основаващ се на операционен усилвател.

Да предположим, че има спад на напрежението в източник с плаващ товар. Ако токът има нормална посока на движение, на пръв поглед можете да срещнете странен товар. Например няколко реполяризирани батерии. Такъв дизайн може да се използва за получаване на директен ток на зареждане.

Някои предпазни мерки

Един прост усилвател на напрежението на операционния усилвател (схемата може да бъде избрана всяка) може да бъде направена буквално "на коляното". Но трябва да вземете под внимание някои функции. Необходимо е да се уверите, че обратната връзка в схемата е отрицателна. Това също означава, че е неприемливо да объркате неинвертиращите и обръщащи входове на усилвателя. Освен това трябва да има линия за обратна връзка за постоянен ток. В противен случай операционният усилвател бързо ще превключи към режим на насищане.

При повечето операционни усилватели входното диференциално напрежение е много малко. В този случай максималната разлика между неинвертиращите и инвертиращите входове може да бъде ограничена до стойност от 5 V за всяка връзка източник на енергия. Ако това условие бъде пренебрегнато, на входа се появяват големи стойности на токове, което ще доведе до влошаване на всички характеристики на веригата.

Най-ужасното нещо в това е физическото унищожаване на самия оперативен усилвател. В резултат на това веригата на усилвателя на операционния усилвател престава да работи напълно.

Имайте в предвид,

И, разбира се, трябва да говорим за правила, които си заслужават да бъдат наблюдавани, за да се осигури стабилна и трайна работа на операционния усилвател.

Най-важното е, че усилвателят има много високо напрежение печалба. И ако напрежението между входовете се променя на част от миливолта, изходът може да се промени значително на изхода. Ето защо е важно да знаете: в операционния усилвател, изходът се опитва да се стреми да осигури, че между входовете разликата в напрежението е близка (в идеалния случай равна) до нула.

Второто правило е, че текущото потребление от операционния усилвател е изключително малко, буквално наноампери. Ако входовете са транзистори с полеви ефект, то се изчислява от picoamperes. Оттук може да се заключи, че входовете не консумират ток, без значение какъв операционен усилвател се използва, веригата - принципът на работа остава същият.

Но не мисля, че Op-Amps наистина постоянно променя входовете на входовете. Физически това е почти невъзможно, тъй като няма да има съответствие с второто правило. Поради операционния усилвател се оценява състоянието на всички входове. С помощта на схемата на обратната външна връзка напрежението се прехвърля на входа от изхода. Резултатът е, че между входовете на операционния усилвател разликата в напрежението е на нулево ниво.

Концепцията за обратна връзка

Това е обща идея и вече се прилага в широк смисъл във всички области на технологиите. Във всяка система за управление има обратна връзка, която сравнява изходния сигнал и зададената стойност (референция). В зависимост от това коя стойност е актуална - има корекция в правилната посока. Системата за управление може да бъде всичко, дори и кола, която пътува по пътя.

Водачът натиска спирачките, а обратната връзка тук е началото на забавянето. По аналогия с такъв прост пример можете по-добре да разберете обратната връзка в електронните схеми. И отрицателната обратна връзка е, ако автомобилът ускори, когато спирачният педал е натиснат.

В електрониката обратната връзка е процесът, през който сигналът се предава от входа към входа. В този случай сигналът на входа също се анулира. От една страна, това не е много разумна идея, защото може да изглежда отстрани, че коефициентът на печалба ще намалее значително. Подобна обратна връзка, между другото, беше получена от основателите на развитието на обратната връзка в електрониката. Но е добре да разгледаме по-подробно нейния ефект върху операционните усилватели - практически схеми, които трябва да се вземат под внимание. И става ясно, че действително малко намалява печалбата, но ни позволява леко да подобрим другите параметри:

1. Изглаждайте честотните характеристики (ги отвежда до необходимите).
2. Позволява ви да предскажете поведението на усилвателя.
3. Тя може да премахне нелинейността и изкривяването на сигнала.

Колкото по-дълбоко е обратната връзка (става дума за отрицателната), толкова по-малко влияние оказва върху усилвателя на характеристиката с отворената операционна система. Резултатът - всички негови параметри зависят само от качествата на веригата.

Трябва да се отбележи, че всички операционни усилватели работят в режим с много дълбока обратна връзка. Коефициентът на усилване на напрежението (с отворен цикъл) може да достигне дори няколко милиона. Следователно веригата усилвател на операционния усилвател е изключително взискателна за спазване на всички параметри за захранване и нивото на входния сигнал.