Operačný zosilňovač? Je to veľmi jednoduché! Operačný zosilňovač neinvertujúci zosilňovač. Princíp činnosti

Pekný deň všetkým. V minulom článku som hovoril o výžive. V tomto článku budem hovoriť o použití Operačný zosilňovač v lineárnych obvodoch.

Napäťový sledovač

Prvým obvodom, o ktorom budem hovoriť, je obvod zosilňovača unity gain (zosilňovač jednoty) ​​alebo tzv. Obvod tohto zosilňovača je uvedený nižšie.

Zosilňovač zosilnenia Unity (napäťový sledovač).

Tento obvod je modifikáciou, rozdiel je v tom, že na invertujúcom vstupe nie je spätnoväzbový odpor a odpor. Napätie z výstupu operačného zosilňovača je teda úplne privedené na invertujúci vstup operačného zosilňovača, a preto sa koeficient spätného prenosu rovná jednej (β = 1).

Ako je známe, vstupná impedancia Spätnoväzbový operačný zosilňovač je definovaný nasledujúcim výrazom

• kde R BX je vstupná impedancia OS bez OS,

Potom pre sledovač napätia bude vstupný odpor vyzerať

Výstupná impedancia spätnoväzbového operačného zosilňovača je nasledujúci výraz

• kde R BYX je vstupná impedancia OS bez OS,
• β je koeficient prenosu obvodu OS,
• K je zisk OS bez OS.

Pretože sledovač napätia má koeficient spätnoväzbového prenosu rovný jednej (β = 1), výstupný odpor bude mať nasledujúci tvar

Príklad výpočtu parametrov sledovača napätia

Vypočítajme napríklad napäťový sledovač na operačnom zosilňovači, ktorý má pri požadovanej frekvencii zisk K U = 80 (38 dB), vstupná impedancia R BX = 500 kOhm, výstupná impedancia R BYX = 300 Ohm.

Vstupná impedancia sledovača napätia bude

Výstupná impedancia sledovača napätia bude

Nevýhody najjednoduchšieho obvodu sledovača napätia

Vzhľadom na to, že zosilnenie operačného zosilňovača s otvoreným obvodom OS sa mení s frekvenciou (so zvyšujúcou sa frekvenciou sa zosilnenie znižuje), takže vstupný a výstupný odpor závisí aj od frekvencie (so zvyšujúcou sa frekvenciou vstupný odpor klesá, resp. výstupný odpor sa zvyšuje).

Ak má vstupný signál dostatočne veľkú jednosmernú zložku a výrazné kolísanie amplitúdy, môže nastať situácia, kedy bude prekročená hranica vstupných napätí spoločného režimu. Aby sme tento problém odstránili, musí byť na neinvertujúci vstup privedený signál cez oddeľovací kondenzátor a medzi neinvertujúci vstup a zem musí byť zapojený odpor, avšak tento odpor ovplyvní vstupný odpor opakovača.

Ďalším spôsobom, ako zlepšiť parametre napäťového sledovača, ktorý odporúčajú výrobcovia operačných zosilňovačov, je zahrnúť odpory s rovnakým odporom do obvodu OS a medzi neinvertujúci vstup a „zem“. V tomto prípade bude zisk operačného zosilňovača tiež rovný jednote, ale vstupný a výstupný odpor bude závisieť od externých odporov a nie od parametrov operačného zosilňovača.

Najúčinnejším spôsobom, ako zlepšiť parametre jedného zosilňovača, je obvod, v ktorom po obvode sledovača napätia zapnite výkonový zosilňovač, ktorý poskytuje veľký výstupný prúd. V tomto prípade bude zosilnenie napätia približne jedna a spätnoväzbový prúd je určený charakteristikou výkonového zosilňovača (vstupný a výstupný odpor sa vynásobí zosilneniami oboch zosilňovačov).

Neinvertujúci zosilňovač

Po analýze napäťového sledovača, ktorý je v skutočnosti neinvertujúci zosilňovač so ziskom rovným jednotke, prejdime k uvažovaniu o neinvertujúcom obvode zosilňovača s ľubovoľným ziskom. Tento typ zosilňovača sa vyznačuje tým, že má vysokú vstupnú a nízku výstupnú impedanciu, obvod zosilňovača je znázornený nižšie.

Schematický diagram neinvertujúceho zosilňovača.

Tento obvod je jedným zo štandardných obvodov na zapínanie operačných zosilňovačov a obsahuje operačný zosilňovač DA1, predpäťový rezistor R1 a spätnoväzbový odpor R2. Operačný zosilňovač v tomto obvode je krytý sériovou napäťovou spätnou väzbou, zosilnenie spätnoväzbového obvodu bude

Potom bude vstupná impedancia neinvertujúceho zosilňovača

R BX.OU - vstupná impedancia OS s otvoreným obvodom OS,

TO OU - koeficient zosilnenia operačného zosilňovača s otvoreným obvodom OS.

Výstupnú impedanciu neinvertujúceho zosilňovača možno vypočítať z nasledujúceho výrazu

R OUTPUT - výstupná impedancia OU s otvoreným obvodom OS.

Zosilnenie neinvertujúceho zosilňovača

Tento typ zosilňovača má určitú úroveň vstupného offsetového napätia UCM, takže tento obvod možno použiť tam, kde úroveň vstupného offsetového napätia nemá významný vplyv. Úroveň predpätia na vstupe bude

Príklad výpočtu neinvertujúceho zosilňovača

Vypočítame neinvertujúci zosilňovač, ktorý by mal poskytnúť zisk K = 10. Ako operačný zosilňovač použijeme K157UD2, ktorý má tieto parametre: zisk (pri frekvencii 1 kHz) K = 1800 (65 dB) , vstupná impedancia R BX.OU = 500 kOhm, výstupný odpor R OUT.OU = 300 Ω, predpätie U CM = 10 mV, vstupný prúd I IN ≤ 500 nA. Vstupný signál má úroveň U IN = 40 mV.

Neinvertujúca sčítačka

V pokračovaní témy neinvertujúcich zosilňovačov budem hovoriť o neinvertujúcej sčítačke, ktorá plní funkciu sčítania vstupných signálov a nachádza uplatnenie ako lineárne zmiešavače signálov (zmiešavače), napríklad keď je potrebné kombinovať signály z viacerých zdrojov. a privádza sa na vstup výkonového zosilňovača. Obvod neinvertujúcej sčítačky je znázornený nižšie.

Tento obvod je dvojvstupový neinvertujúci zosilňovač a pozostáva z operačného zosilňovača DA1, vstupných odporov R1 a R2 obmedzujúcich prúd, predpätia R3 a spätnoväzbového odporu R4.

Pre tento obvod základné vzťahy zodpovedajú obvodu jednoduchého neinvertujúceho zosilňovača, berúc do úvahy skutočnosť, že vstupné napätie v obvode zodpovedá priemernému napätiu vstupných svoriek

A odpor rezistorov musí spĺňať nasledujúcu podmienku

Zisky pre rôzne kanály sú určené nasledujúcim výrazom

RN je odpor vstupného odporu,

KN je zisk zodpovedajúceho zosilňovacieho kanála.

Hlavnou nevýhodou neinvertujúceho sčítacieho obvodu je nedostatok nulového potenciálneho bodu, takže zisk na rôznych vstupoch nie je nezávislý. Táto nevýhoda sa prejavuje v prípadoch, keď je vnútorný odpor zdrojov vstupného napätia alebo len jedného z nich približne známy alebo sa počas prevádzky mení.

Teória je dobrá, ale teória bez praxe len trasie vzduchom.

Cesta dlhá desaťtisíc míľ začína prvým krokom.
(čínske príslovie)

Bol večer, nedalo sa nič robiť... A tak som zrazu chcel niečo prispájkovať. Niečo ako... Elektronické!... Spájka - tak pájka. Počítač je k dispozícii, internet je pripojený. Vyberáme schému. A zrazu sa ukáže, že schémy pre koncipovaný predmet sú vagón a malý vozík. A každý je iný. Žiadne skúsenosti, málo vedomostí. Ktorý si vybrať? Niektoré z nich obsahujú akési obdĺžniky, trojuholníky. Zosilňovače, a dokonca aj prevádzkové ... Ako fungujú, nie je jasné. Stra-a-ashno! .. Čo ak zhorí? Vyberáme to, čo je jednoduchšie, na známych tranzistoroch! Vybrať, zaspájkovať, zapnúť ... POMOC !!! Nefunguje!!! prečo?

Áno, pretože „Jednoduchosť je horšia ako krádež“! Je to ako počítač: najrýchlejší a najsofistikovanejší - hranie! A na kancelársku prácu stačí to najjednoduchšie. Rovnako je to aj s tranzistormi. Spájkovať na nich obvod nestačí. Stále musíte vedieť, ako to nastaviť. Príliš veľa "nástrah" a "hrabanie". A to si často vyžaduje skúsenosti, ktoré v žiadnom prípade nie sú vstupnou úrovňou. Tak čo, ukončiť vzrušujúcu aktivitu? V žiadnom prípade! Len sa týchto „trojuholníkov-obdĺžnikov“ nebojte. Ukazuje sa, že v mnohých prípadoch je s nimi oveľa jednoduchšie pracovať ako s jednotlivými tranzistormi. AK VIETE - AKO!

Tu je: pochopenie toho, ako to funguje operačný zosilňovač(OU, alebo v angličtine OpAmp) teraz urobíme. Zároveň budeme jeho prácu považovať doslova „na prstoch“, prakticky bez použitia akýchkoľvek vzorcov, snáď s výnimkou zákona Ohmovho starého otca: „Prúd cez obvodovú časť ( ja) je priamo úmerná napätiu na ňom ( U) a nepriamo úmerné jeho odporu ( R)»:
I=U/R. (1)

Na začiatok v zásade nie je také dôležité, ako presne je operačný zosilňovač vo vnútri usporiadaný. Vezmime si len predpoklad, že ide o „čiernu skrinku“ s nejakou plnkou. V tejto fáze nebudeme brať do úvahy také parametre operačného zosilňovača ako „biasové napätie“, „posunové napätie“, „teplotný posun“, „šumová charakteristika“, „koeficient potlačenia bežného režimu“, „koeficient potlačenia zvlnenia napájacieho napätia "", "šírka pásma" atď. Všetky tieto parametre budú dôležité v ďalšej fáze jeho štúdia, keď sa základné princípy jeho práce „usadia“ v hlave, pretože „bolo to hladké na papieri, ale zabudlo sa na rokliny“ ...

Zatiaľ len predpokladajme, že parametre operačného zosilňovača sú blízko ideálu a zvážme len to, aký signál bude na jeho výstupe, ak sa nejaké signály privedú na jeho vstupy.

Operačný zosilňovač (operačný zosilňovač) je teda diferenciálny zosilňovač priamy prúd s dvoma vstupmi (invertujúci a neinvertujúci) a jedným výstupom. Okrem nich má operačný zosilňovač napájacie vodiče: kladné a záporné. Týchto päť záverov sa nachádza v takmer akéhokoľvek OS a sú zásadne nevyhnutné pre jeho fungovanie.

Operačný zosilňovač má obrovský zisk, najmenej 50 000 ... 100 000, ale v skutočnosti - oveľa viac. Preto ako prvé priblíženie môžeme dokonca predpokladať, že sa rovná nekonečnu.

Pojem "diferenciálny" ("different" je preložený z angličtiny ako "difference", "difference", "difference") znamená, že výstupný potenciál operačného zosilňovača je ovplyvnený výlučne potenciálnym rozdielom medzi jeho vstupmi, bez ohľadu na to od nich absolútne význam a polarita.

Termín "DC" znamená, že operačný zosilňovač zosilňuje vstupné signály od 0 Hz. Horný frekvenčný rozsah ( frekvenčný rozsah) signálov zosilňovaných operačným zosilňovačom závisí od mnohých faktorov, ako sú frekvenčné charakteristiky tranzistorov, z ktorých pozostáva, zisk obvodu zostaveného pomocou operačného zosilňovača atď. Ale táto problematika už presahuje rámec prvotného oboznámenia sa s jeho prácou a nebude sa tu zaoberať.

Vstupy operačného zosilňovača majú veľmi vysokú vstupnú impedanciu rovnajúcu sa desiatkam/stovkám MegaOhm, či dokonca GigaOhm (a to len v pamätnom K140UD1 a aj v K140UD5 to bolo len 30...50 kOhm). Takáto vysoká impedancia vstupov znamená, že nemajú takmer žiadny vplyv na vstupný signál.

Preto s vysokou mierou priblíženia sa teoretickému ideálu môžeme predpokladať, že prúd netečie do vstupov operačného zosilňovača . toto - najprv dôležité pravidlo, ktoré platí pri analýze práca s OS. Dobre si zapamätajte, čoho sa to týka iba samotný OÚ, ale nie schém s jeho používaním!

Čo znamenajú pojmy „invertujúci“ a „neinvertujúci“? Vo vzťahu k čomu je určená inverzia a vo všeobecnosti, aký druh „zviera“ je to - inverzia signálu?

V preklade z latinčiny je jedným z významov slova „inversio“ „balenie“, „prevrat“. Inými slovami, inverzia je zrkadlový obraz ( zrkadlenie) signál vzhľadom na vodorovnú os X(časová os). Na obr. 1 ukazuje niekoľko z mnohých možnosti inverzia signálu, kde priamy (vstupný) signál je označený červenou farbou a invertovaný (výstupný) signál je označený modrou farbou.

Ryža. 1 Koncept inverzie signálu

Zvlášť treba poznamenať, že k nulovej čiare (ako na obr. 1, A, B) je inverzia signálu neviazaný! Signály môžu byť inverzné a asymetrické. Napríklad obe sú len v oblasti kladných hodnôt (obr. 1, B), čo je typické pre digitálne signály alebo s unipolárnym napájaním (o tom bude reč neskôr), alebo sú obe čiastočne v kladných a čiastočne v negatívnych oblastiach (obr. 1, B, D). Možné sú aj iné možnosti. Hlavnou podmienkou je ich vzájomné zrkadlovosť vzhľadom na nejakú ľubovoľne zvolenú úroveň (napríklad umelý stred, o ktorom bude tiež reč neskôr). Inými slovami, polarita signál tiež nie je určujúcim faktorom.

Znázornite OU na schémach zapojenia rôznymi spôsobmi. V zahraničí boli OS skôr zobrazované a aj teraz sú veľmi často zobrazované vo forme rovnoramenného trojuholníka (obr. 2, A). Invertujúci vstup je označený symbolom mínus a neinvertujúci vstup je označený symbolom plus vo vnútri trojuholníka. Tieto symboly vôbec neznamenajú, že potenciál na príslušných vstupoch musí byť kladnejší alebo zápornejší ako na druhom. Jednoducho naznačujú, ako výstupný potenciál reaguje na potenciály aplikované na vstupy. Vďaka tomu sa dajú ľahko pomýliť s napájacími káblami, čo môže byť najmä pre začiatočníkov nečakané „hrabanie“.

Ryža. 2 varianty podmienených grafických obrázkov (UGO)
operačných zosilňovačov

V systéme domácich podmienených grafických obrázkov (UGO) pred nadobudnutím platnosti GOST 2.759-82 (ST SEV 3336-81) boli OU zobrazené aj ako trojuholník, iba invertujúci vstup - so symbolom inverzie - kruh pri priesečník výstupu s trojuholníkom (obr. 2, B), a teraz - vo forme obdĺžnika (obr. 2, C).

Pri označovaní operačného zosilňovača na diagramoch je možné zameniť invertujúci a neinvertujúci vstup, ak je to pohodlnejšie, avšak tradične je invertujúci vstup zobrazený hore a neinvertujúci vstup dole. Elektrické zásuvky majú spravidla vždy jediná cesta(hore kladný, dole záporný).

Operačné zosilňovače sa takmer vždy používajú v obvodoch s negatívnou spätnou väzbou (NFB).

Spätná väzba je účinok aplikácie časti výstupného napätia zosilňovača na jeho vstup, kde sa algebraicky (podlieha znamienka) pripočítava k vstupnému napätiu. Princíp sčítania signálov bude diskutovaný nižšie. Podľa toho, ktorý vstup operačného zosilňovača, invertujúci alebo neinvertujúci, je OS napájaný, vzniká negatívna spätná väzba (NFB), kedy je časť výstupného signálu privedená na invertujúci vstup (obr. 3, A) resp. kladná spätná väzba (PIC), keď je časť výstupného signálu privádzaná na neinvertujúci vstup (obr. 3, B).

Ryža. 3 Princíp tvorby spätnej väzby (OS)

V prvom prípade, keďže výstup je inverzný k vstupu, je odčítaný od vstupu. V dôsledku toho sa znižuje celkový zisk etapy. V druhom prípade sa pridá k vstupu, celkový zisk kaskády sa zvýši.

Na prvý pohľad sa môže zdať, že POS má pozitívny efekt a OOS je úplne zbytočný podnik: prečo znižovať zisk? Presne toto si mysleli americkí patentoví prieskumníci, keď v roku 1928 Harold S. Black vyskúšal patentovať OS. Obetovaním zosilnenia však výrazne zlepšujeme ďalšie dôležité parametre obvodu, ako je jeho linearita, frekvenčný rozsah atď. Čím hlbšie je FOS, tým menej závisí charakteristika celého obvodu od charakteristiky operačného zosilňovača.

Ale POS (vzhľadom na jeho vlastný obrovský zisk operačného zosilňovača) má opačný vplyv na charakteristiky obvodu a najnepríjemnejšie je, že spôsobuje jeho samobudenie. Používa sa, samozrejme, aj vedome, napríklad v generátoroch, komparátoroch s hysterézou (o tom neskôr) atď., ale v r. všeobecný pohľad jeho vplyv na činnosť zosilňovacích obvodov s operačnými zosilňovačmi je skôr negatívny a vyžaduje si veľmi dôkladnú a rozumnú analýzu jeho aplikácie.

Keďže OS má dva vstupy, sú možné tieto hlavné typy jeho zahrnutia pomocou OS (obr. 4):

Ryža. 4 Základné schémy zapínania OS

A) invertujúci (obr. 4, A) - signál je privedený na invertujúci vstup a neinvertujúci je pripojený priamo k referenčnému potenciálu (nepoužíva sa);

b) neinvertujúci (obr. 4, B) - signál je privedený na neinvertujúci vstup a invertujúci je pripojený priamo k referenčnému potenciálu (nepoužíva sa);

V) diferenciál (obr. 4, B) - signály sú privádzané na oba vstupy, invertujúci aj neinvertujúci.

Pri analýze fungovania týchto schém je potrebné vziať do úvahy druhý najdôležitejšie pravidlo, ktorému podlieha prevádzka OS: Výstup operačného zosilňovača má tendenciu mať nulový rozdiel napätia medzi jeho vstupmi..

Akékoľvek znenie však musí byť potrebné a dostatočné obmedziť celú podmnožinu prípadov, ktoré sa jej riadia. Uvedená formulácia pri všetkej svojej „klasickosti“ nedáva žiadnu informáciu o tom, ktorý zo vstupov sa výstup „snaží ovplyvniť“. Na základe toho sa ukazuje, že operačný zosilňovač zrejme vyrovnáva napätia na svojich vstupoch a privádza na ne napätie odniekiaľ „zvnútra“.

Pri bližšom pohľade na diagramy na obr. 4, môžete vidieť, že OOC (cez Rooc) sa vo všetkých prípadoch spúšťa z východu iba na invertujúci vstup, čo nám dáva dôvod preformulovať toto pravidlo takto: Napätie zapnuté výstup operačného zosilňovača pokrytý OOS má tendenciu zabezpečiť, aby sa potenciál na invertujúcom vstupe rovnal potenciálu na neinvertujúcom vstupe.

Na základe tejto definície je „vedúcim“ pri akomkoľvek zahrnutí OA s OOS neinvertujúci vstup a „podriadený“ je invertujúci.

Pri popise činnosti operačného zosilňovača sa potenciál na jeho invertujúcom vstupe často označuje ako „virtuálna nula“ alebo „virtuálny stredný bod“. Preklad latinského slova „virtus“ znamená „imaginárny“, „imaginárny“. Virtuálny objekt sa správa podobne ako podobné objekty materiálnej reality, t.j. pre vstupné signály (v dôsledku pôsobenia FOS) možno invertujúci vstup považovať za pripojený priamo na rovnaký potenciál ako neinvertujúci vstup. Avšak "virtuálna nula" je len špeciálny prípad, ktorý sa odohráva iba s bipolárnym napájaním operačného zosilňovača. Pri použití unipolárneho napájacieho zdroja (o ktorom sa bude diskutovať nižšie) a v mnohých iných spínacích obvodoch nebude žiadna nula ani na neinvertujúcich, ani na invertujúcich vstupoch. Dohodnime sa preto, že tento výraz nebudeme používať, keďže narúša prvotné pochopenie princípov fungovania OS.

Z tohto hľadiska budeme analyzovať schémy znázornené na obr. 4. Zároveň, pre zjednodušenie analýzy, budeme predpokladať, že napájacie napätia sú stále bipolárne, navzájom rovnaké v hodnote (povedzme ± 15 V), so stredným bodom (spoločná zbernica alebo „zem“), relatívnym do ktorého budeme počítať vstupné a výstupné napätie. Okrem toho bude analýza vykonaná v jednosmernom prúde, pretože. meniaci sa striedavý signál v každom časovom okamihu môže byť tiež reprezentovaný ako vzorka hodnôt jednosmerného prúdu. Vo všetkých prípadoch je spätná väzba cez Rooc pripojená z výstupu operačného zosilňovača na jeho invertujúci vstup. Rozdiel je len v tom, na ktorý zo vstupov je privedené vstupné napätie.

A) invertujúci zapnutí (obr. 5).

Ryža. 5 Princíp činnosti operačného zosilňovača v invertujúcom zapojení

Potenciál na neinvertujúcom vstupe je nulový, pretože je pripojený k stredovému bodu ("zem"). Vstupný signál rovný +1 V vzhľadom na stred (z GB) sa privádza na ľavú svorku vstupného odporu Rin. Predpokladajme, že odpory Rooc a Rin sú si navzájom rovné a majú hodnotu 1 kOhm (ich celkový odpor je 2 kOhm).

Podľa pravidla 2 musí mať invertujúci vstup rovnaký potenciál ako vynulovaný neinvertujúci, teda 0 V. Preto je na Rin privedené napätie +1 V. Podľa Ohmovho zákona ním bude tiecť prúd. javstup= 1 V / 1000 ohmov = 0,001 A (1 mA). Smer toku tohto prúdu je znázornený šípkou.

Keďže Rooc a Rin sú prepojené deličom a podľa pravidla 1, vstupy operačného zosilňovača nespotrebúvajú prúd, aby bolo napätie v strede tohto deliča 0 V, musí byť naň privedené napätie. správny výstup Rooc mínus 1 V a prúd, ktorý ním preteká jaoos by sa tiež mala rovnať 1 mA. Inými slovami, medzi ľavú svorku Rin a pravú svorku Rooc je privedené napätie 2 V a prúd pretekajúci týmto deličom je 1 mA (2 V / (1 kΩ + 1 kΩ) = 1 mA), t.j. ja vstup = ja oos .

Ak je na vstup privedené napätie so zápornou polaritou, výstupom operačného zosilňovača bude napätie s kladnou polaritou. Všetko je rovnaké, len šípky ukazujúce tok prúdu cez Rooc a Rin budú smerovať opačným smerom.

Ak sú teda hodnoty Rooc a Rin rovnaké, napätie na výstupe operačného zosilňovača sa bude rovnať napätiu na jeho vstupe, pokiaľ ide o veľkosť, ale s inverznou polaritou. A dostali sme invertujúci opakovač . Táto schéma sa často používa, ak potrebujete invertovať signál prijatý pomocou obvodov, ktoré sú v podstate invertormi. Napríklad logaritmické zosilňovače.

Teraz ponechajme Rin rovný 1 kOhm a zväčšíme odpor Rooc na 2 kOhm s rovnakým vstupným signálom +1 V. Celkový odpor deliča Rooc+Rin sa zvýšil na 3 kOhm. Aby potenciál 0 V (rovnajúci sa potenciálu neinvertujúceho vstupu) zostal vo svojom strede, musí cez Rooc tiecť rovnaký prúd (1 mA) ako cez Rin. Preto by mal byť úbytok napätia na Rooc (napätie na výstupe operačného zosilňovača) už 2 V. Na výstupe operačného zosilňovača je napätie mínus 2 V.

Zvýšme hodnotu Rooc na 10 kOhm. Teraz bude napätie na výstupe operačného zosilňovača za rovnakých podmienok už 10 V. Páni! Nakoniec sme sa dočkali invertujúci zosilňovač ! Jeho výstupné napätie viac ako vstup (inými slovami, zisk Ku), koľkokrát je odpor Rooc väčší ako odpor Rin. Bez ohľadu na to, ako som prisahal, že nebudem používať vzorce, stále to zobrazme ako rovnicu:
Ku \u003d - Uout / Uin \u003d - Rooc / Rin. (2)

Znamienko mínus pred zlomkom na pravej strane rovnice znamená len to, že výstupný signál je inverzný vzhľadom na vstup. A nič viac!

A teraz zvýšime odpor Rooc na 20 kOhm a analyzujeme, čo sa stane. Podľa vzorca (2), s Ku \u003d 20 a vstupným signálom 1 V, malo byť na výstupe napätie 20 V. Ale nebolo tam! Predtým sme predpokladali, že napájacie napätie nášho operačného zosilňovača je len ± 15 V. Ale ani 15 V sa nedá získať (prečo - trochu nižšie). "Nemôžeš skákať nad hlavou (napájacie napätie)"! V dôsledku takéhoto zneužitia menovitých hodnôt obvodu výstupné napätie operačného zosilňovača „spočíva“ na napájacom napätí (výstup operačného zosilňovača sa dostáva do saturácie). Rovnováha súčasnej rovnosti prostredníctvom rozdeľovača RoocRin ( javstup = jaoos) je narušený, na invertujúcom vstupe sa objaví potenciál, ktorý je odlišný od potenciálu na neinvertujúcom vstupe. Pravidlo 2 už neplatí.

vstup odpor invertujúci zosilňovač sa rovná odporu Rin, pretože ním preteká všetok prúd zo zdroja vstupného signálu (GB).

Teraz nahraďme konštantu Rooc premennou, s nominálnou hodnotou povedzme 10 kOhm (obr. 6).

Ryža. 6 Obvod invertujúceho zosilňovača s premenlivým ziskom

Pri pravej (podľa obvodu) polohe jeho posúvača bude zosilnenie Rooc / Rin = 10 kOhm / 1 kOhm = 10. Posunutím posúvača Rooc doľava (znížením jeho odporu) bude zosilnenie obvodu zmenšiť a nakoniec sa vo svojej krajnej ľavej polohe bude rovnať nule, pretože čitateľ vo vyššie uvedenom vzorci sa stane nulou akýkoľvek hodnota menovateľa. Výstup bude tiež nulový pre akúkoľvek hodnotu a polaritu vstupného signálu. Takáto schéma sa často používa v obvodoch na zosilnenie zvuku, napríklad v mixéroch, kde musíte nastaviť zisk od nuly.

B) neinvertujúci zapnutí (obr. 7).

Ryža. 7 Princíp činnosti operačného zosilňovača v neinvertujúcej inklúzii

Ľavý kolík Rin je pripojený k stredu („zem“) a vstupný signál rovný +1 V sa privádza priamo na neinvertujúci vstup. Keďže nuansy analýzy sú „žuvané“ vyššie, budeme venovať pozornosť iba významným rozdielom.

V prvej fáze analýzy tiež vezmeme odpory Rooc a Rin navzájom rovnaké a rovné 1 kOhm. Pretože na neinvertujúcom vstupe je potenciál +1 V, potom podľa pravidla 2 musí byť rovnaký potenciál (+1 V) na invertujúcom vstupe (znázornenom na obrázku). Na to musí byť na pravej svorke odporu Rooc (výstup operačného zosilňovača) napätie +2 V. Prúdy javstup A jaoos, rovný 1 mA, teraz preteká cez odpory Rooc a Rin v opačnom smere (znázornené šípkami). Máme to neinvertujúci zosilňovač so ziskom 2, pretože vstup +1V produkuje výstup +2V.

Zvláštne, však? Hodnoty sú rovnaké ako pri invertujúcom zapojení (jediný rozdiel je v tom, že signál je privedený na iný vstup) a zisk je zrejmý. Na to sa pozrieme trochu neskôr.

Teraz zvýšime hodnotu Rooc na 2 kOhm. Na udržanie rovnováhy prúdov javstup = jaoos a potenciál invertujúceho vstupu je +1 V, výstup operačného zosilňovača by už mal byť +3 V. Ku \u003d 3 V / 1 V \u003d 3!

Ak porovnáme hodnoty Ku s neinvertujúcim spojením s invertujúcim, s rovnakými hodnoteniami Rooc a Rin, ukáže sa, že zisk je vo všetkých prípadoch väčší o jeden. Odvodíme vzorec:
Ku \u003d Uout / Uin + 1 \u003d (Rooc / Rin) + 1 (3)

Prečo sa to deje? Áno, veľmi jednoduché! NFB funguje úplne rovnako ako pri invertujúcom zapojení, ale podľa pravidla 2 sa potenciál neinvertujúceho vstupu vždy pripočíta k potenciálu invertujúceho vstupu v neinvertujúcom zapojení.

Takže pri neinvertujúcom zahrnutí nie je možné dosiahnuť zisk rovný 1? Prečo nie, prečo nie. Znížime hodnotu Rooc, podobne ako sme analyzovali Obr. 6. Svojou nulovou hodnotou - skratovaním výstupu s invertujúcim vstupom (obr. 8, A) bude mať podľa pravidla 2 výstup také napätie, aby sa potenciál invertujúceho vstupu rovnal potenciálu neinvertujúci vstup, t.j. +1 V. Získame: Ku \u003d 1 V / 1 V \u003d 1 (!) Keďže invertujúci vstup nespotrebováva prúd a medzi ním a výstupom nie je žiadny potenciálny rozdiel, tak v tomto obvode netečie žiadny prúd.

Ryža. 8 Schéma zapínania operačného zosilňovača ako sledovača napätia

Rin sa stáva všeobecne zbytočným, pretože je zapojený paralelne so záťažou, na ktorú by mal pracovať výstup operačného zosilňovača a jeho výstupný prúd ním bude pretekať márne. A čo sa stane, ak opustíte Rooc, ale odstránite Rin (obr. 8, B)? Potom vo vzorci zisku Ku = Roos / Rin + 1 sa odpor Rin teoreticky blíži k nekonečnu (v skutočnosti samozrejme nie, pretože na doske sú úniky a vstupný prúd operačného zosilňovača je zanedbateľný , je stále nula sa stále nerovná) a pomer Rooc / Rin sa rovná nule. Vo vzorci zostáva iba jeden: Ku \u003d + 1. Môže byť zisk pre tento obvod menší ako jedna? Nie, menej nebude fungovať za žiadnych okolností. Nemôžete obísť jednotku „extra“ vo vzorci zisku na krivej koze ...

Potom, čo sme odstránili všetky "extra" odpory, dostaneme obvod neinvertujúci opakovač znázornené na obr. 8, V.

Na prvý pohľad takáto schéma nedáva praktický zmysel: prečo potrebujeme jediné a dokonca aj neinverzné „zosilnenie“ - čo, nemôžete len poslať signál ďalej ??? Takéto schémy sa však používajú pomerne často a tu je dôvod. Podľa pravidla 1 prúd netečie do vstupov operačného zosilňovača, t.j. vstupná impedancia neinvertujúci sledovač je veľmi veľký - rovnaké desiatky, stovky a dokonca tisíce MΩ (to isté platí pre obvod podľa obr. 7)! Ale výstupný odpor je veľmi malý (zlomky Ohm!). Výstup operačného zosilňovača „fučí zo všetkých síl“ a snaží sa podľa pravidla 2 zachovať rovnaký potenciál na invertujúcom vstupe ako na neinvertujúcom. Jediným obmedzením je prípustný výstupný prúd operačného zosilňovača.

Ale z tohto miesta sa trochu pohneme do strany a trochu podrobnejšie zvážime otázku výstupných prúdov operačného zosilňovača.

Pre väčšinu operačných zosilňovačov na všeobecné použitie technické špecifikácie uvádzajú, že odpor záťaže pripojenej k ich výstupu by nemal byť menej 2 kOhm Viac - koľko chcete. Pre oveľa menšie číslo je to 1 kOhm (K140UD ...). To znamená, že za podmienok najhoršieho prípadu: maximálne napájacie napätie (napr. ±16 V alebo celkovo 32 V), záťaž pripojená medzi výstup a jednu z napájacích koľajníc a maximálne výstupné napätie opačnej polarity, napätie na záťaž bude privedených asi 30 V. V tomto prípade bude prúd cez ňu: 30 V / 2000 Ohm = 0,015 A (15 mA). Nie tak málo, ale ani príliš veľa. Našťastie väčšina operačných zosilňovačov na všeobecné použitie má vstavanú nadprúdovú ochranu - typický maximálny výstupný prúd je 25 mA. Ochrana zabraňuje prehriatiu a poruche operačného zosilňovača.

Ak napájacie napätia nie sú maximálne prípustné, potom sa môže minimálny odpor zaťaženia úmerne znížiť. Povedzme, že pri napájaní 7,5 ... 8 V (celkom 15 ... 16 V) to môže byť 1 kOhm.

IN) diferenciál zapnutí (obr. 9).

Ryža. 9 Princíp činnosti operačného zosilňovača v diferenciálnom zapojení

Predpokladajme teda, že pri rovnakých hodnotách Rin a Rooc rovných 1 kOhm sú na oba vstupy obvodu privedené rovnaké napätia rovné +1 V (obr. 9, A). Keďže potenciály na oboch stranách rezistora Rin sú navzájom rovnaké (napätie na rezistore je 0), nepreteká ním žiadny prúd. To znamená, že prúd cez odpor Rooc je tiež nulový. To znamená, že tieto dva odpory nevykonávajú žiadnu funkciu. V skutočnosti sme dostali neinvertujúci sledovač (porovnaj s obr. 8). Podľa toho dostaneme na výstupe rovnaké napätie ako na neinvertujúcom vstupe, teda +1 V. Zmeňme polaritu vstupného signálu na invertujúcom vstupe obvodu (otočíme GB1) a priložíme mínus 1 V (obr. 9, B). Teraz je medzi svorkami Rin privedené napätie 2 V a cez ne preteká prúd jav\u003d 2 mA (dúfam, že už nie je potrebné podrobne popisovať, prečo je to tak?). Aby sa tento prúd kompenzoval, musí cez Rooc tiecť aj prúd 2 mA. A preto musí mať výstup operačného zosilňovača napätie +3 V.

Práve tam sa vo vzorci pre zisk neinvertujúceho zosilňovača objavil zlomyseľný „úškrn“ prídavného. Ukazuje sa, že s takým zjednodušené Pri diferenciálnom spínaní rozdiel v zosilnení neustále posúva výstupný signál o potenciál na neinvertujúcom vstupe. Problém s! Avšak: "Aj keby si bol najedený, stále máš aspoň dva východy." To znamená, že musíme nejako vyrovnať zisky invertujúcich a neinvertujúcich inklúzií, aby sme „neutralizovali“ túto extra.

Aby sme to urobili, priveďme vstupný signál na neinvertujúci vstup nie priamo, ale cez delič Rin2, R1 (obr. 9, B). Zoberme si ich nominálne hodnoty tiež pre 1 kOhm. Teraz na neinvertujúcom (a teda aj na invertujúcom) vstupe op-amp bude potenciál +0,5 V, bude ním pretekať prúd (a Rooc) jav = jaoos\u003d 0,5 mA, aby sa zabezpečilo, že výstup operačného zosilňovača musí mať napätie rovné 0 V. Fuj! Dostali sme, čo sme chceli! S rovnakou veľkosťou a polaritou signálov na oboch vstupoch obvodu (in tento prípad+1 V, ale to isté bude platiť pre mínus 1 V a pre akékoľvek iné digitálne hodnoty), výstup operačného zosilňovača bude udržiavať nulové napätie rovné rozdielu vo vstupných signáloch.

Overme si túto úvahu privedením signálu so zápornou polaritou mínus 1 V na invertujúci vstup (obr. 9, D). V čom jav = jaoos= 2 mA, pre ktorý by mal byť výstup +2 V. Všetko sa potvrdilo! Výstupná úroveň zodpovedá rozdielu medzi vstupmi.

Samozrejme, ak sú Rin1 a Rooc rovnaké (respektíve Rin2 a R1), nedostaneme zosilnenie. Aby ste to dosiahli, musíte zvýšiť hodnoty Rooc a R1, ako to bolo urobené pri analýze predchádzajúcich inklúzií operačného zosilňovača (nebudem to opakovať), a malo by to byť prísne rešpektovať pomer:

Rooc / Rin1 = R1 / Rin2. (4)

Čo užitočného získame z takéhoto začlenenia v praxi? A získame pozoruhodnú vlastnosť: výstupné napätie nezávisí od absolútnych hodnôt vstupných signálov, ak sú navzájom rovnaké vo veľkosti a polarite. Výstupom je iba rozdielový (diferenciálny) signál. To umožňuje zosilniť veľmi malé signály na pozadí šumu pôsobiaceho rovnako na oba vstupy. Napríklad signál z dynamického mikrofónu na pozadí 50 Hz priemyselného frekvenčného sieťového snímača.

V tomto sude medu je však, žiaľ, mucha. Po prvé, rovnosť (4) sa musí dodržiavať veľmi prísne (až desatiny a niekedy aj stotiny percenta!). V opačnom prípade dôjde k nevyváženosti prúdov pôsobiacich v obvode, a preto sa okrem rozdielových („protifázových“) signálov zosilnia aj kombinované signály („bežný režim“).

Pochopme podstatu týchto pojmov (obr. 10).

Ryža. 10 Fázový posun signálu

Fáza signálu je hodnota, ktorá charakterizuje posun začiatku periódy signálu vzhľadom na pôvod času. Keďže pôvod času aj pôvod obdobia sa volí ľubovoľne, fáza jedna periodikum signál nemá fyzikálny význam. Avšak fázový rozdiel medzi nimi periodikum signály je veličina, ktorá má fyzikálny význam, odráža oneskorenie jedného zo signálov voči druhému. Nezáleží na tom, čo sa považuje za začiatok obdobia. Pre bod začiatku obdobia môžete vziať nulovú hodnotu s kladným sklonom. Je to možné - maximálne. Všetko je v našej moci.

Na obr. 9, červená označuje pôvodný signál, zelená - posunutá o ¼ periódy vzhľadom na originál a modrá - o ½ periódy. Ak porovnáme červenú a modrú krivku s krivkami na obr. 2, B, je vidieť, že sú navzájom inverzný. Takže „fázové signály“ sú signály, ktoré sa navzájom zhodujú v každom zo svojich bodov, a „protifázové signály“ sú inverzný voči sebe navzájom.

Zároveň koncept inverzieširší ako koncept fázy, pretože to posledné platí len pre pravidelne sa opakujúce, periodické signály. A koncept inverzie použiteľné na akékoľvek signály, vrátane neperiodických, ako je audio signál, digitálna sekvencia alebo konštantné napätie. Komu fáza je konzistentná hodnota, signál musí byť periodický aspoň v určitom intervale. V opačnom prípade sa fáza aj perióda zmenia na matematické abstrakcie.

Po druhé, invertujúce a neinvertujúce vstupy v diferenciálnom zapojení s rovnakými hodnotami Rooc = R1 a Rin1 = Rin2 budú mať rôzne vstupné odpory. Ak je vstupný odpor invertujúceho vstupu určený iba hodnotou Rin1, potom je neinvertujúci vstup určený hodnotami postupne zahrnuté Rin2 a R1 (nezabudli ste, že vstupy operačného zosilňovača nespotrebúvajú prúd?). Vo vyššie uvedenom príklade budú 1 a 2 kΩ. A ak zvýšime Rooc a R1, aby sme získali plnohodnotný zosilňovací stupeň, potom sa rozdiel ešte výraznejšie zvýši: s Ku \u003d 10 - až do 1 kOhm a až 11 kOhm!

Bohužiaľ, v praxi zvyčajne nastavujú hodnoty Rin1 \u003d Rin2 a Rooc \u003d R1. To je však prijateľné len vtedy, ak sú zdroje signálu pre oba vstupy veľmi slabé výstupná impedancia. V opačnom prípade tvorí delič so vstupnou impedanciou tohto zosilňovacieho stupňa, a keďže deliaci faktor takýchto „deličov“ bude iný, výsledok je zrejmý: diferenciálny zosilňovač s takýmito hodnotami odporu nebude vykonávať svoju funkciu potlačenia. spoločné (kombinované) signály alebo túto funkciu vykonávajú zle.

Jedným zo spôsobov, ako vyriešiť tento problém, môže byť nerovnosť hodnôt rezistorov pripojených k invertujúcim a neinvertujúcim vstupom operačného zosilňovača. Totiž tak, že Rin2 + R1 = Rin1. Ďalším dôležitým bodom je dosiahnutie presného dodržiavania rovnosti (4). Spravidla sa to dosiahne rozdelením R1 na dva odpory - konštantný, zvyčajne 90% požadovanej hodnoty, a premenný (R2), ktorého odpor je 20% požadovanej hodnoty (obr. 11, A).

Ryža. 11 Možnosti vyváženia diferenciálneho zosilňovača

Dráha je všeobecne akceptovaná, ale opäť sa pri tomto spôsobe vyváženia, aj keď mierne, mení vstupná impedancia neinvertujúceho vstupu. Oveľa stabilnejšia možnosť so zahrnutím ladiaceho odporu (R5) v sérii s Rooc (obr. 11, B), pretože Rooc sa nezúčastňuje na tvorbe vstupného odporu invertujúceho vstupu. Hlavné je dodržať pomer ich nominálnych hodnôt, podobne ako pri možnosti „A“ (Rooc / Rin1 = R1 / Rin2).

Keďže sme hovorili o diferenciálnom spínaní a spomínali opakovače, rád by som popísal jeden zaujímavý obvod (obr. 12).

Ryža. 12 Schematický diagram prepínateľného invertujúceho/neinvertujúceho sledovača

Vstupný signál je privedený súčasne na oba vstupy obvodu (invertujúci aj neinvertujúci). Hodnoty všetkých odporov (Rin1, Rin2 a Rooc) sa navzájom rovnajú (v tomto prípade zoberme ich skutočné hodnoty: 10 ... 100 kOhm). Neinvertujúci vstup operačného zosilňovača s kľúčom SA môže byť uzavretý na spoločnú zbernicu.

V zatvorenej polohe kľúča (obr. 12, A) sa rezistor Rin2 nezúčastňuje činnosti obvodu (preteká ním iba „zbytočne“ prúd javx2 zo zdroja signálu na spoločnú zbernicu). Dostaneme invertujúci nasledovník so ziskom rovným mínus 1 (pozri obr. 6). Ale s kľúčom SA v otvorenej polohe (obr. 12, B) dostaneme neinvertujúci nasledovník so ziskom rovným +1.

Princíp fungovania tejto schémy možno vyjadriť trochu iným spôsobom. Keď je kľúč SA zatvorený, funguje ako invertujúci zosilňovač so ziskom rovným mínus 1 a keď je otvorený - súčasne(!) A ako invertujúci zosilňovač so ziskom mínus 1 a ako neinvertujúci zosilňovač so ziskom +2, odkiaľ: Ku = +2 + (–1) = +1.

V tejto forme môže byť tento obvod použitý, ak je napríklad polarita vstupného signálu neznáma v štádiu návrhu (povedzme zo snímača, ktorý nie je prístupný, kým nie je zariadenie nastavené). Ak sa však ako kľúč použije tranzistor (napríklad tranzistor s efektom poľa), ovládaný zo vstupného signálu pomocou komparátor(o čom sa bude diskutovať nižšie), dostaneme synchrónny detektor(synchrónny usmerňovač). Konkrétna implementácia takejto schémy, samozrejme, presahuje počiatočné oboznámenie sa s prevádzkou OS a nebudeme sa ňou opäť podrobne zaoberať.

A teraz uvažujme o princípe sčítania vstupných signálov (obr. 13, A) a zároveň zistíme, aké by mali byť hodnoty rezistorov Rin a Rooc v skutočnosti.

Ryža. 13 Princíp činnosti invertujúcej sčítačky

Ako základ berieme invertujúci zosilňovač už diskutovaný vyššie (obr. 5), len na vstup operačného zosilňovača pripojíme nie jeden, ale dva vstupné odpory Rin1 a Rin2. Zatiaľ pre „výchovné“ účely akceptujeme odpor všetkých rezistorov, vrátane Rooc, rovný 1 kOhm. Na ľavé svorky Rin1 a Rin2 privádzame vstupné signály rovné +1 V. Týmito odpormi tečú prúdy rovné 1 mA (znázornené šípkami smerujúcimi zľava doprava). Pre udržanie rovnakého potenciálu na invertujúcom vstupe ako na neinvertujúcom vstupe (0 V), musí cez odpor Rooc tiecť prúd rovnajúci sa súčtu vstupných prúdov (1 mA + 1 mA = 2 mA), znázornený na obr. šípka smerujúca v opačnom smere (sprava doľava), pre ktorú musí mať výstup operačného zosilňovača napätie mínus 2 V.

Rovnaký výsledok (výstupné napätie mínus 2 V) možno získať, ak sa na vstup invertujúceho zosilňovača privedie +2 V (obr. 5), alebo sa hodnota Rin zníži na polovicu, t.j. až 500 ohmov. Zvýšme napätie privedené na rezistor Rin2 až na +2 V (obr. 13, B). Na výstupe dostaneme napätie mínus 3 V, čo sa rovná súčtu vstupných napätí.

Vstupy nemôžu byť dva, ale toľko, koľko chcete. Princíp činnosti tohto obvodu sa od toho nezmení: výstupné napätie bude v každom prípade priamo úmerné algebraickému súčtu (berúc do úvahy znamienko!) prúdov prechádzajúcich cez odpory pripojené k invertnému vstupu operačného systému. -amp (nepriamo úmerné ich hodnoteniam), bez ohľadu na ich počet.

Ak sú naopak na vstupy invertujúcej sčítačky (obr. 13, B) privedené signály rovné +1 V a mínus 1 V, tak prúdy, ktoré nimi pretekajú, budú v rôznych smeroch, zrušia každý iný výstup a výstup bude 0 V. Cez rezistor Rooc v tomto prípade nepôjde prúd. Inými slovami, prúd pretekajúci cez Rooc je algebraicky sčítaný vstup prúdy.

Z toho tiež vyplýva dôležitý bod: zatiaľ čo sme pracovali s malými vstupnými napätiami (1 ... 3 V), výstup široko používaného operačného zosilňovača by mohol poskytnúť taký prúd (1 ... 3 mA) pre Rooc. a ešte niečo zostalo pre záťaž pripojenú na výstup op-amp. Ak sa však napätia vstupných signálov zvýšia na maximálne prípustné hodnoty (blízko napájacích napätí), potom sa ukáže, že celý výstupný prúd pôjde do Rooc. Nezostáva nič na načítanie. A kto potrebuje zosilňovaciu fázu, ktorá funguje „pre seba“? Okrem toho hodnoty vstupného odporu iba 1 kΩ (v tomto poradí určujúce vstupný odpor stupňa invertujúceho zosilňovača) vyžadujú, aby nimi pretekali príliš vysoké prúdy, ktoré silne zaťažujú zdroj signálu. Preto je v skutočných obvodoch odpor Rin zvolený nie menší ako 10 kOhm, ale je tiež žiaduce, aby nebol väčší ako 100 kOhm, aby pri danom zisku Rooc nebol nastavený príliš vysoko. Aj keď tieto hodnoty nie sú absolútne, ale iba odhady, ako sa hovorí, „v prvej aproximácii“ - všetko závisí od konkrétneho okruhu. V každom prípade je nežiaduce, aby prúd pretekajúci cez Rooc presahoval 5 ... 10 % maximálneho výstupného prúdu tohto konkrétneho operačného zosilňovača.

Sumárne signály možno použiť aj na neinvertujúci vstup. Ukázalo sa neinvertujúca sčítačka. V zásade bude takýto obvod fungovať presne rovnako ako invertujúca sčítačka, ktorej výstupom bude signál, ktorý je priamo úmerný vstupným napätiam a nepriamo úmerný hodnotám vstupných rezistorov. V praxi sa však používa oveľa menej často, pretože. obsahuje „hrable“, ktoré treba brať do úvahy.

Keďže pravidlo 2 platí len pre invertujúci vstup, ktorý má „potenciál virtuálnej nuly“, potom bude mať neinvertujúci vstup potenciál rovný algebraickému súčtu vstupných napätí. Preto vstupné napätie dostupné na jednom zo vstupov ovplyvní napätie dodávané na ostatné vstupy. Na neinvertujúcom vstupe nie je žiadny „virtuálny potenciál“! V dôsledku toho je potrebné použiť ďalšie triky s obvodmi.

Doteraz sme zvažovali obvody založené na OS s OOS. Čo sa stane, ak sa spätná väzba úplne odstráni? V tomto prípade dostaneme komparátor(obr. 14), teda prístroj, ktorý na svojich vstupoch porovnáva absolútnu hodnotu dvoch potenciálov (z angl. slov. porovnať- porovnať). Na jeho výstupe bude napätie blížiace sa jednému z napájacích napätí v závislosti od toho, ktorý zo signálov je väčší ako druhý. Typicky sa vstupný signál privádza na jeden zo vstupov a na druhý - konštantné napätie, s ktorým sa porovnáva (takzvané "referenčné napätie"). Môže to byť čokoľvek, vrátane nulového potenciálu (obr. 14, B).

Ryža. 14 Schéma zapnutia op-amp ako komparátora

Nie všetko je však také dobré „v Dánskom kráľovstve“ ... A čo sa stane, ak je napätie medzi vstupmi nulové? Teoreticky by mal byť výstup tiež nulový, ale v skutočnosti - nikdy. Ak potenciál na jednom zo vstupov čo i len mierne prevyšuje potenciál druhého, potom to už bude stačiť na to, aby na výstupe vznikali chaotické napäťové rázy v dôsledku náhodných porúch indukovaných na vstupoch komparátora.

V skutočnosti je akýkoľvek signál "šumný", pretože ideál nemôže byť z definície. A v oblasti blízko bodu rovnosti potenciálov vstupov sa na výstupe komparátora objaví zhluk výstupných signálov namiesto jedného jasného prepnutia. Na boj proti tomuto javu sa často zavádza komparačný obvod hysteréza vytvorením slabého kladného PIC z výstupu na neinvertujúci vstup (obrázok 15).

Ryža. 15 Princíp činnosti hysterézie v komparátore v dôsledku POS

Poďme analyzovať fungovanie tejto schémy. Jeho napájacie napätie je ± 10 V (pre párny účet). Odpor Rin je 1 kOhm a Rpos je 10 kOhm. Stredný potenciál sa volí ako referenčné napätie aplikované na invertujúci vstup. Červená krivka znázorňuje vstupný signál prichádzajúci na ľavý kolík Rin (vstup schémy komparátor), modrá - potenciál na neinvertujúcom vstupe operačného zosilňovača a zelená - výstupný signál.

Zatiaľ čo vstupný signál má zápornú polaritu, na výstupe je záporné napätie, ktoré sa prostredníctvom Rpos pridáva k vstupnému napätiu v opačnom pomere k hodnotám zodpovedajúcich odporov. V dôsledku toho je potenciál neinvertujúceho vstupu v celom rozsahu záporných hodnôt o 1 V (v absolútnej hodnote) vyšší ako úroveň vstupného signálu. Akonáhle sa potenciál neinvertujúceho vstupu rovná potenciálu invertujúceho (pre vstupný signál to bude + 1 V), napätie na výstupe operačného zosilňovača sa začne prepínať zo záporu. na kladnú polaritu. Spustí sa celkový potenciál na neinvertujúcom vstupe ako lavína ešte pozitívnejší, podporujúc proces takéhoto prepínania. Výsledkom je, že komparátor si jednoducho „nevšimne“ nevýznamné kolísanie šumu vstupných a referenčných signálov, pretože ich amplitúda bude o mnoho rádov menšia ako opísaný „krok“ potenciálu na neinvertujúcom vstupe pri prepínaní. .

Pri poklese vstupného signálu dôjde k spätnému prepínaniu výstupného signálu komparátora pri vstupnom napätí mínus 1 V. Tento rozdiel medzi úrovňami vstupného signálu vedúci k prepnutiu výstupu komparátora, ktorý sa v našom prípade rovná celkovej 2 V, je tzv hysteréza. Čím väčší je odpor Rpos vzhľadom na Rin (čím menšia je hĺbka POS), tým menšia je hysterézia spínania. Takže pri Rpos \u003d 100 kOhm to bude iba 0,2 V a pri Rpos \u003d 1 MΩ to bude 0,02 V (20 mV). Hysterézia (hĺbka PIC) sa volí na základe skutočných prevádzkových podmienok komparátora v konkrétnom okruhu. V ktorých 10 mV bude veľa a v ktorých - a 2 V budú malé.

Bohužiaľ, nie každý operačný zosilňovač a nie vo všetkých prípadoch je možné použiť ako komparátor. Špecializované komparátorové mikroobvody sa vyrábajú na porovnávanie medzi analógovými a digitálnymi signálmi. Niektoré z nich sú špecializované na pripojenie k digitálnym mikroobvodom TTL (597CA2), niektoré k digitálnym mikroobvodom ESL (597CA1), ale väčšina z nich je tzv. "komparátory na všeobecné použitie" (LM393/LM339/K554CA3/K597CA3). Ich hlavný rozdiel od operačných zosilňovačov spočíva v špeciálnom zariadení koncového stupňa, ktoré je vyrobené na tranzistore s otvoreným kolektorom (obr. 16).

Ryža. 16 Koncový stupeň komparátora pre všeobecné aplikácie
a jeho pripojenie k zaťažovaciemu odporu

To si vyžaduje povinné používanie externého zaťažovací odpor(R1), bez ktorého výstupný signál jednoducho fyzicky nedokáže vytvoriť vysokú (kladnú) výstupnú úroveň. Napätie +U2, ku ktorému je pripojený zaťažovací odpor, sa môže líšiť od napájacieho napätia +U1 samotného komparačného čipu. To umožňuje jednoduchým spôsobom poskytnúť požadovanú výstupnú úroveň – či už je to TTL alebo CMOS.

Poznámka Vo väčšine komparátorov, ktorých príkladom môže byť duálny LM393 (LM193 / LM293) alebo úplne rovnaký v obvodoch, ale quad LM339 (LM139 / LM239), je emitor tranzistora výstupného stupňa pripojený k zápornej výkonovej svorke, ktorá trochu obmedzuje ich rozsah. V tejto súvislosti by som chcel upozorniť na komparátor LM31 (LM111 / LM211), ktorého analógom je domáci 521/554CA3, v ktorom sú kolektor aj emitor výstupného tranzistora samostatne vyvedené, čo je možné pripojený na iné napätia ako je napájacie napätie samotného komparátora. Jeho jedinou a relatívnou nevýhodou je, že je len jeden v 8-pinovom (niekedy 14-pinovom) balení.

Doteraz sme uvažovali o obvodoch, v ktorých bol vstupný signál privádzaný na vstup(y) cez Rin, t.j. boli všetci prevodníky vstup napätie v deň voľna Napätie rovnaký. V tomto prípade vstupný prúd tiekol cez Rin. Čo sa stane, ak sa jeho odpor rovná nule? Obvod bude fungovať presne rovnakým spôsobom ako vyššie diskutovaný invertujúci zosilňovač, iba výstupná impedancia zdroja signálu (Rout) bude slúžiť ako Rin a dostaneme prevodník vstup prúd V deň voľna Napätie(obr. 17).

Ryža. 17 Schéma meniča prúdu na napätie na operačnom zosilňovači

Keďže potenciál na invertujúcom vstupe je rovnaký ako na neinvertujúcom vstupe (v tomto prípade je to „virtuálna nula“), celý vstupný prúd ( jav) bude prúdiť cez Rooc medzi výstupom zdroja signálu (G) a výstupom operačného zosilňovača. Vstupný odpor takéhoto obvodu je blízky nule, čo umožňuje na jeho základe postaviť mikro/miliampérmetre, ktoré prakticky neovplyvňujú prúd pretekajúci meraným obvodom. Možno jediným obmedzením je povolený rozsah vstupného napätia operačného zosilňovača, ktorý by sa nemal prekročiť. Dá sa z neho postaviť napríklad aj lineárny fotodiódový prevodník prúdu na napätie a mnoho ďalších obvodov.

Preskúmali sme základné princípy fungovania OS v rôzne schémy jeho zahrnutie. Jedna dôležitá otázka zostáva: výživa.

Ako je uvedené vyššie, operačný zosilňovač má zvyčajne iba 5 kolíkov: dva vstupy, výstup a dva napájacie kolíky, kladný a záporný. IN všeobecný prípad používa sa bipolárne napájanie, to znamená, že napájací zdroj má tri výstupy s potenciálmi: + U; 0; -U.

Ešte raz, starostlivo zvážte všetky vyššie uvedené údaje a uvidíte, že samostatný výstup stredného bodu v operačnom zosilňovači NIE ! Na fungovanie ich vnútorných obvodov to jednoducho nie je potrebné. V niektorých obvodoch bol na stredový bod pripojený neinvertujúci vstup, nie je to však pravidlo.

teda ohromujúci väčšina moderné operačné zosilňovače sú určené na napájanie UNIPOLAR Napätie! Vynára sa logická otázka: „Prečo potom potrebujeme bipolárnu silu“, ak sme ju na kresbách zobrazili tak tvrdohlavo a so závideniahodnou stálosťou?

Ukazuje sa, že je to len tak veľmi pohodlne na praktické účely z nasledujúcich dôvodov:

A) Na zabezpečenie dostatočného kolísania prúdu a výstupného napätia cez záťaž (obr. 18).

Ryža. 18 Prietok výstupného prúdu záťažou pri rôzne možnosti napájanie OS

Zatiaľ nebudeme brať do úvahy vstupné (a OOS) obvody obvodov znázornených na obrázku („čierna skrinka“). Berme ako samozrejmosť, že nejaký vstupný sínusový signál je privedený na vstup (čierna sínusoida na grafoch) a výstup je rovnaký sínusový signál, zosilnený vzhľadom na vstupnú farebnú sínusoidu na grafoch).

Pri pripájaní záťaže Rload. medzi výstupom operačného zosilňovača a stredom pripojenia napájacích zdrojov (GB1 a GB2) - Obr. 18, A, prúd preteká záťažou symetricky okolo stredu (respektíve červenej a modrej polvlny) a jeho amplitúda je maximálna a amplitúda napätia pri Rload. tiež maximálne možné - môže dosiahnuť takmer napájacie napätia. Prúd zo zdroja energie zodpovedajúcej polarity je uzavretý cez OS, Rload. a zdroj energie (červené a modré čiary znázorňujúce tok prúdu v príslušnom smere).

Pretože vnútorný odpor napájacích zdrojov operačného zosilňovača je veľmi nízky, prúd cez záťaž je obmedzený iba jeho odporom a maximálnym výstupným prúdom operačného zosilňovača, ktorý je zvyčajne 25 mA.

Keď je operačný zosilňovač napájaný unipolárnym napätím ako spoločný autobus zvyčajne sa volí záporný (záporný) pól zdroja, ku ktorému je pripojený druhý výstup záťaže (obr. 18, B). Teraz môže prúd cez záťaž prúdiť iba jedným smerom (znázornený červenou čiarou), druhý smer jednoducho nemá odkiaľ pochádzať. Inými slovami, prúd cez záťaž sa stáva asymetrickým (pulzujúcim).

Nedá sa jednoznačne povedať, že táto možnosť je zlá. Ak je záťaž povedzme dynamická hlava, tak pre ňu je to jednoznačne zlé. Existuje však veľa aplikácií, kde je pripojenie záťaže medzi výstup operačného zosilňovača a jednu z napájacích koľajníc (zvyčajne záporná polarita) nielen prijateľné, ale aj jediné možné.

Ak je napriek tomu potrebné zabezpečiť symetriu toku prúdu záťažou unipolárnym napájaním, potom je potrebné ho galvanicky oddeliť od výstupu operačného zosilňovača galvanickým kondenzátorom C1 (obr. 18, B ).

B) Na zabezpečenie požadovaného prúdu invertujúceho vstupu, ako aj väzby vstupné signály do niektorých svojvoľne vybranýúrovni prijatý pre referenciu (nulu) - nastavenie režimu prevádzky OS pre jednosmerný prúd (obr. 19).

Ryža. 19 Pripojenie zdroja vstupného signálu s rôznymi možnosťami napájania operačného zosilňovača

Teraz zvážte možnosti pripojenia zdrojov vstupného signálu, s výnimkou pripojenia záťaže.

Pri analýze vyššie uvedených schém bolo uvažované pripojenie invertujúcich a neinvertujúcich vstupov do stredu pripojenia napájacieho zdroja (obr. 19, A). Ak neinvertujúci vstup neodoberá žiadny prúd a jednoducho akceptuje stredný potenciál, potom cez zdroj signálu (G) a Rin zapojené do série prúd tečie cez príslušný zdroj energie! A keďže ich vnútorné odpory sú v porovnaní so vstupným prúdom zanedbateľné (o mnoho rádov menšie ako Rin), prakticky to neovplyvňuje napájacie napätie.

Pri unipolárnom napájaní operačného zosilňovača teda celkom jednoducho vytvoríte potenciál privádzaný na jeho neinvertujúci vstup pomocou deliča R1R2 (obr. 19, B, C). Typické hodnoty odporu tohto deliča sú 10 ... 100 kOhm a je veľmi žiaduce prepojiť spodný (pripojený k spoločnej zápornej zbernici) kondenzátorom 10 ... 22 mikrofaradov, aby sa výrazne znížil účinok zvlnenia napájacieho napätia na potenciáli napr umelé stredný bod.

Je však extrémne nežiaduce pripojiť zdroj signálu (G) k tomuto umelému stredu kvôli rovnakému vstupnému prúdu. Poďme hádať. Aj pri menovitých hodnotách deliča R1R2 = 10 kOhm a Rin = 10…100 kOhm, vstupný prúd jav bude v najlepšom prípade 1/10 a v najhoršom prípade - až 100% prúdu prechádzajúceho cez delič. V dôsledku toho bude potenciál na neinvertujúcom vstupe „plávať“ o rovnakú hodnotu v kombinácii (vo fáze) so vstupným signálom.

Aby sa eliminovalo vzájomné ovplyvňovanie vstupov na seba pri zosilňovaní jednosmerných signálov takýmto zapojením, mal by byť pre zdroj signálu zorganizovaný samostatný potenciál umelého stredu, tvorený odpormi R3R4 (obr. 19, B), príp. signál je zosilnený striedavý prúd, galvanicky oddeľte zdroj signálu od invertujúceho vstupu kondenzátorom C2 (obr. 19, B).

Je potrebné poznamenať, že vo vyššie uvedených diagramoch (obr. 18, 19) sme štandardne predpokladali, že výstupný signál by mal byť symetrický buď podľa stredu napájacích zdrojov, alebo podľa umelého stredného bodu. V skutočnosti to nie je vždy potrebné. Pomerne často chcete, aby výstupný signál mal prevažne kladnú alebo zápornú polaritu. Preto nie je vôbec potrebné, aby kladná a záporná polarita napájacieho zdroja bola v absolútnej hodnote rovnaká. Jeden z nich môže byť v absolútnej hodnote oveľa menší ako druhý - iba takým spôsobom, aby sa zabezpečilo normálne fungovanie OS.

Vynára sa logická otázka: "Ktorý presne?" Aby sme na to odpovedali, stručne zvážime prípustné rozsahy napätia vstupných a výstupných signálov operačného zosilňovača.

Pre žiadny operačný zosilňovač nemôže byť výstupný potenciál vyšší ako potenciál kladnej výkonovej lišty a nižší ako potenciál zápornej výkonovej lišty. Inými slovami, výstupné napätie nemôže prekročiť limity napájacích napätí. Napríklad pre operačný zosilňovač OPA277 je výstupné napätie pri zaťažovacom odpore 10 kΩ menšie ako napätie kladnej napájacej koľajnice o 2 V a zápornej napájacej koľajnice o 0,5 V. Šírka týchto „mŕtvych zón“ výstupné napätie, ktoré výstup operačného zosilňovača nemôže dosiahnuť, závisí od sériových faktorov, ako je obvod koncového stupňa, odpor záťaže atď.). Existujú operačné zosilňovače, ktoré majú minimálne mŕtve zóny, napríklad 50 mV na napájacie napätie koľajnice pri zaťažení 10 kΩ (pre OPA340), táto vlastnosť operačného zosilňovača sa nazýva "rail-to-rail" (R2R).

Na druhej strane, v prípade operačných zosilňovačov na všeobecné použitie by vstupné signály tiež nemali prekročiť napájacie napätie a pre niektoré by mali byť menšie ako 1,5 ... 2 V. Existujú však operačné zosilňovače so špecifickým obvodom vstupného stupňa. (napríklad rovnaký LM358 / LM324) , ktoré môžu pracovať nielen zo zápornej úrovne výkonu, ale aj „zápornej“ o 0,3 V, čo výrazne uľahčuje ich použitie s unipolárnym napájaním so spoločnou zápornou zbernicou.

Poďme sa konečne pozrieť a cítiť tieto "pavúky". Môžete dokonca čuchať a olizovať. Povoľujem. Zvážte ich najbežnejšie možnosti dostupné pre začínajúcich rádioamatérov. Najmä ak musíte spájkovať operačný zosilňovač zo starého zariadenia.

Pre operačné zosilňovače starých dizajnov, in celkom určite vyžadujúce externé obvody na korekciu frekvencie, aby sa zabránilo samobudeniu, bola charakteristická prítomnosť dodatočných záverov. Z tohto dôvodu sa niektoré operačné zosilňovače ani „nezmestili“ do 8-pinového puzdra (obr. 20, A) a vyrábali sa v 12-pinovom okrúhlom kovovom skle, napr. K140UD1, K140UD2, K140UD5 (obr. 20 , B) alebo v 14-pinových DIP puzdrách, napríklad K140UD20, K157UD2 (obr. 20, B). Skratka DIP je skratkou z anglického výrazu „Dual In line Package“ a v preklade znamená „obojstranný balík“.

Okrúhla kovovo-sklenená skrinka (obr. 20, A, B) sa používala ako hlavná pre dovážané operačné zosilňovače asi do polovice 70. rokov a pre domáce operačné zosilňovače - do polovice 80. rokov a teraz sa používa na takzvaný. „vojenské“ aplikácie („5. prijatie“).

Niekedy sa domáce operačné zosilňovače umiestňovali do v súčasnosti skôr „exotických“ puzdier: 15-kolíkové obdĺžnikové kovové sklo pre hybrid K284UD1 (obr. 20, D), v ktorom je kľúčom dodatočný 15-ty kolík z puzdra a iné . Pravda, osobne som sa nestretol s planárnymi 14-pinovými obalmi (obr. 20, E) na umiestnenie op-ampu do nich. Boli použité pre digitálne obvody.

Ryža. 20 Prípady domácich operačných zosilňovačov

Moderné operačné zosilňovače z väčšej časti obsahujú korekčné obvody priamo na čipe, čo umožnilo vystačiť si s minimálnym počtom pinov (napríklad 5-pinový SOT23-5 pre jeden operačný zosilňovač - obr. 23). To umožnilo umiestniť dva až štyri úplne nezávislé (okrem spoločných výkonových výstupov) operačné zosilňovače vyrobené na jednom čipe do jedného puzdra.

Ryža. 21 dvojradových plastových puzdier moderných operačných zosilňovačov pre výstupnú montáž (DIP)

Niekedy môžete nájsť operačné zosilňovače umiestnené v jednoradových 8-pinových (obr. 22) alebo 9-pinových obaloch (SIP) - K1005UD1. Skratka SIP je skratkou anglického výrazu „Single In line Package“ a prekladá sa ako „bývanie s jednosmerným pinoutom“.

Ryža. 22 Jednoradová plastová skrinka dvojitých operačných zosilňovačov pre montáž cez otvor (SIP-8)

Boli navrhnuté tak, aby minimalizovali priestor zaberaný na doske, ale, žiaľ, boli „oneskorené“: v tom čase sa už bežne používali obaly na povrchovú montáž (SMD - Surface Mounting Device) pripájaním priamo k dráham dosky (obr. 23 ). Pre začiatočníkov však ich použitie predstavuje značné ťažkosti.

Ryža. 23 puzdier moderných dovážaných operačných zosilňovačov na povrchovú montáž (SMD)

Veľmi často môže byť ten istý mikroobvod „zabalený“ výrobcom do rôznych balení (obr. 24).

Ryža. 24 možností umiestnenia pre rovnaký čip v rôznych baleniach

Závery všetkých mikroobvodov majú poradové číslovanie, počítané od tzv. "kľúč", označujúci umiestnenie výstupu pri čísle 1. (obr. 25). IN akýkoľvek ak je telo umiestnené s koncovkami TAM, ich číslovanie ide vzostupne proti v smere hodinových ručičiek!

Ryža. 25 Priradenie pinov operačných zosilňovačov
v rôznych prípadoch (pinout), pohľad zhora;
smer číslovania znázornený šípkami

V okrúhlych kovovo-sklenených puzdrách má kľúč podobu bočného výstupku (obr. 25, A, B). Tu, z miesta tohto kľúča, sú možné obrovské „hrable“! V domácich 8-kolíkových prípadoch (302.8) je kľúč umiestnený oproti prvému kolíku (obr. 25, A) a v importovanom TO-5 - oproti ôsmemu kolíku (obr. 25, B). V 12-kolíkových puzdrách, domácich (302.12) aj importovaných, sa kľúč nachádza medzi prvý a 12. záver.

Typicky je invertujúci vstup, ako v okrúhlych skleneno-kovových obaloch, tak aj DIP, pripojený k 2. kolíku, neinvertujúci vstup k 3. kolíku, výstup k 6. kolíku, napájanie mínus k 4. kolíku a výkon plus na kolík 4. 7. Existujú však výnimky (ďalšie možné "hrabanie"!) V pinoute OU K140UD8, K574UD1. V nich je číslovanie záverov posunuté o jeden proti smeru hodinových ručičiek oproti všeobecne akceptovanému pre väčšinu ostatných typov, t.j. sú pripojené na svorky, ako v importovaných prípadoch (obr. 25, B), a číslovanie zodpovedá domácim (obr. 25, A).

IN posledné roky väčšina OS „domáce účely“ sa začala umiestňovať do plastových puzdier (obr. 21, 25, C-D). V týchto prípadoch je kľúčom buď vybranie (bodka) oproti prvému kolíku, alebo výrez na konci puzdra medzi prvým a 8. (DIP-8) alebo 14. (DIP-14) kolík, alebo skosenie pozdĺž prvá polovica čapov (obr. 21, stred). Číslovanie pinov v týchto prípadoch tiež ide proti v smere hodinových ručičiek pri pohľade zhora (so závermi od vás).

Ako už bolo spomenuté vyššie, interne korigované operačné zosilňovače majú celkovo päť výstupov, z ktorých iba tri (dva vstupy a výstup) patria každému jednotlivému operačnému zosilňovaču. To umožnilo umiestniť dva úplne nezávislé (s výnimkou plusového a mínusového napájania, ktoré si vyžadujú dva ďalšie piny) operačné zosilňovače na jeden čip v jednom 8-pinovom obale (obr. 25, D) a dokonca štyri v 14-ke. -pinový balík (obr. 25, D). Výsledkom je, že v súčasnosti sa väčšina operačných zosilňovačov vyrába aspoň duálne, napríklad TL062, TL072, TL082, lacné a jednoduché LM358 atď. Vo vnútornej štruktúre úplne rovnaké, ale štvorcové - TL064, TL074, TL084 a LM324.

Pokiaľ ide o domáci analóg LM324 (K1401UD2), existuje ešte jeden „rake“: ak je v LM324 plus napájacieho zdroja pripojený k 4. kolíku a mínus k 11., potom v K1401UD2 je to naopak: plus výkonu sa privedie na 11. kolík a mínus - na 4. Tento rozdiel však nespôsobuje žiadne ťažkosti s elektroinštaláciou. Keďže vývod pinov operačného zosilňovača je úplne symetrický (obr. 25, E), stačí otočiť puzdro o 180 stupňov, aby 1. pin nahradil 8. pin. Áno, to je všetko.

Pár slov o označovaní dovážaných OJ (a nielen OJ). Pri mnohých vývojoch prvých 300 digitálnych označení bolo zvykom označovať skupinu kvality prvou číslicou digitálneho kódu. Napríklad operačné zosilňovače LM158/LM258/LM358, komparátory LM193/LM293/LM393, nastaviteľné trojkolíkové stabilizátory TL117/TL217/TL317 atď. sú úplne identické vo vnútornej štruktúre, líšia sa však pracovným rozsahom teplôt. Pre LM158 (TL117) je rozsah prevádzkových teplôt od mínus 55 do +125 ... 150 stupňov Celzia (takzvaný "bojový" alebo vojenský rozsah), pre LM258 (TL217) - od mínus 40 do +85 stupňov (" priemyselný" rozsah) a pre LM358 (TL317) - od 0 do +70 stupňov (rozsah "domácnosti"). Zároveň ich cena môže byť pre takúto gradáciu úplne neprimeraná alebo sa môže veľmi mierne líšiť ( nevyspytateľné spôsoby tvorby cien!). Môžete si ich teda kúpiť s akýmkoľvek dostupným označením „do vrecka“ začiatočníka bez toho, aby ste museli zvlášť naháňať prvú „trojku“.

Po vyčerpaní prvých tristo digitálnych označení sa skupiny spoľahlivosti začali označovať písmenami, ktorých význam je dešifrovaný v dátových listoch (Datasheet sa doslova prekladá ako „údajová tabuľka“) pre tieto komponenty.

Záver

Takže sme študovali "abecedu" fungovania operačného zosilňovača, zachytili sme trochu a komparátory. Ďalej sa musíte naučiť pridávať slová, vety a celé zmysluplné „kompozície“ (funkčné schémy) z týchto „písmen“.

Bohužiaľ, "Je nemožné pochopiť tú nesmiernosť." Ak materiál prezentovaný v tomto článku pomohol pochopiť, ako tieto „čierne skrinky“ fungujú, potom ďalšie prehĺbenie analýzy ich „vypchávky“, vplyvu vstupných, výstupných a prechodových charakteristík, je úlohou pokročilejšej štúdie. Informácie o tom sú podrobne a dôkladne opísané v rôznych existujúcich literatúrach. Ako hovorieval starý otec William z Ockhamu: "Entity by sa nemali množiť nad rámec toho, čo je nevyhnutné." Nie je potrebné opakovať to, čo už bolo dobre opísané. Stačí len neleniť a prečítať si ju.

11. http://www.texnic.ru/tools/lekcii/elektronika/l6/lek_6.html

Preto mi dovoľte s úctou, atď., autora Alexey Sokolyuk ()

Invertujúci zosilňovač je jedným z najjednoduchších a najčastejšie používaných analógových obvodov. Len s dvoma odpormi môžeme nastaviť zisk, ktorý potrebujeme. Nič nám nebráni urobiť koeficient menší ako 1 a tým oslabiť vstupný signál.

Často sa do obvodu pridáva ďalší R3, ktorého odpor sa rovná súčtu R1 a R2.

Aby sme pochopili, ako funguje invertujúci zosilňovač, simulujme jednoduchý obvod. Na vstupe máme napätie 4V, odpor rezistorov je R1 \u003d 1k a R2 \u003d 2k. Dalo by sa to všetko samozrejme nahradiť do vzorca a okamžite vypočítať výsledok, ale pozrime sa, ako presne táto schéma funguje.

Začnime pripomienkou základných princípov fungovania operačného zosilňovača:

Pravidlo č.1 - operačný zosilňovač realizuje svoj výstup na vstup cez NOS (negatívna spätná väzba), v dôsledku čoho sa vyrovnávajú napätia na oboch vstupoch, invertujúcom (-) aj neinvertujúcom (+).

Upozorňujeme, že neinvertujúci vstup (+) je pripojený k zemi, to znamená, že napätie na ňom je 0V. V súlade s pravidlom #1 by mal byť invertujúci vstup (-) tiež 0V.

Poznáme teda napätie na svorkách rezistora R1 a jeho odpor 1k. S pomocou teda môžeme vykonať výpočet a vypočítať, koľko prúdu preteká cez odpor R1:

IR1 \u003d UR1 / R1 \u003d (4V-0V) / 1k \u003d 4mA.

Pravidlo č. 2 - Vstupy zosilňovača nečerpajú prúd

Prúd pretekajúci cez R1 teda tečie ďalej cez R2!

Opäť použijeme Ohmov zákon a vypočítame, aký pokles napätia nastane na rezistore R2. Poznáme jeho odpor a vieme, aký prúd ním prechádza, preto:

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

Ukazuje sa, že na výstupe máme 8V? Takýmto spôsobom určite nie. Pripomínam, že ide o invertujúci zosilňovač, teda ak na vstup privedieme kladné napätie a na výstupe odstránime záporné napätie. Ako sa to stane?

Je to spôsobené tým, že spätná väzba je nastavená na invertujúcom vstupe (-) a na vyrovnanie napätí na vstupe zosilňovač znižuje potenciál na výstupe. Zapojenie odporov možno považovať za jednoduché, preto, aby bol potenciál v mieste ich pripojenia rovný nule, výstup musí byť mínus 8 voltov: Uout. = -(R2/R1)*Uin.

S tretím pravidlom súvisí ďalší háčik:

Pravidlo číslo 3 - napätia na vstupoch a výstupoch musia byť v rozsahu medzi kladným a záporným napájacím napätím operačného zosilňovača.

To znamená, že musíte skontrolovať, či nami vypočítané napätia možno skutočne získať cez zosilňovač. Začiatočníci si často myslia, že zosilňovač funguje ako zdroj voľnej energie a generuje napätie z ničoho. Musíme si však uvedomiť, že zosilňovač potrebuje na svoju činnosť aj energiu.
Klasické zosilňovače pracujú na napätiach -15V a +15V. V takejto situácii je našich -8V, ktoré sme vypočítali, skutočné napätie, aké je v tomto rozsahu.

Moderné zosilňovače však často pracujú pri alebo pod 5V. V takejto situácii nie je šanca, že nám zosilňovač dá na výstupe mínus 8V. Preto pri navrhovaní obvodov vždy pamätajte na to, že teoretické výpočty musia byť vždy podložené realitou a fyzickými možnosťami.

Treba poznamenať, že invertujúci zosilňovač má jednu nevýhodu. Už vieme, že nezaťažuje zdroj signálu, pretože vstupy zosilňovača majú veľmi vysoký odpor a odoberajú tak malý prúd, že ho možno vo väčšine prípadov ignorovať (pravidlo č. 2).

Invertujúci zosilňovač má vstupnú impedanciu rovnajúcu sa odporu rezistora R1, v praxi sa pohybuje od 1k ... 1M. Pre porovnanie, zosilňovač s tranzistorovými vstupmi s efektom poľa má odpor rádovo stoviek megaohmov a dokonca gigaohmov! Preto môže byť niekedy vhodné nainštalovať napäťový sledovač pred zosilňovač.