Operační zesilovač: spínací obvody, princip činnosti. Zesilovací obvod na op amp z neinvertujícího zesilovače. Schéma zesilovače napětí stejnosměrného proudu na operačním zesilovači

Článek bude zvažovat standard obvod zesilovače na operačním zesilovači, jakož i příklady různých režimů provozu tohoto zařízení. K dnešnímu dni nemůže žádné řídicí zařízení provádět bez použití operačních zesilovačů. Jedná se o opravdu univerzální zařízení, která vám umožní provádět různé funkce se signálem. O tom, jak to funguje a co vás konkrétně dovoluje udělat, zjistíte později.

Invertující zesilovače

Obvod invertujícího zesilovače na operačním zesilovači je poměrně jednoduchý, vidíte jej na obrázku. Je založen na operačním zesilovači (jeho začlenění je popsána v tomto článku). Navíc zde:

1. Na odporu R1 je přítomen pokles napětí, jeho hodnota je stejná jako vstupní.
2. Rezistor R2 má také pokles napětí - to je stejné jako víkend.

V tomto případě se poměr výstupního napětí k odporu R2 rovná hodnotě poměru vstupního napětí k R1, ale zpět k němu znakem. Pokud znáte odpor a napětí, můžete vypočítat zisk. K tomu je nutné rozdělit výstupní napětí na vstupní napětí. V tomto případě, operační zesilovač (obvody začlenění mohou být libovolné) mohou mít stejný faktor zisku bez ohledu na typ.

Zpětná vazba

Nyní musíme podrobněji analyzovat jeden klíčový bod - práci zpětné vazby. Předpokládejme, že na vstupu je nějaké napětí. Pro zjednodušení výpočtů je třeba vzít jeho hodnotu rovnou 1 V. Předpokládejme také, že R1 = 10 kΩ, R2 = 100 kOhm.

Nyní předpokládejme, že tam je nějaká nepředvídaná situace, kvůli které stádium napětí výstup byl nastaven na 0 V. Další, tam je zajímavý vzor - dva odpory začít pracovat ve dvojicích, spolu vytvářejí z dělič napětí. Na výstupu z etapy invertující se udržuje na 0,91 V. To umožňuje, aby operační systém opravit neshody vstupy, a dojde k snížení výstupního napětí. Proto je velmi jednoduchá konstrukce diagram operačních zesilovačů, je zesilovač signálu, který realizuje funkci čidla, např.

A tato změna bude pokračovat až k samým póry, pokud je nastaven na výstupní hodnota je stabilní při 10 V. To bylo v tomto okamžiku na vstupech operačního zesilovače potenciály jsou si rovny. A budou stejné jako potenciál země. Na druhou stranu, v případě, že výstupní napětí zařízení bude i nadále klesat, a to bude méně než -10 V na vstupní potenciálu se stává nižší než u země. Důsledkem toho je, že napětí na výstupu začíná růst.

Tento obvod má velkou nevýhodu - vstupní impedance je velmi malá, zvláště pro zesilovače s velkou hodnotou zesílení napětí, pokud je zpětnovazební smyčka uzavřena. A další struktura, která je zvažována, postrádá všechny tyto nedostatky.

Neinvertující zesilovač

Obrázek ukazuje obvod neinvertujícího zesilovače na operačním zesilovači. Po jeho analýze můžeme vyvodit několik závěrů:

1. Hodnota napětí UA se rovná vstupnímu napětí.
2. Napětí UA, které se rovná poměru produktu výstupního napětí a R1 k součtu odporů R1 a R2, se oddělí od děliče.
3. V případě, kdy je hodnota UA rovnající se vstupní napětí, zisk je poměr výstupního napětí na vstup (nebo může být vzhledem k odporu R2 a R1 přidat jednotku).

Tento návrh se nazývá neinvertující zesilovač, má téměř nekonečnou vstupní impedanci. Například pro operační zesilovače řady 411 je její hodnota 1012 Ohm, minimální. A pro operační zesilovače na bipolárních polovodičových tranzistorech je zpravidla více než 108 Ohmů. Ale výstupní impedance kaskády, stejně jako u dříve zvažovaného obvodu, je velmi malá - zlomek Ohmů. A to je třeba vzít v úvahu při výpočtu obvodů na operačních zesilovačích.

Obvod zesilovače AC

Obě schémata, o nichž se počítá v předchozím článku, pracují přímý proud. Pokud však střídavý proud působí jako spojení mezi zdrojem vstupního signálu a zesilovačem, je nutné zajistit vstupní proud na vstupu zařízení. A musíte věnovat pozornost skutečnosti, že aktuální hodnota je extrémně malá.

V případě, že dojde k zesílení střídavých signálů, je nutné snížit zisk konstanty signálu na jednotku. To platí zejména v případech, kdy je přírůstek napětí velmi vysoký. Díky tomu je možné významně snížit účinek střihového napětí, který je aplikován na vstup zařízení.

Druhý příklad obvodu pro práci se střídavým napětím

V tomto obvodu, u úrovně -3 dB, můžete vidět odpovídající frekvenci 17 Hz. Na kondenzátoru je impedance na úrovni dvou kilogramů. Proto musí být kondenzátor dostatečně velký.

Pro vybudování síťového zesilovače je nutné použít operační zesilovače na neinvertující typ obvodu. A měla by mít dostatečně velký zisk napětí. Ale kondenzátor může být příliš velký, takže je nejlepší přestat používat. Je pravda, že je nutné správně zvolit střihové napětí, které se rovná hodnotě nuly. A můžete použít dělič ve tvaru písmene T a zvýšit odpor obou obvodů v obvodu.

Který schéma je vhodnější použít

Většina vývojářů dává přednost neinvertujícím zesilovačům, protože mají vysokou impedanci na vstupu. Zanedbatelné schémata převrácení typu jsou zanedbávány. Ale druhá má velkou výhodu - není náročná na samotný operační zesilovač, což je jeho "srdce".

Kromě toho jsou charakteristiky ve skutečnosti mnohem lepší. A pomocí imaginárního uzemnění můžete všechny signály kombinovat bez zvláštní námahy a nebudou mít vliv na sebe navzájem. Může být použit v konstrukcích a obvodu zesilovače stejnosměrného proudu na operačním zesilovači. Vše závisí na potřebách.

A poslední věc je případ, kdy celý obvod, který je zde zvažován, je připojen ke stabilnímu výstupu jiného operačního zesilovače. V tomto případě hodnota impedance na vstupu nehraje významnou roli - alespoň 1 kOhm, nejméně 10, i když nekonečno. V tomto případě první fáze vždy vykonává svou funkci s ohledem na další.

Obvod opakovače

Repeater pracuje na operačním zesilovači podobném emitoru postavenému na bipolárním tranzistoru. A provádí podobné funkce. Ve skutečnosti jde o neinvertující zesilovač, u něhož odpor prvního rezistoru je nekonečně velký a druhý odpor je nulový. Zisk je jednota.

Existují speciální typy operačních zesilovačů, které se používají v technologii pouze pro opakovací obvody. Mají mnohem lepší vlastnosti - zpravidla jde o vysokou rychlost. Jako příklad můžeme zmínit operační zesilovače jako OPA633, LM310, TL068. Ten má tělo, jako tranzistor, a také tři přívody. Velmi často se takové zesilovače nazývají pouze vyrovnávací paměti. Faktem je, že mají vlastnosti izolátoru (velmi velká vstupní impedance a extrémně nízký výkon). Přibližně tímto principem je také zkonstruován obvod aktuálního zesilovače na operačním zesilovači.

Aktivní režim provozu

Ve skutečnosti se jedná o režim provozu, při kterém nejsou výstupy a vstupy operačního zesilovače přetíženy. Pokud je na vstup obvodu aplikován velmi velký signál, pak se na výstupu začne stříhat podle úrovně napětí kolektoru nebo emitoru. Ale když je výstupní napětí pevně nastaveno na mezní úrovni - napětí se nemění na vstupu op-amp. V tomto případě nesmí být kyvadlo větší než napájecí napětí zesílení kaskády.

Většina obvodů na operačních zesilovačích je vypočtena takovým způsobem, že tento rozsah je menší než napájecí napětí o 2 V. Ale vše závisí na tom, který konkrétní obvod zesilovače se používá na operačním zesilovači. Existuje také omezení stability proudový zdroj na základě operačního zesilovače.

Předpokládejme, že došlo k poklesu napětí v zdroji s plovoucí zátěží. Pokud má proud normální směr pohybu, můžete na první pohled setkat s podivným zatížením. Například několik re-polarizovaných baterií. Takový návrh lze použít k získání přímého nabíjecího proudu.

Několik opatření

Jednoduchý napěťový zesilovač na operačním zesilovači (obvod lze zvolit jakýkoliv) lze doslovně "na koleno". Musíte však vzít v úvahu některé funkce. Je nutné zajistit, aby zpětná vazba v systému byla negativní. To také znamená, že je nepřijatelné zaměňovat neinvertující a invertující vstupy zesilovače. Kromě toho by měla existovat zpětná smyčka pro stejnosměrný proud. Jinak se operační zesilovač rychle přepne do režimu saturace.

Ve většině operačních zesilovačů má vstupní diferenční napětí velmi malou hodnotu. Maximální rozdíl mezi neinvertující a invertující vstupy může být omezeno na hodnotu 5 V v jakékoliv připojení zdroje elektrické energie. Budeme-li zanedbávat tento termín, bude u vchodu do poměrně velké hodnoty proudů, které povedou k tomu, že všechny charakteristiky okruhu bude zhoršovat.

Nejnebezpečnější věcí je fyzické zničení samotného operačního zesilovače. Výsledkem je, že zesilovací obvod na operačním zesilovači přestane pracovat zcela.

Zvažte

A samozřejmě je třeba mluvit o pravidlech, která je třeba dodržovat, aby se zajistila stabilní a dlouhodobá činnost operačního zesilovače.

Nejdůležitější je, že zesilovač má velmi vysoké napětí. A pokud se napětí mezi vstupy změní na zlomek milivoltů, může se výstup na výstupu výrazně měnit. Proto je důležité vědět, že v operačním zesilovači se výstup snaží usilovat o to, aby mezi vstupy byl rozdíly napětí blízko (ideálně roven) na nulu.

Druhým pravidlem je, že současná spotřeba operačním zesilovačem je extrémně malá, doslova nanoampeři. Pokud jsou vstupy nainstalovány tranzistory s efektem pole, pak se vypočítá pomocí picoampérů. Proto lze konstatovat, že vstupy nekonzumují proud, bez ohledu na to, jaký operační zesilovač je použit, obvod - princip fungování zůstává stejný.

Ale nemyslete si, že Op-Amps opravdu neustále mění vstupy na vstupy. Fyzicky je to téměř nemožné, protože s druhým pravidlem nebude žádná korespondence. Z důvodu operačního zesilovače je vyhodnocován stav všech vstupů. Pomocí obvodu zpětného vnějšího připojení se napětí přenáší na vstup z výstupu. Výsledkem je, že mezi vstupy operačního zesilovače je rozdíl napětí na nulové úrovni.

Koncept zpětné vazby

To je běžný pojem a již se uplatňuje v širokém smyslu ve všech oblastech technologie. V každém řídicím systému existuje zpětná vazba, která porovnává výstupní signál a zadanou hodnotu (reference). Podle toho, jaká hodnota je aktuální - je to správné nastavení. Řídící systém může být cokoli, dokonce i auto, které se pohybuje po silnici.

Řidič stiskne brzdy a zpětná vazba je na začátku zpomalování. Analogicky s takovým jednoduchým příkladem se dá lépe vypořádat se zpětnou vazbou v elektronických obvodech. A negativní zpětná vazba je, když vozidlo zrychlilo při stlačení brzdového pedálu.

V elektronice je zpětná vazba proces, při kterém je signál přenášen ze vstupu na vstup. V tomto případě je také signál na vstupu zrušen. Na jedné straně to není příliš rozumný nápad, protože se může zdát ze strany, že faktor zisku se výrazně sníží. Tato zpětná vazba, mimochodem, byla přijata zakladateli vývoje zpětné vazby v elektronice. Ale stojí za to podrobněji zkoumat jeho vliv na operační zesilovače - praktické schémata, které je třeba zvážit. A je zřejmé, že to opravdu mírně snižuje zisk, ale umožňuje nám trochu zlepšit ostatní parametry:

1. Vyhněte frekvenční charakteristiky (vede je k požadované frekvenci).
2. Umožňuje předpovědět chování zesilovače.
3. Je schopen eliminovat nelinearitu a zkreslení signálu.

Čím hlubší je zpětná vazba (jde o negativní), tím menší je vliv na zesilovač charakteristiky s otevřeným OS. Výsledek - všechny jeho parametry závisí jen na tom, jaké vlastnosti má obvod.

Je třeba poznamenat, že všechny operační zesilovače pracují v režimu s velmi hlubokou zpětnou vazbou. Faktor zisku napětí (s otevřenou smyčkou) může dosáhnout i několik milionů. Proto je zesilovací obvod na operačním zesilovači velmi náročný na pozorování všech parametrů pro napájení a úroveň vstupního signálu.