İşlemsel yükselteçler. Bölüm 2. Mükemmel işlemsel kuvvetlendirici

İşlemsel yükselteçler kullanarak devre oluşturma ilkelerini daha iyi anlamak için, genellikle ideal bir işlemsel yükselteç kavramını kullanırlar. İdealliği, harika özellikleri nedir? Çok fazla yok, ama hepsi ya sıfıra, hatta sonsuza eğilimlidir. Ama böyle davranıyor işlemsel kuvvetlendirici geri bildirim (OS) kapsamında değildir ve genellikle harici bağlantıları yoktur.

Bu yazıda geribildirimler ve integralli hantal matematiksel formüllerden bahsetmeden operasyonel amplifikatörler dahil etmek için bazı şemalar hakkında konuşmaya çalışacağız. Ancak, genel anlamını anlamaya yardımcı olacak, okulun sekizinci sınıf seviyesinde, çok basit ve anlaşılabilir bazı, yine de önlenemez.

kazandırılması

Böyle bir "yaygın" kazançla, 15V'a yakın bir çıkış voltajı elde etmek için girişlerine sadece birkaç mikrovolt uygulamak (örneğin, şebeke paraziti) yeterlidir. Bu durum çıktının doygunluğunu gösterir.

Transistörlerde aynı durumu hatırlamak uygundur. Doğal olarak, bu formda hiç kazanç elde edilmez. Bu nedenle, gerçek operasyonel amplifikatörler her zaman aşağıda tartışılacak olan olumsuz geri bildirimlerle kaplıdır.

Her ne kadar operasyonel amplifikatörlerin geri besleme olmadan ve bazı durumlarda olumlu geri besleme ile kullanıldığı belirtilmelidir. Bu uygulama şurada bulundu: karşılaştırıcılar - analog sinyallerin doğru karşılaştırılması için cihazlar. Karşılaştırıcılar özel mikro devreler biçiminde mevcuttur ve diğer mikro devrelerin bir parçasıdır. Efsaneyi hatırla entegre zamanlayıcı NE555kendi içinde iki karşılaştırıcı içerir.

Neredeyse yakın tarih

Bir zamanlar, yerli elektronik endüstrisi de operasyonel amplifikatörlerin üretiminde ustalaştı. İlk operasyonel amplifikatör K1UT401A (B) idi, daha sonra sonunda aynı harflerle K140UD1 olarak yeniden adlandırıldı. Yani, Amerikan kardeşi UA702'nin neredeyse tam bir kopyası olan ± 6V'luk bir besleme voltajında ​​A harfli analog 500 ... 4500 aralığında ve B (± 12V) 1500 ... 13000 aralığında bir kazanç elde etti.

Modern standartlara göre, bu sadece saçma, ancak yine de bu arkaik amplifikatörler hala bulunabilir. Ancak böyle "küçük" bir kazançla bile, olumsuz geri bildirim olmadan yapmak imkansızdı.

Ve sadece entegre tasarımdaki işlemsel amplifikatörlerin görünümü, bu evrensel bileşeni endüstriyel, evsel ve amatör devrelere tanıttı. Sonuçta, elektronik tüplere sahip bir operasyonel amplifikatörün veya hatta savunma AVM'leri hariç bir transistör seçeneğinin kullanılamayacağını itiraf etmelisiniz.

İşlemsel yükselteçlerin giriş ve çıkışları

İşlemsel amplifikatör iki girişe ve bir çıkışa ve elbette voltaj sağlamak için iki çıkışa sahiptir. Bu hayati olan minimum sonuç dizisidir. Çoğu modern işlemsel amplifikatörde tam olarak böyle. Bir kez frekans düzeltme ve dengeleme unsurlarını bağlamak için sonuçlar vardı.

Gıda genellikle orta nokta ile iki kutupludur, bu da sabit voltajla amplifikasyonun gerçekleştirilmesini mümkün kılar. Bu durumda, genel olarak, işlemsel yükselteçlerin frekans aralığının 0 Hz'den başladığı ve üst frekansın, hem işlemsel yükselticinin kendisi, dahili devresi hem de transistörlerin tipi ve anahtarlama devresi ile sınırlı olduğu kabul edilir.

İdeal bir işlemsel yükselticinin bant genişliği DC'den sonsuza uzanır.Ayrıca, çıkış sinyalinin hızı veya dönüş hızı sonsuza eğilim gösterir. Ancak şimdilik bu konuyu ele almayacağız.

İşlemsel yükselticiyi geliştiren nedir

İşlemsel yükselticinin çıkış voltajı, girişlerindeki voltaj farkıyla orantılıdır. Bu durumda, sinyallerin mutlak seviyesi ve kutupları özel bir rol oynamaz. Sadece fark önemlidir. Ve elektronikteki tüm terimler İngilizce'den geldiğinden, heterojen, fark (“Multitran” sözlüğü) anlamına gelen “farklı” kelimesini hatırlamanın zamanıdır ve bu çalışma prensibinin amplifikatörlerine diferansiyel denir.

İşlemsel yükselteci ne yükseltmez

Burada ayrıca ortak bir mod sinyalinin zayıflaması gibi operasyonel amplifikatörlerin harika bir özelliğini hatırlayabiliriz: her iki girişe aynı sinyal uygulanırsa, amplifiye edilmeyecektir. Bu, uzun kablolar üzerine bir sinyal uygulanırken kullanılır: faydalı sinyalin farklı bir fazı bulunurken, her iki girişteki girişim sinyali aynıdır.

İşlemsel yükselticinin çıkışında ne elde edilebilir?

İdeal bir operasyonel amplifikatörün çıkış empedansı sıfıra meyillidir, bu da teorik olarak çıkışta keyfi olarak büyük, sadece sonsuz bir sinyal almanızı sağlar. Aslında, gerçek bir operasyonel amplifikatörün çıkış voltajı güç kaynaklarının voltajı ile sınırlıdır: eğer bir bipolar besleme voltajı, örneğin ± 15V ise, çıkışta +20 veya -25 elde etmek imkansızdır.

Bu, sabit voltajların amplifikasyonu ile ilgilidir. Amplifikasyon durumunda, örneğin, çıkışta bir sinüsoid, genliği besleme voltajını aşmayan bir sinüsoid de elde edilmelidir.

Giriş ve çıkış gerilimleri güç kaynaklarının geriliminden yüksek olamaz. Örneğin, ± 15V ile çalıştırıldığında, çıkış voltajı 0.5 ... 1.5V daha düşüktür. Ancak bazı modern mikro devreler, çıkış ve girişteki besleme voltajına eşit olmasına izin verir. Veri sayfalarındaki bu mülk, kelimenin tam anlamıyla “lastikten lastiğe” olarak adlandırılır. İşlemsel bir amplifikatör seçerken, bu özelliğe dikkat etmelisiniz.

Giriş empedansı

İşlemsel amplifikatörün her iki girişinin giriş empedansı çok büyüktür ve yüzlerce MegaOhm ve hatta bazı durumlarda GigaOhm'dadır. Karşılaştırma için: yukarıda belirtilen K1UT401, sadece birkaç on kOhm'luk bir giriş empedansına sahipti.

Giriş empedansı, elbette, ideal bir operasyonel amplifikatör gibi sonsuzluğa ulaşmaz, ancak yine de giriş sinyali seviyelerini etkilemeyecek kadar büyüktür. Buradan girişlerde akım akmadığı sonucuna varabiliriz. İşlemsel yükselteçlerdeki devrelerin hesaplanması ve analizinde kullanılan ana ilkelerden biridir. Şimdilik sadece hatırlamanız gerekiyor.

Son ifade doğrudan işlemsel yükselteçlerle ilgilidir. Böyle yüksek bir giriş empedansı, işlemsel amplifikatörlerin kendisinde bulunur, ancak buna bağlı olarak çeşitli devrelerin giriş empedansı çok daha düşük olabilir. Bu durum her zaman hatırlanmalıdır. Ve şimdi, dikkatli olun, hikaye en önemli şeyle başlar.

Olumsuz Geribildirim (OOS)

OOS, çıkış ile giriş arasında, çıkışın bir kısmının giriş sinyalinden çıkarıldığı bir bağlantıdan başka bir şey değildir. Böyle bir bağlantı kazançta bir azalmaya yol açar. OOS'tan farklı olarak, giriş sinyalini çıkışın bir kısmı ile tersine toplayan pozitif geri besleme (POS) vardır. Bu tür bağlantılar sadece elektronik teknolojisinde değil, diğer birçok durumda, örneğin mekanikte kullanılır. Bu geri bildirimlerin etkisi şu şekilde karakterize edilebilir: OOS sistemin stabilitesine, pozitif kararsızlığına yol açar.

Söz konusu operasyonel amplifikatörlerle ilgili olarak, OOS kazancı yeterli doğrulukla ayarlamanıza izin verir ve ayrıca devrede çok daha kalitatif ve hatta hoş iyileştirmelere yol açar. Ama önce OOS'un nasıl çalıştığını anlamanız gerekiyor.Örnek olarak, otomasyonla ilgili herhangi bir ders kitabında bulunabilecek bir devreyi düşünün.

Resim 1

Ignal U.Çıkış sinyali çıkışı. çıkıştan, toplama katsayısı β olan OOS devresi üzerinden, bu durumda, birden az toplama cihazına (içinde artı işareti olan bir daire) geçer. Bu katsayı teknik olarak mümkün olan birlikten daha büyük yapılırsa, sinyali yükseltmek yerine zayıflamasını elde ederiz. Ancak şimdilik kesin takviye ihtiyacımız olduğunu varsayacağız.

OOS uçurum sadece bir kazadır

Geri besleme döngüsünü keserseniz, işlemsel amplifikatörün çıkışındaki voltaj U.out olacaktır. = K * U.in. Teorik olarak büyük değer. Aslında, besleme voltajının büyüklüğü ile sınırlı olacaktır. Bu daha önce de söylenmişti. Benzer bir örnek: devirlerin dengelenmesi (ayrıca geri bildirim) olan bir elektrik motoruysa, mümkün olduğunca hızlanacaktır. Bu durumda, sistemin "seyyar satıcılık" yaptığını söylüyorlar.

OOS devresinin devresinden geçen çıkış sinyali β * U. çıkışı ile azaltılır. Bu nedenle, sadece (U.in.-β * U.out.) Toplayıcı yoluyla amplifikatör girişine gelir.Eksi işareti geri beslemenin negatif olduğunu gösterir. K kazanımı ile cihazdan geçtikten sonra, çıkış U.out. = K * (U.in.-β * U.out.) Olacaktır. Buna karşılık, tüm sistemin kazancı K.us. = U.out./U.in. ve ortaya çıktı U.out. = K *

Bazı dönüşümlerden sonra şu sonucu elde edebiliriz: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Bütün bu dönüşümler basit bir K.us. = K / (1+ K * formula) formülüne yol açtı. K'nin yeterince büyük olduğunu varsayarsak (ve bir operasyonel amplifikatör kullanılması durumunda bu gerçekten böyle), o zaman parantez içindeki ünite herhangi bir özel hava yapmaz, bunun sonucu olarak formül aşağıdaki formu alacaktır:

K.us. = 1 / β

Ortaya çıkan formül (aslında, formüllerin tüm çitinin bir araya toplanmasının nedeni buydu), geri besleme devresindeki işlemsel yükselticinin aktarım katsayısının hiçbir şekilde işlemsel yükselticinin kazancına bağlı olmadığını, ancak yalnızca geri bildirim devresi parametreleri tarafından belirlendiğini belirtmemizi sağlar. , iletim katsayısı β. Ancak, yine de, işlemsel yükselticinin kazancı ne kadar yüksek olursa, belirtilen formül o kadar doğru olur, devre o kadar kararlı çalışır.

Bu nedenle, operasyonel amplifikatörlerdeki amplifikasyon kaskadları, normal transistör kaskadları gibi ayar gerektirmez: sadece hesaplanan geri besleme dirençleri, lehimlenmiş, gerekli kaskad kazancını elde etti. Bunun nasıl yapılacağı bir sonraki makalede açıklanacaktır.