Operasjonsforsterkere i lineære kretser. Operasjonsforsterker

En ikke-inverterende forsterker er kanskje en av de tre mest elementære kretsene analog elektronikk, sammen med inverterende forsterker- og spenningsfølgerkretser. Det er enda enklere enn en inverterende forsterker, siden kretsen ikke krever bipolar strøm for å fungere.

Vær oppmerksom på enheten i formelen. Dette forteller oss at en ikke-inverterende forsterker alltid har en gain større enn 1, noe som gjør at man ikke kan dempe signalet med en slik krets.

For bedre å forstå hvordan en ikke-inverterende forsterker fungerer, la oss se på kretsen og tenke på hva spenningen ved utgangen vil være.

Det første vi må tenke på er hvilke spenninger som er tilstede på begge inngangene til op-forsterkeren vår. La oss huske den første av reglene, som beskriver driften av en operasjonsforsterker:

Regel nr. 1 - operasjonsforsterkeren påvirker utgangen på inngangen gjennom OOS (negativ tilbakemelding), som et resultat av at spenningen ved begge innganger, både inverterende (-) og ikke-inverterende (+), utjevnes.

Det vil si at spenningen ved den inverterende inngangen er 3V. I neste trinn, la oss se på 10k motstand. Vi vet hvilken spenning som er over den og dens motstand, noe som betyr at vi kan beregne hvor mye strøm som flyter gjennom den:

I = U/R = 3V/10k = 300uA.

Denne strømmen, i henhold til regel 2, kan ikke tas fra den inverterende inngangen (-), så den kommer fra forsterkerutgangen.

Regel nr. 2 - forsterkerinnganger bruker ikke strøm

En strøm på 300 μA går også gjennom en motstand med en motstand på 20 k. Vi kan enkelt beregne spenningen på den ved å bruke Ohms lov:

U = IR = 300uA * 20k = 6V

Det viser seg at denne spenningen er utgangsspenning forsterker? Nei, det er ikke sant. Husk at en 20k motstand har en spenning på 3V på en av terminalene. Legg merke til hvordan spenningene over begge motstandene er rettet.

Strømmen flyter i retningen motsatt retning pil som symboliserer et punkt med mer høyspenning. Derfor, til den beregnede 6V må du legge til ytterligere 3V ved inngangen. I dette tilfellet vil det endelige resultatet være 9V.

Det er verdt å merke seg at motstandene R1 og R2 danner en enkel. Husk at summen av spenningene over de enkelte motstandene til deleren må være lik spenningen som tilføres deleren - spenningen kan ikke forsvinne sporløst og dukke opp fra intet.

Til slutt må vi sjekke resultatet oppnådd med den siste regelen:

Regel nr. 3 - spenningene ved inngangene og utgangene må ligge i området mellom den positive og negative forsyningsspenningen til op-ampen.

Det vil si at det er nødvendig å sjekke at spenningen vi beregnet faktisk kan oppnås. Ofte tror nybegynnere at forsterkeren fungerer som en "Perpetuum Mobile" og produserer spenning ut av ingenting. Men vi må huske at forsterkeren også trenger strøm for å fungere.

Klassiske forsterkere fungerer på spenninger på -15V og +15V. I en slik situasjon er 9V vi beregner den virkelige spenningen, siden 9V er i området til forsyningsspenningen. Imidlertid opererer moderne forsterkere ofte ved spenninger så lave som 5V eller lavere. I en slik situasjon er det ingen sjanse for at forsterkeren sender ut 9V.

Derfor, når du designer kretser, må det alltid huskes at teoretiske beregninger alltid må kontrolleres mot virkeligheten og de fysiske egenskapene til komponentene.

Det er mange viktige temaer i et elektronikkkurs. I dag skal vi prøve å forstå operasjonsforsterkere.
Begynne på nytt. En operasjonsforsterker er en "ting" som lar deg operere på alle mulige måter analoge signaler. De enkleste og mest grunnleggende er forsterkning, demping, addisjon, subtraksjon og mange andre (for eksempel differensiering eller logaritme). De aller fleste operasjoner på operasjonsforsterkere (heretter referert til som op-amps) utføres ved bruk av positiv og negativ tilbakemelding.
I denne artikkelen vil vi vurdere en viss "ideell" op-amp, fordi gå til spesifikk modell gir ikke mening. Med ideell menes det at inngangsmotstanden vil ha en tendens til uendelig (derav vil inngangsstrømmen ha en tendens til null), og utgangsimpedans- tvert imot vil den ha en tendens til null (dette betyr at belastningen ikke skal påvirke utgangsspenningen). Dessuten bør enhver ideell op-amp forsterke signaler av hvilken som helst frekvens. Vel, og viktigst av alt, gevinsten når det er nei tilbakemelding må også tendere mot det uendelige.

Kom til poenget

En operasjonsforsterker i kretsskjemaer er ofte symbolisert med en likesidet trekant. Til venstre er inngangene, som er merket "-" og "+", til høyre er utgangen. Spenning kan påføres hvilken som helst av inngangene, hvorav den ene endrer polariteten til spenningen (det er derfor den ble kalt invertering), den andre ikke (det er logisk å anta at det kalles ikke-inverterende). Op-amp strømforsyningen er oftest bipolar. Vanligvis positive og negativ spenning mat har samme verdi(men annet tegn!).
I det enkleste tilfellet kan du koble spenningskilder direkte til op-amp-inngangene. Og da vil utgangsspenningen beregnes i henhold til formelen:
, hvor er spenningen ved den ikke-inverterende inngangen, er spenningen ved den inverterende inngangen, er utgangsspenningen og er forsterkningen med åpen sløyfe.
La oss se på den ideelle op-ampen fra Proteus-synspunktet.

Jeg foreslår at du "leker" med ham. En spenning på 1V ble påført den ikke-inverterende inngangen. For å invertere 3V. Vi bruker en "ideell" op-amp. Så vi får: . Men her har vi en limiter, fordi vi vil ikke være i stand til å forsterke signalet over forsyningsspenningen vår. Dermed vil vi fortsatt få -15V på utgangen. Resultat:

La oss endre gevinsten (så du tror meg). La sbli lik to. Det samme problemet er helt klart løst.

Virkelig bruk av op-forsterkere ved å bruke eksemplet med inverterende og ikke-inverterende forsterkere

Det er to av disse hoved- regler:
JEG. Op-amp-utgangen har en tendens til å føre til at differensialspenningen (forskjellen mellom spenningen ved de inverterende og ikke-inverterende inngangene) blir null.
II. Op-amp-inngangene bruker ingen strøm.
Den første regelen implementeres gjennom tilbakemelding. De. spenningen overføres fra utgangen til inngangen på en slik måte at potensialforskjellen blir null.
Dette er så å si de "hellige kanonene" i OU-emnet.
Og nå, mer spesifikt. Inverterende forsterker ser akkurat slik ut (vær oppmerksom på hvordan inngangene er plassert):

Basert på den første "kanonen" får vi andelen:
, og etter å ha "gjort litt magi" med formelen, utleder vi verdien for forsterkningen til den inverterende op-ampen:

Skjermbildet ovenfor trenger ingen kommentarer. Bare koble til alt og sjekk det selv.

Neste nivå - ikke-inverterende forsterker.
Alt er også enkelt her. Spenningen tilføres direkte til den ikke-inverterende inngangen. Tilbakemelding leveres til den inverterende inngangen. Spenningen ved den inverterende inngangen vil være:
, men ved å bruke den første regelen, kan vi si det

Og igjen, "grandios" kunnskap innen høyere matematikk lar oss gå videre til formelen:
Jeg vil gi deg et omfattende skjermbilde som du kan dobbeltsjekke hvis du vil:

Til slutt vil jeg gi deg et par interessante opplegg, slik at du ikke får inntrykk av at op-ampere kun kan forsterke spenning.

Spenningsfølger (bufferforsterker). Driftsprinsippet er det samme som for en transistorrepeater. Brukes i kretser med tung belastning. Den kan også brukes til å løse problemet med impedanstilpasning hvis kretsen inneholder uønskede spenningsdelere. Opplegget er enkelt til det geniale:

Oppsummeringsforsterker. Den kan brukes hvis du trenger å legge til (trekke fra) flere signaler. For klarhet, her er et diagram (igjen, vær oppmerksom på plasseringen av inngangene):

Vær også oppmerksom på det faktum at R1 = R2 = R3 = R4, og R5 = R6. Beregningsformel i i dette tilfellet vil være: (kjent, ikke sant?)
Dermed ser vi at spenningsverdiene som leveres til den ikke-inverterende inngangen "erverver" et plusstegn. På den inverterende - minus.

Konklusjon

Operasjonsforsterkerkretser er ekstremt forskjellige. I mer vanskelige saker Du kan komme over diagrammer aktive filtre, ADC og lagringssamplingsenheter, effektforsterkere, strøm-til-spenning-omformere og mange mange andre kretser.

Liste over kilder

En kort liste over kilder som vil hjelpe deg raskt å bli vant til både op-forsterkere og elektronikk generelt:
Wikipedia
P. Horowitz, W. Hill. "Kunsten med kretsdesign"
B. Baker. "Hva en digital utvikler trenger å vite om analog elektronikk"
Forelesningsnotater om elektronikk (helst din egen)
UPD: Takk skal du ha UFO for invitasjon

Som nevnt brukes operasjonsforsterkere for tiden i en lang rekke applikasjoner. elektroniske enheter. De er mye brukt i både analog og pulsapparater elektronikk. Samtidig er det og brukes ofte standard lineære skjemaer basert på operasjonsforsterkere. Slik standard ordninger Alle ingeniører som bruker elektroniske enheter bør vite dette. Slike ordninger er omtalt nedenfor.

Det er veldig nyttig å mestre ganske enkle teknikker manuell analyse elektroniske kretser basert på operasjonsforsterkere. Dette vil gjøre det mye lettere å forstå driftsprinsippet. spesifikke enheter elektronikk og vil bidra til å oppnå pålitelige resultater av maskinanalyse. Disse analyseteknikkene er basert på en rekke forutsetninger forutsatt at operasjonsforsterkerne som brukes er tilstrekkelig nær ideelle. Praksisen med beregninger viser at resultatene som er oppnådd på grunnlag av forutsetninger har en helt akseptabel feil.

La oss ta følgende forutsetninger:

● Inngangsmotstanden til operasjonsforsterkeren er uendelig, strømmene til inngangselektrodene er null (R inngang → ∞, i + = i −).

● Utgangsimpedansen til op-forsterkeren er null, det vil si at op-forsterkeren på utgangssiden er en ideell kilde (R out = 0).

● Spenningsforsterkningen (differensiell forsterkning) er uendelig, og differensialforsterkningen i forsterkningsmodus er null (ikke kortslutt op-amp-ledningene).

● I metningsmodus er utgangen lik forsyningsspenningen, og fortegnet bestemmes av polariteten til inngangsspenningen. Det er nyttig å merke seg det faktum at i metningsmodus ikke alltid kan vurderes differensialsignalet lik null.

● Common-mode-signalet har ingen effekt på op-ampen.

● nullforskyvning er null.

La oss vurdere den inverterende forsterkerkretsen (fig. 2.25), hvorfra det kan sees at parallell spenningstilbakemelding opererer i den.

Siden i − = 0, i samsvar med Kirchhoffs første lov, er i 1 = i 2.

Anta at operasjonsforsterkeren opererer i forsterkningsmodus, så er udiff = 0. I samsvar med dette, basert på Kirchhoffs andre lov, får vi i 1 = uin/ R 1 i 2 = − uout/ R 2

Tatt i betraktning at i 1 = i 2, får vi uout = −uin · R 2 / R 1

Dermed er den inverterende forsterkeren karakterisert ved en spenningsforsterkning lik Ku= −R2/R1

For eksempel, hvis R1= 1 kOhm, R2=10 kOhm, så uout= − 10 uin

For å redusere påvirkningen av inngangsstrømmene til operasjonsforsterkeren på utgangen, er en motstand med motstand R 3 inkludert i den ikke-inverterende inngangskretsen (fig. 2.26), som bestemmes fra uttrykket R3=R1//R2= R1 R2/ (R1+R2)

Inngangsimpedansen til den inverterende forsterkeren er lave frekvenser betydelig lavere enn op-ampens egen inngangsimpedans. Dette er helt i samsvar med det tidligere funnet at parallell negativ tilbakekobling som forekommer i kretsen reduserer inngangsimpedansen. Tatt i betraktning at udif~ 0, er det lett å se at inngangsmotstanden til forsterkeren ved lave frekvenser er omtrent lik R 1.

Utgangsmotstanden til den inverterende forsterkeren ved lave frekvenser Rout.os er betydelig mindre enn utgangsmotstanden ved lave frekvenser Rout til selve operasjonsforsterkeren. Dette er en konsekvens av negativ spenningstilbakemelding.

Det kan vises at R ut = R ut / (1 + K R1/R2) hvor K er spenningsforsterkningen til operasjonsforsterkeren.

Derfor,.

Siden U ut = U d · K og U d =U ut / K, med K → ∞ og U d ≈ 0, kan vi skrive at
. Ved å løse ligningen får vi et uttrykk for forsterkningen K os med lukket sløyfe
,(15.3)

som er gyldig under betingelsen K » Kos.

I ordningen spenningsfølger ved op-amp ( Fig. 15.4) U ut tilbakemelding kommer fra forsterkerutgangen til den inverterende inngangen. Siden spenningsforskjellen ved inngangene til op-ampen øker - U d, kan du se at spenningen ved utgangen til forsterkeren er U ut = U d K.

Fig. 15.4. Spenningsfølger på op-amp

Utgangsspenningen til op-ampen er U ut = U inn + U d. Siden U ut = U d · K, får vi at U d = U ut / K. Derfor,
. Siden K er stor (K → ∞), har U ut / K en tendens til null, og som et resultat får vi likheten U inn = U ut.

Inngangsspenningen kobles til jord kun gjennom forsterkerens inngangsimpedans, som er veldig høy, så repeateren kan tjene som et godt matchende trinn.

Forsterker med differensialinngang har to innganger, og de inverterende og ikke-inverterende inngangene er under samme spenning, i dette tilfellet lik Uoc, siden spenningsforskjellen mellom de inverterende og ikke-inverterende inngangene er veldig liten (vanligvis mindre enn 1 mV).

Ris. 15.5. Forsterker med differensialinngang

Hvis du setter U 1 lik null og tilfører et inngangssignal til inngangen U 2, vil forsterkeren fungere som en ikke-inverterende forsterker, der inngangsspenningen fjernes fra deleren dannet av motstandene R 2 og R΄ os . Hvis begge spenningene U 1 og U 2 tilføres de tilsvarende inngangene samtidig, vil signalet ved den inverterende inngangen forårsake en slik endring i utgangsspenningen at spenningen ved koblingspunktet til motstandene R 1 og R oc blir lik. U os, hvor
.

På grunn av det faktum at forsterkeren har en veldig høy inngangsimpedans,

vi har

.

Når vi løser den resulterende ligningen for U ut, har vi:

Ved å erstatte uttrykket for Uoc får vi:

Hvis vi setter R 1 = R 2 og R oc = R´ oc (situasjonen som oftest oppstår), får vi
. Polariteten til utgangsspenningen bestemmes av den største av spenningene U 1 og U 2 .

Det er klart, hvis U 2 i fig. 15.5 er lik null, vil forsterkeren fungere i forhold til U 1 som en inverterende forsterker.

Op-amp krets inngangsimpedans kan defineres som følger. En spenning påføres den differensielle inngangsmotstanden til op-amp rd. U d. På grunn av tilstedeværelsen av tilbakemelding er denne spenningen liten.

U d = U ut /K U = U 1 /(1+K U b), (15,6)

hvor b = R 1 /(R 1 + R 2) er overføringskoeffisienten til deleren i tilbakekoblingskretsen. Dermed flyter bare en strøm lik U 1 /r d (1+K U b) gjennom denne motstanden. Derfor multipliseres den differensielle inngangsmotstanden, på grunn av virkningen av tilbakemelding, med en faktor på 1+K U b. I følge fig. 12, for den resulterende inngangsmotstanden til kretsen har vi:

R in = r d (1+K U b)||r in

Denne verdien selv for operasjonsforsterkere med bipolare transistorer ved inngangene overstiger 10 9 Ohm. Det skal imidlertid huskes at vi utelukkende snakker om forskjellsverdi; dette betyr at endringer i inngangsstrømmen er små, mens gjennomsnittsverdien av inngangsstrømmen kan få uforlignelig større verdier.

Ris. 15.6. Krets til en ikke-inverterende forsterker som tar hensyn til op-ampens egne motstander.

Op-amp utgangsimpedans en operasjonsforsterker som ikke dekkes av tilbakemelding er gitt av:

(15.7)

Når en last er tilkoblet, oppstår en liten reduksjon i utgangsspenningen til kretsen, forårsaket av et spenningsfall over ruten, som overføres til inngangen til forsterkeren gjennom en spenningsdeler R 1, R 2. Den resulterende økningen i differensialspenning kompenserer for endringen i utgangsspenning.

Generelt kan utgangsmotstanden ha en ganske høy verdi (i noen tilfeller fra 100 til 1000 Ohm. Koble til OS-kretsen lar deg redusere utgangsmotstanden

For en forsterker dekket av tilbakemelding, har denne formelen formen:

(15.8)

I dette tilfellet forblir verdien av U d ikke konstant, men endres med mengden

dU d = - dU n = -bdU ut

For en forsterker med en lineær overføringskarakteristikk er endringen i utgangsspenning

dU ut =K U dU d - r ut dI ut

Størrelsen på strømmen som forgrener seg inn i tilbakekoblingsspenningsdeleren i dette tilfellet kan neglisjeres. Ved å erstatte verdien dU d i det siste uttrykket får vi det ønskede resultatet:

(15.9)

Hvis for eksempel b =0,1, som tilsvarer forsterkning av inngangssignalet med 10 ganger, og K U =10 5, vil utgangsimpedansen til forsterkeren reduseres fra 1 kOhm til 0,1 Ohm. Ovennevnte er generelt sant innenfor forsterkerens båndbredde f p, Hz. For mer høye frekvenser utgangsimpedansen til op-ampen med tilbakemelding vil øke, fordi verdi |K U | med økende frekvens vil den avta med en hastighet på 20 dB per tiår (se fig. 3). I dette tilfellet får den en induktiv karakter og ved frekvenser over f t blir den lik verdien av utgangsimpedansen til forsterkeren uten tilbakemelding.

Dynamiske parametere for op-amp, som karakteriserer ytelsen til op-ampen kan deles inn i parametere for små og store signaler. Den første gruppen av dynamiske parametere inkluderer båndbredden f p, enhetsforsterkningsfrekvensen f t og innstillingstiden t y. Disse parameterne kalles småsignal, fordi de måles i den lineære driftsmodusen til op-amp-trinnene (DU ut<1В). Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения r и мощностная полоса пропускания f р. Эти параметры измеряются при большом дифференциальном входном сигнале ОУ (более 50 мВ). Некоторые из этих парамеров рассмотрены выше. Время установления отсчитывается от момента подачи на вход ОУ ступеньки входного напряжения до момента, когда в последний раз станет справедливым равенство |U вых.уст - U вых(t) | = d, где U вых.уст - установившееся значение выходного напряжения, d - допустимая ошибка.

Driftsfrekvensbånd eller båndbredde Op-ampen bestemmes av typen amplitude-frekvenskarakteristikk tatt ved den maksimalt mulige amplituden til det uforvrengte utgangssignalet. For det første, ved lave frekvenser, settes amplituden til signalet fra den harmoniske oscillasjonsgeneratoren slik at amplituden til utgangssignalet U ut.max litt ikke når metningsgrensene til forsterkeren. Deretter økes frekvensen til inngangssignalet. Effektbåndbredden f p tilsvarer en verdi på U ut.maks lik 0,707 av den opprinnelige verdien. Størrelsen på effektpassbåndet avtar når kapasitansen til korreksjonskondensatoren øker.

Driftsparametre Op-ampen bestemmer de tillatte driftsmodusene til inngangs- og utgangskretsene og kravene til strømforsyninger, samt temperaturområdet til forsterkeren. Begrensninger på operasjonsparametere bestemmes av de endelige verdiene for sammenbruddsspenninger og tillatte strømmer gjennom op-amp-transistorene. De viktigste operasjonelle parameterne inkluderer: den nominelle verdien av forsyningsspenningen U p; tillatt område for forsyningsspenninger; strøm forbrukes fra kilde I potten; maksimal utgangsstrøm I utgang maks; maksimale utgangsspenningsverdier ved nominell strømforsyning; maksimalt tillatte verdier for common-mode og differensial inngangsspenninger

Amplitude-frekvensrespons operasjonsforsterker er en viktig faktor som stabiliteten til reelle kretser med en slik forsterker avhenger av. I de fleste operasjonsforsterkere er individuelle trinn koblet til hverandre via DC galvaniske koblinger, slik at disse forsterkerne ikke har en forsterkningsavvikling i lavfrekvent regionen og det er nødvendig å analysere forsterkningsavviklingen med økende frekvens.

Fig.15.7 . Driftsforsterkerens frekvensrespons

I fig. 15.7. viser en typisk op-amp frekvensrespons.

Ris. 15.8. Forenklet ekvivalent op-amp krets

Når frekvensen øker, synker kapasitansen, noe som fører til en reduksjon i tidskonstanten τ = R n* C. Det må selvsagt være en frekvens over hvilken spenningen på utgangen U ut vil være mindre enn KU d.

Uttrykk for forsterkning K ved enhver frekvens

ser ut som
, hvor K er forsterkningen uten tilbakemelding ved lave frekvenser, f er driftsfrekvensen; f 1 – grensefrekvens eller frekvens ved 3 dB, dvs. frekvensen der K(f) er 3 dB lavere enn K, eller lik 0,707 A.

Hvis, som vanligvis er tilfellet, Rn » Rout, da
.

Vanligvis er amplitude-frekvensresponsen gitt i generell form. Hvordan:

. (15.10)

hvor f er frekvensen vi er interessert i, mens f 1 er en fast frekvens, som kalles grense Frekvens og er et kjennetegn ved en bestemt forsterker. Når frekvensen øker, avtar spenningsforsterkningen. I tillegg, fra uttrykket for θ er det klart at når frekvensen endres, skifter fasen til utgangssignalet i forhold til fasen til inngangen; - utgangssignalet henger i fase fra inngangen.

Å legge til negativ tilbakemelding, slik som gjøres i inverterende eller ikke-inverterende forsterkere, øker den effektive båndbredden til op-ampen.

For å se dette, vurder uttrykket for åpen sløyfe-forsterkning til en forsterker med en roll-off på 6 dB/oktav (ved dobbelt så høy frekvens):

hvor K(f) er åpen sløyfeforsterkning ved frekvens f; A – forsterkning uten tilbakemelding ved lave frekvenser; f 1 – koblingsfrekvens. Å erstatte dette forholdet i uttrykket for gevinsten i nærvær av tilbakemelding
, vi får

. (15.11)

Dette uttrykket kan skrives om som
hvor 1 oc = f 1 (1+AP); K 1 – forsterkning med lukket tilbakemelding ved lave frekvenser; f 1oc – grensefrekvens i nærvær av tilbakemelding.

Grensefrekvensen med tilbakemelding er lik grensefrekvensen uten tilbakemelding multiplisert med (1+Kβ)>1, så den effektive båndbredden øker faktisk når tilbakemelding brukes. Dette fenomenet er vist i fig. 8, hvor f 1oc > f 1 for en forsterker med en forsterkning på 40 dB.

Hvis forsterkerens avrullingshastighet er 6 dB/oktav, er produktet av forsterkningen og båndbredden konstant: Kf 1 = konst. For å se dette, la oss multiplisere den ideelle forsterkningen ved lave frekvenser med den øvre grensefrekvensen til samme forsterker i nærvær av tilbakemelding.

Så får vi produktet av gevinst og båndbredde:

, hvor K er forsterkningen med åpen sløyfe ved lave frekvenser.

Mens det tidligere ble vist at for å øke båndbredden ved hjelp av tilbakemelding, må forsterkningen reduseres, nå gjør det avledede forholdet det mulig å finne ut hvor mye av forsterkningen som må ofres for å oppnå ønsket båndbredde.

Driftsforsterker ekvivalent krets lar deg ta hensyn til påvirkningen av forsterkerfeil på egenskapene til kretsen. For å gjøre dette er det praktisk å forestille seg forsterkeren som en komplett ekvivalent krets som inneholder betydelige elementer av ikke-idealitet. En komplett op-amp ekvivalent krets for små sakte signalendringer er vist i fig. 15.9.

Ris. 15.9.. Driftsforsterker ekvivalent krets for små signaler

For operasjonsforsterkere med bipolare transistorer ved inngangen er inngangsmotstanden for differensialsignalet rd flere megaohm, og inngangsmotstanden for common-mode signalet r in er flere giga ohm. Inngangsstrømmene bestemt av disse motstandene er i størrelsesorden flere nanoampere. Betydelig større verdier har likestrømmer, som strømmer gjennom inngangene til operasjonsforsterkeren og bestemmes av forspenningen til transistorene til differensialtrinnet. For universelle op-ampere varierer inngangsstrømmene fra 10 nA til 2 μA, og for forsterkere med futgjør de brøkdeler av nanoampe.

Operasjonsforsterkere er en av hovedkomponentene i moderne analoge elektroniske enheter. Takket være enkle beregninger og utmerkede parametere er operasjonsforsterkere enkle å bruke. De kalles også differensialforsterkere fordi de er i stand til å forsterke forskjellen i inngangsspenninger.

Bruken av operasjonsforsterkere i lydteknologi er spesielt populær for å forbedre lyden til musikkhøyttalere.

Betegnelse på diagrammer

Det kommer vanligvis fem pinner ut av forsterkerhuset, hvorav to pinner er innganger, en er utgang og de resterende to er strømforsyning.

Driftsprinsipp

Det er to regler som hjelper deg å forstå driftsprinsippet til en operasjonsforsterker:

Utgangen fra operasjonsforsterkeren har en tendens til null spenningsforskjell over inngangene.
Forsterkerinngangene bruker ikke strøm.

Den første inngangen er betegnet med "+" og kalles ikke-inverterende. Den andre inngangen er merket med et "–"-tegn og regnes som inverterende.

Forsterkerens innganger har en høy motstand kalt impedans. Dette tillater strømforbruk ved inngangene til flere nanoampere. Ved inngangen vurderes spenningsverdien. Avhengig av denne vurderingen sender forsterkeren ut et forsterket signal.

Gevinstfaktoren er av stor betydning, noen ganger når den en million. Dette betyr at hvis minst 1 millivolt tilføres inngangen, vil utgangsspenningen være lik spenningen til forsterkerens strømforsyning. Derfor brukes ikke opamps uten tilbakemelding.

Forsterkerinngangene fungerer etter følgende prinsipp: hvis spenningen på den ikke-inverterende inngangen er høyere enn spenningen på den inverterende inngangen, vil utgangen ha den høyeste positive spenningen. I motsatt situasjon vil utgangen ha den største negative verdien.

Negativ og positiv spenning ved utgangen av operasjonsforsterkeren er mulig på grunn av bruken av en strømforsyning som har en delt bipolar spenning.

Op amp kraft

Hvis du tar AA batteri, så har den to poler: positiv og negativ. Hvis den negative polen regnes som nullreferansepunktet, vil den positive polen vise +1,5 V. Dette kan sees fra den tilkoblede.

Ta to elementer og koble dem i serie, du får følgende bilde.

Hvis den negative polen til det nedre batteriet tas som nullpunkt, og spenningen måles ved den positive polen til det øvre batteriet, vil enheten vise +10 volt.

Hvis vi tar midtpunktet mellom batteriene som null, får vi en bipolar spenningskilde, siden det er en spenning med positiv og negativ polaritet, lik henholdsvis +5 volt og -5 volt.

Eksistere enkle kretser split-power-enheter brukt i amatørradiodesign.

Strøm til kretsen leveres fra et husholdningsnettverk. Transformatoren reduserer strømmen til 30 volt. Sekundærviklingen i midten har en kran, ved hjelp av hvilken utgangen er +15 V og -15 V likerettet spenning.

Varianter

Det er flere ulike ordninger operasjonsforsterkere som er verdt å vurdere i detalj.

Inverterende forsterker

Dette er hovedordningen. Det særegne ved denne kretsen er at opampene i tillegg til forsterkning er preget av en faseendring. Bokstaven "k" representerer forsterkningsparameteren. Grafen viser effekten av forsterkeren i denne kretsen.

Blå farge representerer inngangssignalet og rød farge representerer utgangssignalet. Forsterkningen i dette tilfellet er lik: k = 2. Amplituden til utgangssignalet er 2 ganger større enn inngangssignalet. Forsterkerens utgang er invertert, derav navnet. Inverterende op-amper har en enkel krets:

Disse op-forsterkerne har blitt populære på grunn av deres enkle design. For å beregne gevinsten, bruk formelen:

Dette viser at forsterkningen til op-ampen ikke er avhengig av motstanden R3, så du kan klare deg uten den. Her brukes den til beskyttelse.

Ikke-inverterende operasjonsforsterkere

Denne kretsen ligner den forrige, forskjellen er fraværet av inversjon (inversjon) av signalet. Dette betyr å opprettholde fasen til signalet. Grafen viser et forsterket signal.

Forsterkningen til den ikke-inverterende forsterkeren er også lik: k = 2. Et signal i form av en sinusform tilføres inngangen, bare amplituden har endret seg ved utgangen.

Denne kretsen er ikke mindre enkel enn den forrige; den har to motstander. Ved inngangen tilføres signalet til den positive terminalen. For å beregne gevinsten må du bruke formelen:

Det viser at forsterkningskoeffisienten ikke eksisterer mindre enn én, siden signalet ikke er undertrykt.

Subtraksjonskrets

Denne kretsen gjør det mulig å skape en forskjell mellom to inngangssignaler, som kan forsterkes. Grafen viser driftsprinsippet til en differensialkrets.

Denne forsterkerkretsen kalles også en subtraksjonskrets.

Hun har mer kompleks design, i motsetning til de tidligere omtalte ordningene. For å beregne utgangsspenningen, bruk formelen:

Venstre side av uttrykket (R3/R1) bestemmer forsterkningen, og høyre del(Ua – Ub) er spenningsforskjellen.

Tilleggskrets

Denne kretsen kalles en integrert forsterker. Det er det motsatte av subtraksjonsskjemaet. Dens spesielle funksjon er muligheten til å behandle mer enn to signaler. Alle lydmiksere opererer etter dette prinsippet.

Dette diagrammet viser muligheten til å summere flere signaler. For å beregne spenningen brukes formelen:

Integratorkrets

Hvis du legger til en tilbakemeldingskondensator til kretsen, får du en integrator. Dette er en annen enhet som bruker operasjonsforsterkere.

Integratorkretsen ligner på en inverterende forsterker, med kapasitans lagt til tilbakemeldingen. Dette fører til at systemoperasjonen er avhengig av frekvensen til inngangssignalet.

Integratoren er karakterisert interessant funksjon overgang mellom signaler: først blir det rektangulære signalet konvertert til et trekantet signal, deretter blir det til et sinusformet. Gevinsten beregnes ved hjelp av formelen:

I denne formelen er variabelen ω = 2 π f øker med økende frekvens, derfor, jo høyere frekvensen er, desto lavere blir forsterkningen. Derfor kan integratoren fungere som et aktivt lavpassfilter.

Differensiatorkrets

I denne ordningen oppstår den motsatte situasjonen. En kapasitans er koblet til inngangen, og en motstand er koblet i tilbakemeldingen.

Etter navnet på kretsen å dømme, ligger driftsprinsippet i forskjellen. Jo raskere signalet endres, desto høyere forsterkning. Dette alternativet lar deg lage aktive filtre for høy frekvens.

Forsterkningen for differensiatoren beregnes ved å bruke formelen:

Dette uttrykket er det motsatte av integratoruttrykket. Gevinsten øker i negativ side med økende frekvens.

Analog komparator

En komparatorenhet sammenligner to spenningsverdier og driver signalet til en lav eller høy utgangsverdi, avhengig av spenningens tilstand. Dette systemet inkluderer digital og analog elektronikk.

En spesiell egenskap ved dette systemet er fraværet av tilbakemelding i hovedversjonen. Dette betyr at sløyfemotstanden er svært høy.

Det tilføres et signal til den positive inngangen, og hovedspenningen, som stilles inn av et potensiometer, tilføres den negative inngangen. På grunn av mangelen på tilbakemelding, har gevinsten en tendens til uendelig.

Når spenningen ved inngangen overstiger verdien av hovedreferansespenningen, mottar utgangen den høyeste spenningen, som er lik den positive forsyningsspenningen. Hvis inngangsspenningen er mindre enn referansespenningen, vil utgangsverdien være en negativ spenning lik spenningen til strømkilden.

Det er en betydelig feil i den analoge komparatorkretsen. Når spenningsverdiene ved de to inngangene nærmer seg hverandre, kan utgangsspenningen endres ofte, noe som vanligvis fører til hopp og funksjonsfeil i reléet. Dette kan forårsake feil på utstyret. For å løse dette problemet brukes en krets med hysterese.

Analog komparator med hysterese

Figuren viser operasjonsdiagrammet til krets c, som er lik den forrige kretsen. Forskjellen er at det å slå av og på ikke skjer ved samme spenning.

Retningen til pilene på grafen indikerer retningen som hysteresen beveger seg i. Når man undersøker grafen fra venstre til høyre, er det tydelig at overgangen til mer lavt nivå utføres ved spenning Uph, og beveger seg fra høyre til venstre, vil utgangsspenningen nå toppnivå ved spenning Upl.

Dette operasjonsprinsippet fører til det faktum at ved like verdier av inngangsspenninger, endres ikke tilstanden ved utgangen, siden en endring krever en spenningsforskjell på en betydelig mengde.

Denne operasjonen av kretsen fører til en viss treghet i systemet, men det er sikrere, i motsetning til en krets uten hysterese. Vanligvis brukes dette operasjonsprinsippet i oppvarmingsenheter med termostat: ovner, strykejern, etc. Figuren viser en forsterkerkrets med hysterese.

Spenninger beregnes i henhold til følgende avhengigheter:

Spenningsrepeatere

Operasjonsforsterkere brukes ofte i spenningsfølgerkretser. Hovedtrekket til disse enhetene er at de ikke forsterker eller demper signalet, det vil si at forsterkningen i dette tilfellet er lik en. Denne funksjonen skyldes det faktum at tilbakemeldingssløyfen har en motstand lik null.

Slike spenningsfølgersystemer brukes oftest som en buffer for å øke laststrømmen og enhetens ytelse. Siden inngangsstrømmen er nær null, og utgangsstrømmen avhenger av typen forsterker, er det mulig å avlaste svake signalkilder, for eksempel noen sensorer.