Аперацыйны ўзмацняльнік: схемы ўключэння, прынцып працы. Схема ўзмацняльніка на аперацыйным узмацняльніку неинвертирующего. Схема ўзмацняльніка напружання пастаяннага току на аперацыйным узмацняльніку

У артыкуле будзе разгледжана стандартная схема ўзмацняльніка на аперацыйным узмацняльніку, а таксама прыведзены прыклады розных рэжымаў працы гэтага прыбора. На сённяшні дзень ні адно прылада кіравання не абыходзіцца без выкарыстання аперацыйных узмацняльнікаў. Гэта сапраўды універсальныя прыборы, якія дазваляюць выконваць розныя функцыі з сігналам. Пра тое, як працуе і што канкрэтна дазваляе зрабіць гэты прыбор, вы і даведаецеся далей.

Інвертуйце ўзмацняльнікі

Схема Інвертуйце ўзмацняльніка на ОУ досыць простая, вы яе можаце ўбачыць на малюнку. У яе аснове знаходзіцца аперацыйны ўзмацняльнік (схемы ўключэння яго разгледжаны ў дадзеным артыкуле). Акрамя гэтага, тут:

1. На рэзістары R1 падзенне напружання прысутнічае, па сваім значэнні яно такое ж, як уваходнае.
2. На рэзістары R2 таксама маецца падзенне напружання - яно такое ж, як выхадное.

Пры гэтым стаўленне выхаднога напружання да супраціву R2 роўна па значэнні адносінах уваходнага да R1, але назад яму па знаку. Ведаючы значэння супраціву і напружання, можна вылічыць каэфіцыент узмацнення. Для гэтага неабходна падзяліць выходную напружанне на уваходнае. Пры гэтым аперацыйны ўзмацняльнік (схемы ўключэння ў яго могуць быць любымі) можа мець аднолькавы каэфіцыент узмацнення незалежна ад тыпу.

Праца зваротнай сувязі

Зараз трэба больш дэталёва разабраць адзін ключавы момант - працу зваротнай сувязі. Дапусцім, на ўваходзе маецца некаторае напружанне. Для прастаты разлікаў прымем яго значэнне роўным 1 В. Дапушчальны таксама, што R1 = 10 кім, R2 = 100 кім.

А цяпер выкажам здагадку, што паўстала нейкая непрадбачаная сітуацыя, з-за якой на выхадзе каскаду напружанне усталявалася на значэнні 0 В. Далей назіраецца цікавая карціна - два супраціву пачынаюць працаваць у пары, сумесна яны ствараюць з сябе дзельнік напругі. На выхадзе Інвертуйце каскаду яно падтрымліваецца на ўзроўні 0,91 У. Пры гэтым ОУ дазваляе фіксаваць разузгадненне па уваходам, а на выхадзе адбываецца памяншэнне напружання. Таму вельмі проста спраектаваць схему на аперацыйных узмацняльніках, якая рэалізуе функцыю ўзмацняльніка сігналу ад датчыка, напрыклад.

І працягвацца гэта змена будзе да той самай пары, пакуль не ўсталюецца на выхадзе значэнне стабільнае ў 10 В. Менавіта ў гэты момант на ўваходах аперацыйнага ўзмацняльніка патэнцыялы апынуцца роўнымі. І яны будуць такімі ж, як патэнцыял зямлі. З іншага боку, калі на выхадзе прылады працягне змяншацца напружанне, і яно будзе менш, чым -10 В, на ўваходзе патэнцыял стане ніжэй, чым у зямлі. Следства гэтага - на выхадзе пачынае павялічвацца напружанне.

У такой схемы маецца вялікі недахоп - уваходны імпеданс вельмі маленькі, асабліва ў узмацняльнікаў з вялікім значэннем каэфіцыента ўзмацнення па напрузе, у тым выпадку, калі ланцуг зваротнай сувязі замкнёная. А канструкцыя, разгледжаная далей, пазбаўленая ўсіх гэтых недахопаў.

Неинвертирующий ўзмацняльнік

На малюнку прыведзена схема неинвертирующего ўзмацняльніка на аперацыйным узмацняльніку. Прааналізаваўшы яе, можна зрабіць некалькі высноў:

1. Значэнне напружання UA роўна ўваходнага.
2. З дзельніка здымаецца напружанне UA, якое роўна адносінах творы выхаднога напружання і R1 да сумы супраціваў R1 і R2.
3. У выпадку, калі UA па значэнні роўны ўваходнага напрузе, каэфіцыент узмацнення роўны стаўленню выхаднога напружання да ўваходнага (ці ж можна да адносінах супраціваў R2 і R1 дадаць адзінку).

Называецца дадзеная канструкцыя неинвертирующим узмацняльнікам, у яго практычна бясконцы ўваходных імпеданс. Напрыклад, для аперацыйных узмацняльнікаў 411 серыі яго значэнне - 1012 Ом, мінімум. А для аперацыйных узмацняльнікаў на біпалярных паўправадніковых транзістарах, як правіла, звыш 108 Ом. А вось выхадны імпеданс каскаду, роўна як і ў раней разгледжанай схеме, вельмі малы - долі ома. І гэта трэба ўлічваць, калі вырабляецца разлік схем на аперацыйных узмацняльніках.

Схема ўзмацняльніка пераменнага току

Абедзве схемы, разгледжаныя ў артыкуле раней, працуюць на пастаянным токе. Але вось калі ў якасці сувязі крыніцы уваходнага сігналу і ўзмацняльніка выступае пераменны ток, то прыйдзецца прадугледжваць зазямленне для тока на ўваходзе прылады. Прычым трэба звярнуць увагу на тое, што значэнне току вельмі мала па велічыні.

У тым выпадку, калі адбываецца ўзмацненне сігналаў пераменнага току, неабходна змяншаць каэфіцыент узмацнення сігналу пастаяннага да адзінкі. Асабліва гэта актуальна для выпадкаў, калі каэфіцыент узмацнення па напрузе вельмі вялікі. Дзякуючы гэтаму маецца магчымасць значна знізіць уплыў напружання зруху, якое прыводзіцца да ўваходу прылады.

Другі прыклад схемы для працы з пераменным напругай

У дадзенай схеме на ўзроўні -3 дб можна бачыць адпаведнасць частаце 17 Гц. На ёй у кандэнсатара імпеданс аказваецца на ўзроўні двух кіло. Таму кандэнсатар павінен быць дастаткова вялікім.

Каб пабудаваць ўзмацняльнік пераменнага току, неабходна выкарыстоўваць неинвертирующий тып схемы на аперацыйных узмацняльніках. І ў яго павінен быць досыць вялікі каэфіцыент узмацнення па напрузе. Але вось кандэнсатар можа быць залішне вялікім, таму лепш за ўсё адмовіцца ад яго выкарыстання. Праўда, прыйдзецца правільна падабраць напружанне зруху, зрабіўшы аднолькавымі яго па значэнні да нуля. А можна ўжыць Т-вобразны дзельнік і павялічыць значэння супраціваў абодвух рэзістараў у схеме.

Якую схему пераважней выкарыстоўваць

Большасць распрацоўшчыкаў аддаюць сваю перавагу неинвертирующим ўзмацняльнікаў, так як у іх вельмі высокі імпеданс на ўваходзе. І грэбуюць схемах Інвертуйце тыпу. Затое ў апошняга маецца велізарная перавага - ён не патрабавальны да самога аперацыйнаму ўзмацняльніка, які з'яўляецца яго «сэрцам».

Акрамя таго, характарыстыкі, на паверку, у яго значна лепш. І з дапамогай ўяўнага зазямлення можна без адмысловай працы ўсе сігналы камбінаваць, прычым яны не будуць аказваць адзін на аднаго нейкі ўплыў. Можа выкарыстоўвацца ў канструкцыях і схема ўзмацняльніка пастаяннага току на аперацыйным узмацняльніку. Усё залежыць ад патрэбаў.

І самае апошняе - выпадак, калі ўся схема, разгледжаная тут, падключаецца да стабільнага выхаду іншага аперацыйнага ўзмацняльніка. У гэтым выпадку значэнне імпедансу на ўваходзе не гуляе істотнай ролі - хоць 1 кім, хоць 10, хоць бясконцасць. У гэтым выпадку першы каскад заўсёды выконвае сваю функцыю ў адносінах да наступнага.

схема паўторніка

Працуе паўторнік на аперацыйным узмацняльніку аналагічна эмиттерному, пабудаванаму на біпалярным транзістары. І выконвае аналагічныя функцыі. Па сутнасці, гэта неинвертирующий ўзмацняльнік, у якім у першага рэзістара супраціў бясконца вялікае, а ў другога роўна нулю. Пры гэтым каэфіцыент узмацнення роўны адзінцы.

Маюцца адмысловыя тыпы аперацыйных узмацняльнікаў, якія выкарыстоўваюцца ў тэхніцы толькі для схем паўторнікаў. У іх значна лепшыя характарыстыкі - як правіла, гэта высокае хуткадзейнасць. У якасці прыкладу можна прывесці такія аперацыйныя ўзмацняльнікі як OPA633, LM310, TL068. Апошні мае корпус, як у транзістара, а таксама тры высновы. Вельмі часта такія ўзмацняльнікі называюць проста буферамі. Справа ў тым, што яны валодаюць ўласцівасцямі ізалятара (вельмі вялікі ўваходны імпеданс і вельмі нізкі выхадны). Прыкладна па такім прынцыпе будуецца і схема ўзмацняльніка току на аперацыйным узмацняльніку.

Актыўны рэжым працы

Па сутнасці, гэта такі рэжым працы, пры якім выхады і ўваходы аперацыйнага ўзмацняльніка ня перагружаюцца. Калі на ўваход схемы падаць вельмі вялікі сігнал, то на выхадзе яго проста пачне рэзаць па ўзроўні напружання калектара або эмітара. А вось калі на выхадзе напружанне фіксуецца на ўзроўні зрэзу - на ўваходах ОУ напружанне не мяняецца. Пры гэтым размах не можа апынуцца вялікім, чым напружанне харчавання узмацняльнага каскаду.

Большая частка схем на аперацыйных узмацняльніках разлічваецца такім чынам, што гэты размах менш сілкавальнай напругі на 2 В. Але ўсё залежыць ад таго, якая выкарыстоўваецца канкрэтна схема ўзмацняльніка на аперацыйным узмацняльніку. Такое ж маецца абмежаванне на ўстойлівасць крыніцы току на базе аперацыйнага ўзмацняльніка.

Дапусцім, ёсць у крыніцы з якая плавае нагрузкай нейкае падзенне па напрузе. У выпадку, калі ток мае нармальнае кірунак руху, можна сустрэць дзіўную на першы погляд нагрузку. Напрыклад, некалькі переполюсованных батарэй харчавання. Такая канструкцыя можа прымяняцца для таго, каб атрымаць прамы ток зарада.

некаторыя засцярогі

Просты ўзмацняльнік напружання на аперацыйным узмацняльніку (схема можа быць абраная любая) можна вырабіць літаральна "на каленцы". Але спатрэбіцца ўлічваць некаторыя асаблівасці. Абавязкова трэба пераканацца, што зваротная сувязь у схеме адмоўная. Гэта таксама кажа пра тое, што недапушчальна блытаць неинвертирующий і Інвертуйце ўваходы ўзмацняльніка. Акрамя таго, павінна прысутнічаць ланцужок зваротнай сувязі для пастаяннага току. Інакш аперацыйны ўзмацняльнік пачне хутка пераходзіць у рэжым насычэння.

У большасці аперацыйных узмацняльнікаў уваходнае дыферэнцыяльнае напружанне вельмі маленькае па значэнні. Пры гэтым максімальная рознасць неинвертирующего і Інвертуйце уваходаў можа абмяжоўвацца значэннем 5 У пры любым падключэнні крыніцы харчавання. Калі занядбаць дадзеных умовай, з'явяцца на ўваходзе даволі вялікія значэнні токаў, якія прывядуць да таго, што ўсе характарыстыкі схемы пагоршацца.

Самае страшнае ў гэтым - фізічнае разбурэнне самога аперацыйнага ўзмацняльніка. У выніку перастае працаваць схема ўзмацняльніка на аперацыйным узмацняльніку цалкам.

варта ўлічваць

І, вядома ж, трэба распавесці аб правілах, якія варта выконваць, каб забяспечыць стабільную і даўгавечную працу аперацыйнага ўзмацняльніка.

Самае галоўнае - ОУ валодае вельмі высокім каэфіцыентам узмацнення па напрузе. І калі паміж ўваходамі напружання зменяцца на долю милливольт, на выхадзе яго значэнне можа змяніцца істотна. Таму важна ведаць: у аперацыйнага ўзмацняльніка выхад стараецца імкнуцца да таго, каб паміж ўваходамі розніца высілкаў апынулася блізкая (у ідэале роўная) да нуля.

Другое правіла - спажыванне току аперацыйным узмацняльнікам вельмі малы, літаральна наноамперы. Калі ж на ўваходах ўсталяваныя палявыя транзістары, то яно вылічаецца пикоамперами. Адсюль можна зрабіць выснову, што ўваходы не ўжываюць ток, незалежна ад таго, які выкарыстоўваецца аперацыйны ўзмацняльнік, схема - прынцып працы застаецца тым жа.

Але не варта думаць, што ОУ сапраўды пастаянна мяняе на ўваходах напружанне. Фізічна гэта ажыццявіць амаль нерэальна, бо не было б адпаведнасці з другім правілам. Дзякуючы аперацыйнаму ўзмацняльніка адбываецца ацэнка стану ўсіх уваходаў. Пры дапамозе схемы зваротнай знешняй сувязі перадаецца напружанне на ўваход з выхаду. Вынік - паміж ўваходамі аперацыйнага ўзмацняльніка розніца высілкаў знаходзіцца на ўзроўні нуля.

Паняцце зваротнай сувязі

Гэта распаўсюджаная паняцце, і яно ўжо ўжываецца ў шырокіх сэнсах ва ўсіх абласцях тэхнікі. У любой сістэме кіравання маецца зваротная сувязь, якая параўноўвае выхадны сігнал і зададзенае значэнне (эталонны). У залежнасці ад таго, якое значэнне бягучае - адбываецца карэкціроўка ў патрэбны бок. Прычым сістэмай кіравання можа быць што заўгодна, нават аўтамабіль, якія едзе па дарозе.

Кіроўца цісне на тармазы, і зваротная сувязь тут - пачатак запаволення. Правёўшы аналогію з такім простым прыкладам, можна лепш разабрацца з зваротнай сувяззю ў электронных схемах. А адмоўная зваротная сувязь - гэта калі б пры нажимании педалі тормазу аўтамабіль паскараўся.

У электроніцы зваротнай сувяззю называюць працэс, падчас якога адбываецца перадача сігналу з выхаду на ўваход. Пры гэтым адбываецца таксама пагашэнне сігналу на ўваходзе. З аднаго боку, гэта не вельмі разумная ідэя, бо можа здацца з боку, што значна паменшыцца каэфіцыент узмацнення. Такія водгукі, дарэчы, атрымлівалі заснавальнікі распрацоўкі зваротнай сувязі ў электроніцы. Але варта разабрацца дэталёва ў яе ўплыве на аперацыйныя ўзмацняльнікі - практычныя схемы разгледзець. І стане ясна, што яна і праўда трохі памяншае каэфіцыент узмацнення, але затое дазваляе некалькі палепшыць астатнія параметры:

1. Згладзіць частотныя характарыстыкі (прыводзіць іх да неабходнай).
2. Дазваляе прадказваць паводзіны ўзмацняльніка.
3. Здольная ліквідаваць нелінейнасць і скажэнні сігналу.

Чым глыбей зваротная сувязь (гаворка ідзе пра адмоўную), тым меншы ўплыў аказваюць на ўзмацняльнік характарыстыкі з растуленым АС. Вынік - усе яго параметры залежаць толькі ад таго, якія ўласцівасці мае схема.

Варта звярнуць увагу на тое, што ўсе аперацыйныя ўзмацняльнікі працуюць у рэжыме з вельмі глыбокай зваротнай сувяззю. А каэфіцыент узмацнення па напрузе (з яе растуленым пятлёй) можа дасягаць нават некалькіх мільёнаў. Таму схема ўзмацняльніка на аперацыйным узмацняльніку вельмі патрабавальная да выканання ўсіх параметраў па харчаванню і ўзроўню уваходнага сігналу.