Amplificatori operazionali. Parte 2. L'amplificatore operazionale perfetto

Per comprendere meglio i principi della costruzione di circuiti utilizzando amplificatori operazionali, spesso usano il concetto di amplificatore operazionale ideale. Qual è la sua idealità, le sue meravigliose proprietà? Non ce ne sono così tanti, ma tendono tutti a zero o addirittura all'infinito. Ma si comporta così amplificatore operazionale non coperto da feedback (SO) e generalmente non ha connessioni esterne.

In questo articolo proveremo a parlare di feedback e di alcuni schemi per includere amplificatori operazionali senza menzionare ingombranti formule matematiche con integrali. Ma alcuni, molto semplici e comprensibili, all'ottavo livello della scuola, che aiuteranno a comprendere il significato generale, non possono ancora essere evitati.

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Con un tale guadagno "dilagante", è sufficiente applicare solo pochi microvolt ai suoi ingressi (ad esempio, interferenza di rete) per ottenere una tensione di uscita vicino a 15 V. Questo stato indica la saturazione dell'uscita.

È opportuno richiamare lo stesso stato nei transistor. Naturalmente, in questa forma, non si ottiene alcun guadagno. Pertanto, gli amplificatori operazionali reali sono sempre coperti da feedback negativo, che verranno discussi di seguito.

Anche se va notato che abbastanza spesso gli amplificatori operazionali vengono utilizzati senza feedback e, in alcuni casi, con feedback positivo. Questa applicazione si trova in comparatori - dispositivi per il confronto accurato di segnali analogici. I comparatori sono disponibili sotto forma di microcircuiti specializzati e fanno anche parte di altri microcircuiti. Basta ricordare il leggendario timer integrato NE555, che contiene al suo interno due comparatori.

Storia quasi recente

Un tempo, l'industria elettronica domestica padroneggiava anche la produzione di amplificatori operazionali. Il primo amplificatore operazionale era K1UT401A (B), successivamente ribattezzato K140UD1 con le stesse lettere alla fine. Quindi, essendo una copia quasi esatta del fratello americano UA702, l'analogo con la lettera A con una tensione di alimentazione di ± 6 V aveva un guadagno nell'intervallo di 500 ... 4500 e con la lettera B (± 12V) 1500 ... 13000.

Secondo gli standard moderni, questo è semplicemente ridicolo, ma, tuttavia, questi amplificatori arcaici possono ancora essere trovati. Ma anche con un guadagno così "piccolo", era impossibile fare a meno di un feedback negativo.

E solo la comparsa di amplificatori operazionali nella progettazione integrata ha introdotto questo componente universale nei circuiti industriali, domestici e amatoriali. Dopotutto, devi ammettere che non è stato possibile utilizzare un amplificatore operazionale con valvole elettroniche o addirittura un'opzione a transistor, ad eccezione degli AVM di difesa.

Ingressi e uscite di amplificatori operazionali

L'amplificatore operazionale ha due ingressi e un'uscita e, naturalmente, due uscite per l'alimentazione di tensione. Questa è la serie minima di conclusioni che è vitale. È esattamente così con la maggior parte degli amplificatori operazionali moderni. Una volta c'erano conclusioni per collegare elementi di correzione e bilanciamento della frequenza.

Il cibo è spesso bipolare con un punto medio, il che rende possibile eseguire l'amplificazione a tensione costante. In questo caso, è generalmente accettato che la gamma di frequenza degli amplificatori operazionali inizia da 0 Hz e la frequenza superiore è limitata sia dal tipo di amplificatore operazionale stesso, dal suo circuito interno e dal tipo di transistor, sia dal suo circuito di commutazione.

La larghezza di banda di un amplificatore operazionale ideale si estende da DC all'infinito.Inoltre, la velocità o la velocità di risposta del segnale di uscita tende all'infinito. Ma non considereremo questo problema per ora.

Ciò che migliora l'amplificatore operazionale

La tensione di uscita dell'amplificatore operazionale è proporzionale alla differenza di tensione sui suoi ingressi. In questo caso, il livello assoluto dei segnali, nonché la loro polarità, non svolgono un ruolo speciale. Solo la differenza conta. E poiché tutti i termini in elettronica provengono dalla lingua inglese, allora è tempo di ricordare la parola "diverso", che significa eterogeneo, differenza (il dizionario "Multitran"), e gli amplificatori di questo principio di funzionamento sono chiamati differenziali.

Cosa non amplifica l'amplificatore operazionale

Qui possiamo anche ricordare una proprietà così meravigliosa degli amplificatori operazionali come l'attenuazione di un segnale di modo comune: se lo stesso segnale viene applicato ad entrambi gli ingressi, non verrà amplificato. Viene utilizzato quando si applica un segnale su fili lunghi: il segnale utile ha una fase diversa, mentre il segnale di interferenza su entrambi gli ingressi è lo stesso.

Cosa si può ottenere all'uscita dell'amplificatore operazionale

L'impedenza di uscita di un amplificatore operazionale ideale tende a zero, il che teoricamente consente di ottenere un segnale arbitrariamente grande, appena infinito in uscita. In effetti, la tensione di uscita di un vero amplificatore operazionale è limitata dalla tensione delle fonti di alimentazione: se una tensione di alimentazione bipolare, ad esempio, ± 15 V, è semplicemente impossibile ottenere +20 o -25 all'uscita.

Questo per quanto riguarda l'amplificazione di tensioni costanti. Nel caso dell'amplificazione, ad esempio, una sinusoide all'uscita, dovrebbe essere ottenuta anche una sinusoide, la cui ampiezza non supera la tensione di alimentazione.

Le tensioni di ingresso e uscita non possono essere superiori alla tensione delle fonti di alimentazione. Ad esempio, quando alimentato da ± 15 V, la tensione di uscita è inferiore di 0,5 ... 1,5 V. Ma alcuni microcircuiti moderni consentono di ottenere uguale alla tensione di alimentazione in uscita e in ingresso. Questa proprietà nei fogli dati è denominata Rail-to-Rail, letteralmente come "pneumatico a pneumatico". Quando si sceglie un amplificatore operazionale, è necessario prestare attenzione a questa proprietà.

Impedenza di ingresso

L'impedenza di ingresso di entrambi gli ingressi dell'amplificatore operazionale è molto grande ed è entro centinaia di MegaOhm, e in alcuni casi anche GigaOhm. Per confronto: il summenzionato K1UT401 aveva un'impedenza di ingresso di poche decine di kOhm.

L'impedenza di ingresso, ovviamente, non raggiunge l'infinito, come un amplificatore operazionale ideale, ma è ancora così grande da non influire sui livelli del segnale di ingresso. Da ciò possiamo concludere che non scorre corrente negli ingressi. Questo è uno dei principi fondamentali utilizzati nel calcolo e nell'analisi dei circuiti sugli amplificatori operazionali. Per ora, devi solo ricordarlo.

L'ultima affermazione si riferisce direttamente agli amplificatori operazionali. Un'impedenza di ingresso così elevata è inerente agli stessi amplificatori operazionali, ma l'impedenza di ingresso di vari circuiti basati su di essa può essere molto più bassa. Questa circostanza dovrebbe essere sempre ricordata. E ora, fai attenzione, la storia inizia sulla cosa più importante.

Feedback negativo (OOS)

OOS non è altro che una connessione tra l'uscita e l'ingresso, in cui parte dell'uscita viene sottratta dal segnale di ingresso. Tale connessione comporta una riduzione del guadagno. A differenza di OOS, esiste un feedback positivo (POS), che al contrario somma il segnale di ingresso con una parte dell'uscita. Tali connessioni sono utilizzate non solo nella tecnologia elettronica, ma in molti altri casi, ad esempio nella meccanica. L'effetto di questi feedback può essere caratterizzato come segue: OOS porta alla stabilità del sistema, positivo porta alla sua instabilità.

In relazione agli amplificatori operazionali in questione, l'OOS consente di impostare il guadagno con sufficiente precisione e porta anche a molti più miglioramenti qualitativi e persino piacevoli al circuito. Ma prima devi capire come funziona OOS.Ad esempio, si consideri un circuito che può essere trovato in qualsiasi manuale di automazione.

Figura 1

Ignora uscita segnale uscita U. dall'uscita passa al dispositivo sommatore (un cerchio con un segno più all'interno) attraverso il circuito OOS con il coefficiente di trasferimento β, in questo caso inferiore a uno. Se questo coefficiente è reso maggiore dell'unità, che è tecnicamente possibile, quindi invece di amplificare il segnale, otteniamo la sua attenuazione. Ma per ora, supponiamo che abbiamo bisogno di un rinforzo preciso.

La scogliera di OOS è solo un incidente

Se si interrompe il circuito di feedback, la tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale sarà U.out. = K * U.in. Valore teoricamente enorme. In effetti, sarà limitato dalla grandezza della tensione di alimentazione. Questo è già stato detto prima. Un esempio simile: se si tratta di un motore elettrico con stabilizzazione dei giri (anche feedback), accelera semplicemente il più possibile. In questo caso, dicono che il sistema è andato "vendendo".

Passando attraverso il circuito del circuito OOS, il segnale di uscita viene attenuato dall'uscita β * U. Pertanto, solo (U.in.-β * U.out.) Arriva all'ingresso dell'amplificatore attraverso il sommatore. Il segno meno indica che il feedback è negativo. Dopo aver attraversato il dispositivo con un guadagno di K, l'uscita sarà U.out. = K * (U.in.-β * U.out.). A sua volta, il guadagno dell'intero sistema K.us. = U.out./U.in. e si scopre che U.out. = K *

Dopo alcune trasformazioni, possiamo ottenere il seguente risultato: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Tutte queste trasformazioni hanno portato alla semplice formula K.us. = K / (1+ K * β). Se assumiamo che K in sia abbastanza grande (e nel caso dell'uso di un amplificatore operazionale questo è davvero così), allora l'unità tra parentesi non farà alcun tempo speciale, può essere scartata, a seguito della quale la formula prenderà la seguente forma:

K.us. = 1 / β

La formula risultante (che, di fatto, è stata la ragione per cui è stata messa in comune l'intera recinzione delle formule) ci consente di affermare che il coefficiente di trasferimento dell'amplificatore operazionale nel circuito di retroazione non dipende in alcun modo dal guadagno dell'amplificatore operazionale stesso, ma è determinato solo dai parametri del circuito di retroazione , il suo coefficiente di trasmissione β. Tuttavia, maggiore è il guadagno dell'amplificatore operazionale stesso, più precisa è la formula specificata, più stabile funziona il circuito.

Pertanto, le cascate di amplificazione sugli amplificatori operazionali non richiedono la sintonizzazione, come al solito cascate di transistor: appena i resistori di feedback calcolati, saldati, hanno ottenuto il guadagno in cascata richiesto. Come questo sarà descritto nel prossimo articolo.