Circuiti dell'amplificatore operativo di feedback

Ripetitore e amplificatore invertente

Alla fine dell'articolo "L'amplificatore operazionale ideale" È stato dimostrato che quando si utilizza un amplificatore operazionale in vari circuiti di commutazione, l'amplificazione della cascata su un singolo amplificatore operazionale (OA) dipende solo dalla profondità del feedback. Pertanto, nelle formule per determinare il guadagno di un particolare circuito, il guadagno dell'op-amp "nudo", per così dire, non viene utilizzato. Questo è proprio quell'enorme coefficiente specificato nelle directory.

Quindi è del tutto appropriato porre la domanda: "Se il risultato finale (guadagno) non dipende da questo enorme coefficiente di" riferimento ", allora qual è la differenza tra l'opamp con amplificazione diverse migliaia di volte e con lo stesso opamp, ma con amplificazione diverse centinaia di migliaia e persino milioni? ”

La risposta è abbastanza semplice In entrambi i casi, il risultato sarà lo stesso, il guadagno in cascata sarà determinato dagli elementi dell'OOS, ma nel secondo caso (opamp con alto guadagno), il circuito funziona in modo più stabile, più precisamente, la velocità di tali circuiti è molto più elevata. Per una buona ragione, gli amplificatori operazionali sono divisi in amplificatori operazionali di applicazione generale e alta precisione, precisione.

Come già accennato, gli amplificatori "operativi" in questione sono stati ricevuti in quel momento lontano, quando erano principalmente utilizzati per eseguire operazioni matematiche nei computer analogici (AVM). Queste erano operazioni di addizione, sottrazione, moltiplicazione, divisione, quadratura e molte altre funzioni.

Questi amplificatori operazionali antidiluviani sono stati eseguiti su tubi elettronici, successivamente su transistor discreti e altri componenti radio. Naturalmente, le dimensioni anche degli amplificatori operazionali a transistor erano abbastanza grandi da poter essere utilizzate nelle costruzioni amatoriali.

E solo dopo, grazie ai risultati dell'elettronica integrata, gli amplificatori operazionali sono diventati le dimensioni di un normale transistor a bassa potenza, l'uso di queste parti nelle apparecchiature domestiche e nei circuiti amatoriali è stato giustificato.

A proposito, i moderni amplificatori operazionali, anche di qualità abbastanza elevata, ad un prezzo leggermente superiore a due o tre transistor. Questa affermazione si applica agli amplificatori operazionali di uso generale. Gli amplificatori di precisione possono costare un po 'di più.

Per quanto riguarda i circuiti sull'amplificatore operazionale, vale subito la pena notare che sono tutti alimentati da una fonte di alimentazione bipolare. Tale modalità è la più "normale" per un amplificatore operazionale, che consente di amplificare non solo segnali di tensione CA, ad esempio segnali sinusoidali, ma anche CC o semplicemente tensione.

Tuttavia, abbastanza spesso l'alimentazione dei circuiti sull'op-amp è prodotta da una sorgente unipolare. È vero, in questo caso, non è possibile aumentare la tensione costante. Ma capita spesso che questo non sia semplicemente necessario. I circuiti con alimentazione unipolare saranno descritti più avanti, ma per ora continuiamo sugli schemi di accensione dell'op-amp con alimentazione bipolare.

La tensione di alimentazione della maggior parte degli amplificatori operazionali è spesso entro ± 15 V. Ma ciò non significa affatto che questa tensione non possa essere ridotta leggermente (si sconsiglia di aumentare). Molti amplificatori operazionali funzionano in modo molto stabile a partire da ± 3 V e alcuni modelli anche ± 1,5 V. Tale possibilità è indicata nella documentazione tecnica (DataSheet).

Inseguitore di tensione

È il dispositivo più semplice in termini di circuiti su un amplificatore operazionale; il suo circuito è mostrato in Figura 1.

Figura 1. Circuito di follower di tensione su un amplificatore operazionale

È facile vedere che per creare un tale schema, non era necessario un singolo dettaglio, ad eccezione del sistema operativo stesso. È vero, la figura non mostra la connessione di alimentazione, ma un tale schema degli schemi si trova molto spesso. L'unica cosa che vorrei notare è che tra i terminali dell'alimentatore operazionale (ad esempio, per l'OP-amplificatore KR140UD708, queste sono le conclusioni 7 e 4) e che il cavo comune dovrebbe essere collegato condensatori di blocco con una capacità di 0,01 ... 0,5 μF.

Il loro scopo è di rendere più stabile il funzionamento dell'amplificatore operazionale, per sbarazzarsi dell'autoeccitazione del circuito lungo i circuiti di potenza. I condensatori devono essere collegati il ​​più vicino possibile ai terminali di alimentazione del chip. A volte un condensatore è collegato in base a un gruppo di diversi microcircuiti. Gli stessi condensatori possono essere visti su schede con microcircuiti digitali, il loro scopo è lo stesso.

Il guadagno del ripetitore è uguale all'unità, o, per dirla in altro modo, non vi è alcun guadagno. Allora perché un tale schema? Qui è del tutto appropriato ricordare che esiste un circuito a transistor: un seguace di emettitore, il cui scopo principale è la corrispondenza di cascate con resistenze di ingresso diverse. Cascate simili (ripetitori) sono anche chiamate buffer.

La resistenza di ingresso del ripetitore sull'amplificatore operazionale viene calcolata come il prodotto dell'impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale dal suo guadagno. Ad esempio, per il menzionato UD708, l'impedenza di ingresso è di circa 0,5 MΩ, il guadagno è di almeno 30.000 e forse di più. Se moltiplichi questi numeri, l'impedenza di ingresso è di 15 GΩ, che è paragonabile alla resistenza di un isolamento di qualità non molto elevata, come la carta. È improbabile che si ottenga un risultato così elevato con un seguace di emettitori convenzionali.

In modo che le descrizioni non siano in dubbio, di seguito sono riportate le figure che mostrano il funzionamento di tutti i circuiti descritti nel simulatore di programma Multisim. Naturalmente, tutti questi schemi possono essere assemblati sulla breadboard, ma non i risultati peggiori possono essere ottenuti sullo schermo del monitor.

In realtà, qui è anche un po 'meglio: non devi andare da qualche parte sullo scaffale per cambiare la resistenza o il microcircuito. Qui tutto, anche gli strumenti di misura, è nel programma e "ottiene" usando il mouse o la tastiera.

La Figura 2 mostra i circuiti ripetitori realizzati nel programma Multisim.

Figura 2

Lo studio del circuito è abbastanza semplice. Un segnale sinusoidale con una frequenza di 1 KHz e un'ampiezza di 2 V viene applicato all'ingresso del ripetitore dal generatore funzionale, come mostrato nella Figura 3.

Figura 3

Il segnale all'ingresso e all'uscita del ripetitore viene osservato dall'oscilloscopio: il segnale in ingresso viene visualizzato da un raggio blu, il raggio di uscita è rosso.

Figura 4

E perché, chiederà il lettore attento, il segnale di uscita (rosso) è due volte più grande dell'ingresso blu? Tutto è molto semplice: con la stessa sensibilità dei canali dell'oscilloscopio, entrambi i sinusoidi con la stessa ampiezza e fase si fondono in uno, nascondendosi uno dietro l'altro.

Per distinguerli entrambi contemporaneamente, abbiamo dovuto ridurre la sensibilità di uno dei canali, in questo caso l'ingresso. Di conseguenza, l'onda sinusoidale blu è diventata esattamente la metà delle dimensioni sullo schermo e ha smesso di nascondersi dietro quella rossa. Sebbene per ottenere questo risultato, puoi semplicemente spostare i raggi con i controlli dell'oscilloscopio, lasciando la stessa sensibilità dei canali.

Entrambi i sinusoidi si trovano simmetricamente rispetto all'asse del tempo, il che indica che la componente costante del segnale è uguale a zero. E cosa succederà se un piccolo componente CC viene aggiunto al segnale di ingresso? Il generatore virtuale consente di spostare l'onda sinusoidale lungo l'asse Y. Proviamo a spostarla verso l'alto di 500mV.

Figura 5

Ciò che ne è risultato è mostrato nella Figura 6.

Figura 6

È evidente che i sinusoidi di ingresso e uscita sono aumentati di mezzo volt, mentre non cambiano affatto. Ciò suggerisce che il ripetitore ha trasmesso con precisione la componente costante del segnale. Ma molto spesso cercano di sbarazzarsi di questo componente costante, rendendolo uguale a zero, il che evita l'uso di tali elementi circuitali come condensatori di isolamento interstage.

Il ripetitore è, ovviamente, buono e perfino bello: non sono stati necessari ulteriori dettagli (anche se ci sono circuiti ripetitori con "aggiunte" minori), ma non hanno ricevuto alcun guadagno.Che tipo di amplificatore è questo? Per ottenere un amplificatore, basta aggiungere alcuni dettagli, come fare sarà descritto più avanti.

Inversione dell'amplificatore

Per creare un amplificatore invertito dall'amplificatore operazionale, è sufficiente aggiungere solo due resistori. Ciò che ne è derivato è mostrato nella Figura 7.

Figura 7. Circuito amplificatore dell'inverter

Il guadagno di un tale amplificatore è calcolato con la formula K = - (R2 / R1). Il segno meno non significa che l'amplificatore è andato male, ma solo che il segnale di uscita sarà opposto in fase all'ingresso. Non c'è da stupirsi che l'amplificatore sia chiamato invertente. Qui sarebbe opportuno richiamare il transistor incluso nello schema con OE. Anche lì, il segnale di uscita sul collettore del transistor è in antifase con il segnale di ingresso fornito alla base.

È qui che vale la pena ricordare quanti sforzi devi fare per ottenere una sinusoide pura e non distorta sul collettore del transistor. È necessario selezionare la polarizzazione sulla base del transistor di conseguenza. Questo, di regola, è piuttosto complicato, a seconda di molti parametri.

Quando si utilizza un amplificatore operazionale, è sufficiente calcolare semplicemente la resistenza dei resistori secondo la formula e ottenere un determinato guadagno. Si scopre che l'installazione di un circuito su un amplificatore operazionale è molto più semplice rispetto all'impostazione di più cascate di transistor. Pertanto, non si deve temere che lo schema non funzionerà, non funzionerà.

Figura 8

Qui tutto è uguale a quello delle figure precedenti: il segnale di ingresso è mostrato in blu, è rosso dopo l'amplificatore. Tutto corrisponde alla formula K = - (R2 / R1). Il segnale di uscita è in antifase con l'ingresso (che corrisponde al segno meno nella formula) e l'ampiezza del segnale di uscita è esattamente due volte l'input. Ciò vale anche per il rapporto (R2 / R1) = (20/10) = 2. Per ottenere il guadagno, ad esempio 10, è sufficiente aumentare la resistenza del resistore R2 a 100KΩ.

In effetti, il circuito di un amplificatore a inversione può essere leggermente più complicato, tale opzione è mostrata nella Figura 9.

Figura 9Invertire il circuito dell'amplificatore

Una nuova parte è apparsa qui - la resistenza R3 (piuttosto, è appena scomparsa dal circuito precedente). Il suo scopo è di compensare le correnti di ingresso di un vero opamp al fine di ridurre l'instabilità di temperatura del componente CC in uscita. Il valore di questo resistore è selezionato dalla formula R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

I moderni opamps altamente stabili consentono l'ingresso non invertente da collegare direttamente a un filo comune senza resistenza R3. Sebbene la presenza di questo elemento non farà nulla di male, ma all'attuale scala di produzione, quando risparmiano su tutto, preferiscono non installare questo resistore.

Le formule per il calcolo dell'amplificatore invertente sono mostrate nella Figura 10. Perché nella figura? Sì, solo per chiarezza, in una riga di testo non apparirebbero così familiari e comprensibili, non sarebbero così evidenti.

Figura 10

Circa il guadagno è stato menzionato in precedenza. Qui sono degne di nota le resistenze di ingresso e uscita di un amplificatore non invertente. Tutto sembra chiaro con la resistenza di ingresso: risulta essere uguale alla resistenza del resistore R1, ma la resistenza di uscita dovrà essere calcolata secondo la formula mostrata in Figura 11.

La lettera K ”indica il coefficiente di riferimento dell'op-amp. Qui, per favore, calcola a cosa sarà uguale l'impedenza di uscita. Questo si rivelerà una cifra abbastanza piccola, anche per un op-amp medio di tipo UD7 con la sua K "pari a non più di 30.000. In questo caso, questo è buono: dopo tutto, più bassa è la resistenza di uscita della cascata (questo vale non solo per le cascate sull'amplificatore operazionale), più potente è il carico , ovviamente, entro certi limiti, questa cascata può essere collegata.

Un'osservazione separata dovrebbe essere fatta sull'unità nel denominatore della formula per il calcolo della resistenza di uscita. Supponiamo che il rapporto R2 / R1 sia, ad esempio, 100. Questo è il rapporto ottenuto nel caso del guadagno dell'amplificatore invertente 100.Si scopre che se questa unità viene scartata, allora nulla cambierà molto. In realtà, questo non è del tutto vero.

Supponiamo che la resistenza del resistore R2 sia zero, come nel caso di un ripetitore. Quindi, senza unità, l'intero denominatore diventa zero e anche la resistenza di uscita è zero. E se poi questo zero appare da qualche parte nel denominatore della formula, come si ordina a dividerlo? Pertanto, è semplicemente impossibile sbarazzarsi di questa unità apparentemente insignificante.

In un articolo, anche abbastanza grande, non scrivere. Pertanto, avrai tutto ciò che non era adatto a raccontare nel prossimo articolo. Ci sarà una descrizione di un amplificatore non invertente, un amplificatore differenziale, un amplificatore di potenza unipolare. Verrà inoltre fornita una descrizione dei semplici circuiti per il controllo dell'opamp.

Boris Aladyshkin