V kurzu elektroniky je mnoho důležitých témat. Dnes se pokusíme porozumět operačním zesilovačům.
Začít znovu. Operační zesilovač je „věc“, která vám umožňuje pracovat s analogovými signály všemi možnými způsoby. Nejjednodušší a nejzákladnější jsou zesílení, zeslabení, sčítání, odčítání a mnoho dalších (například derivování nebo logaritmus). Naprostá většina operací na operačních zesilovačích (dále jen operační zesilovače) se provádí pomocí kladné a záporné zpětné vazby.
V tomto článku se budeme zabývat určitým „ideálním“ operačním zesilovačem, protože Přecházet na konkrétní model nemá smysl. Ideální znamená, že vstupní odpor bude mít tendenci k nekonečnu (tedy vstupní proud bude mít tendenci k nule) a výstupní odpor bude mít naopak tendenci k nule (to znamená, že zátěž by neměla ovlivnit výstupní napětí). Každý ideální operační zesilovač by měl také zesilovat signály jakékoli frekvence. No, a hlavně, zisk při absenci zpětné vazby by měl také tíhnout k nekonečnu.

Dostaňte se k věci

Operační zesilovač je často ve schématech symbolizován rovnostranným trojúhelníkem. Vlevo jsou vstupy, které jsou označeny „-“ a „+“, vpravo je výstup. Napětí lze přivést na kterýkoli ze vstupů, z nichž jeden mění polaritu napětí (proto se nazývá invertující), druhý nikoli (logicky se předpokládá, že se nazývá neinvertující). Napájecí zdroj operačního zesilovače je nejčastěji bipolární. Kladná a záporná napájecí napětí mají obvykle stejnou hodnotu (ale jiné znaménko!).
V nejjednodušším případě můžete připojit zdroje napětí přímo na vstupy operačního zesilovače. A pak se výstupní napětí vypočítá podle vzorce:
, kde je napětí na neinvertujícím vstupu, je napětí na invertujícím vstupu, je výstupní napětí a je zisk v otevřené smyčce.
Podívejme se na ideální operační zesilovač z pohledu Proteus.

Doporučuji si s ním „hrát“. Na neinvertující vstup bylo přivedeno napětí 1V. Na invertování 3V. Používáme „ideální“ operační zesilovač. Takže dostáváme: . Ale tady máme omezovač, protože nebudeme schopni zesílit signál nad naše napájecí napětí. Na výstupu tedy stále dostaneme -15V. Výsledek:

Pojďme změnit zisk (tak mi věříte). Nechť je parametr Voltage Gain roven dvěma. Stejný problém je jasně vyřešen.

Reálná aplikace operačních zesilovačů na příkladu invertujících a neinvertujících zesilovačů

Jsou dva hlavní předpisy:
I. Výstup operačního zesilovače má tendenci způsobit, že rozdílové napětí (rozdíl mezi napětím na invertujícím a neinvertujícím vstupu) bude nulové.
II. Vstupy operačního zesilovače nespotřebovávají žádný proud.
První pravidlo je implementováno prostřednictvím zpětné vazby. Tito. napětí se přenese z výstupu na vstup tak, že rozdíl potenciálů bude nulový.
To jsou takříkajíc „posvátné kánony“ v tématu OU.
A teď konkrétněji. Invertující zesilovač vypadá přesně takto (věnujte pozornost tomu, jak jsou umístěny vstupy):

ČTĚTE VÍCE
Musím povrch před položením dlaždic napenetrovat?

Na základě prvního „kánu“ získáme poměr:
a po „trochu magie“ se vzorcem odvodíme hodnotu zisku invertujícího operačního zesilovače:

Výše uvedený snímek obrazovky nepotřebuje žádné komentáře. Stačí vše zapojit a zkontrolovat sami.

Další fáze – neinvertující zesilovač.
Vše je zde také jednoduché. Napětí je přivedeno přímo na neinvertující vstup. Zpětná vazba je dodávána na invertující vstup. Napětí na invertujícím vstupu bude:
, ale použitím prvního pravidla můžeme říci, že

A opět, „grandiózní“ znalosti v oblasti vyšší matematiky nám umožňují přejít na vzorec:
Dám vám obsáhlý snímek obrazovky, který si můžete zkontrolovat, pokud chcete:

Pár zajímavých schémat

Nakonec vám dám pár zajímavých obvodů, abyste neměli dojem, že operační zesilovače umí pouze zesílit napětí.

obraz

Napěťový sledovač (vyrovnávací zesilovač). Princip činnosti je stejný jako u tranzistorového opakovače. Používá se v obvodech s velkým zatížením. Také může být použit k vyřešení problému impedančního přizpůsobení, pokud obvod obsahuje nežádoucí děliče napětí. Schéma je jednoduché až geniální:

Sumární zesilovač. Lze jej použít, pokud potřebujete sečíst (odečíst) několik signálů. Pro přehlednost je zde schéma (opět věnujte pozornost umístění vstupů):

Věnujte také pozornost skutečnosti, že R1 = R2 = R3 = R4 a R5 = R6. Výpočtový vzorec v tomto případě bude: (známý, že?)
Vidíme tedy, že hodnoty napětí, které jsou přiváděny na neinvertující vstup, „získají“ znaménko plus. Na převrácené jedničce – mínus.

Závěr

Obvody operačních zesilovačů jsou velmi rozmanité. Ve složitějších případech můžete najít aktivní filtrační obvody, ADC a úložná vzorkovací zařízení, výkonové zesilovače, převodníky proudu na napětí a mnoho dalších obvodů.

Seznam zdrojů

Krátký seznam zdrojů, které vám pomohou rychle si zvyknout na operační zesilovače i elektroniku obecně:
Wikipedia
P. Horowitz, W. Hill. “Umění obvodového designu”
B. Baker. „Co potřebuje digitální vývojář vědět o analogové elektronice“
Poznámky z přednášek o elektronice (nejlépe vlastní)
UPD: Díky UFO pro pozvání

Obvody invertujících a neinvertujících zesilovačů založené na použití operačních zesilovačů (op-amps) jsou znázorněny na obrázku 5.2, a, b. V obou obvodech je operační zesilovač pokryt negativní napěťovou zpětnou vazbou (NFB): část výstupního napětí je přiváděna na I-vstup operačního zesilovače. V případě invertujícího zesilovače (obr. 5.2, а) vstupní signál a signál OOS se sečtou pomocí rezistorů R1 и R2. Taková zpětná vazba se nazývá paralelní. Zpětná vazba použitá v neinvertujícím zesilovači se nazývá sériová: zde je rozdílové vstupní napětí operačního zesilovače tvořeno přímo jako rozdíl mezi vstupním napětím a zpětnovazebním napětím.

ČTĚTE VÍCE
Jaký druh základů je potřeba pro jednopatrový dům z pěnových bloků?

Koeficient zpětné vazby pro oba obvody je určen jedním výrazem:

Rýže. 5.97. Invertující obvody (а) a neinvertující (б) zesilovače založené na operačních zesilovačích

Důležitým speciálním případem neinvertujícího zesilovače je opakovač napětí, tedy zesilovač s koeficientem OOS β a získat Кн, rovný jedné. K jeho sestavení stačí přímo připojit výstup operačního zesilovače k ​​I-vstupu a přivést vstupní signál na N-vstup. Pak R2 = 0, R1 = ∞ a dostat Кн = 1. Napěťový sledovač se používá v případech, kdy je potřeba zvýšit vstupní odpor nebo snížit výstupní odpor některé elektronické součástky.

Diferenciální zesilovače

Diferenciální zesilovač je navržen tak, aby zesiloval rozdíl mezi dvěma vstupními napětími. Stabilizace zisku diferenciálního zesilovače, stejně jako u invertujících a neinvertujících zesilovačů, se provádí pomocí negativní zpětné vazby.

Nejjednodušší diferenciální zesilovač, obsahující jeden operační zesilovač, znázorněný na obrázku 5.3, . Výstupní napětí takového zesilovače není obtížné zjistit pomocí odvozených vzorců pro invertující a neinvertující zesilovače. Uvažujme výstupní napětí jako součet dvou nezávislých složek, z nichž jedna je způsobena signálem U1 , a druhý – se signálem U2, dostaneme:

Rýže. 5.98. Obvody nejjednodušších diferenciálních zesilovačů:

invertování (а); neinvertující (б)

integrátoři

Pokud je OOS, který pokrývá operační zesilovač, tvořen kondenzátorem, pak obvod provádí matematickou operaci integrace v průběhu času.

Vstupní proud protéká kondenzátorem C, vzhledem k tomu, že invertující vstup je potenciálně uzemněn.

Prezentovaný obvod (obr. 5.4) má jednu nevýhodu spojenou se skutečností, že výstupní napětí má tendenci driftovat v důsledku posunů operačních zesilovačů a předpětí (v obvodu není stejnosměrná zpětná vazba). Tento nežádoucí jev lze zmírnit použitím operačního zesilovače FET, úpravou vstupního offsetového napětí operačního zesilovače a volbou velkých hodnot R a C. V praxi je navíc často nutné pravidelně resetovat integrátor na nula pomocí spínače připojeného ke kondenzátoru (obvykle na FET).

Integrátor může sloužit jako zdroj lineárně se měnícího napětí, které je vyžadováno u osciloskopů jako generátor rozmítání, který se také používá při implementaci některých číslicově-analogových převodních metod. Pokud je na vstup integrátoru přivedeno konstantní napětí, bude výstup přijímat lineárně rostoucí napětí, které se bude zvyšovat až do saturačního napětí. Když na vstupu působí periodické oscilace symetrické vzhledem k zemi, vede to k výskytu trojúhelníkových oscilací na výstupu.

ČTĚTE VÍCE
M se vyznačuje tyrkysová barva?

Když je hradlové napětí záporné, tranzistor s efektem pole se vypne, integrátor vytvoří na výstupu lineárně rostoucí napětí, po příchodu kladného impulsu se tranzistor s efektem pole otevře, kondenzátor se rychle vybije a výstup napětí je resetováno na nulu. Periodické resetovací impulsy tvoří na výstupu pilovité napětí.