Bộ khuếch đại hoạt động. Phần 2. Bộ khuếch đại hoạt động hoàn hảo

Để hiểu rõ hơn các nguyên tắc xây dựng mạch sử dụng bộ khuếch đại hoạt động, họ thường sử dụng khái niệm bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng. Lý tưởng của nó, tính chất tuyệt vời của nó là gì? Không có quá nhiều trong số họ, nhưng tất cả đều có xu hướng bằng không, hoặc thậm chí là vô cùng. Nhưng cư xử như vậy khuếch đại hoạt động không được phản hồi (HĐH) và thường không có bất kỳ kết nối bên ngoài nào.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ cố gắng nói về phản hồi và một số kế hoạch bao gồm các bộ khuếch đại hoạt động mà không đề cập đến các công thức toán học cồng kềnh với tích phân. Nhưng một số, khá đơn giản và dễ hiểu, ở cấp lớp tám của trường, sẽ giúp hiểu được ý nghĩa chung, vẫn không thể tránh được.

Đạt được

Với mức tăng "tràn lan" như vậy, chỉ cần áp dụng một vài microvol cho đầu vào của nó (ví dụ: nhiễu chính) để có điện áp đầu ra gần 15V. Trạng thái này cho thấy độ bão hòa của đầu ra.

Nó là thích hợp để nhớ lại trạng thái tương tự trong bóng bán dẫn. Đương nhiên, trong hình thức này, không có được lợi ích nào cả. Do đó, các bộ khuếch đại hoạt động thực sự luôn được bao phủ bởi phản hồi tiêu cực, sẽ được thảo luận dưới đây.

Mặc dù cần lưu ý rằng các bộ khuếch đại hoạt động khá thường xuyên được sử dụng mà không có phản hồi, và trong một số trường hợp có phản hồi tích cực. Ứng dụng này được tìm thấy trong bộ so sánh - thiết bị để so sánh chính xác các tín hiệu tương tự. Bộ so sánh có sẵn ở dạng microcircuits chuyên dụng, và cũng là một phần của các microcircuits khác. Chỉ cần nhớ huyền thoại hẹn giờ tích hợp NE555, trong đó có chứa hai bộ so sánh.

Lịch sử gần đây

Có một thời, ngành công nghiệp điện tử trong nước cũng thành thạo việc sản xuất các bộ khuếch đại hoạt động. Bộ khuếch đại hoạt động đầu tiên là K1UT401A (B), sau đó đổi tên thành K140UD1 với cùng một chữ cái ở cuối. Vì vậy, là một bản sao gần như chính xác của người anh em người Mỹ UA702, tương tự với chữ A ở điện áp cung cấp ± 6V có mức tăng trong khoảng 500 ... 4500 và với chữ B (± 12V) 1500 ... 13000.

Theo tiêu chuẩn hiện đại, điều này thật vô lý, nhưng, tuy nhiên, những bộ khuếch đại cổ xưa này vẫn có thể được tìm thấy. Nhưng ngay cả với mức tăng "nhỏ" như vậy, không thể làm gì nếu không có phản hồi tiêu cực.

Và chỉ có sự xuất hiện của các bộ khuếch đại hoạt động trong thiết kế tích hợp đã đưa thành phần phổ quát này vào các mạch công nghiệp, trong nước và nghiệp dư. Rốt cuộc, bạn phải thừa nhận rằng bộ khuếch đại hoạt động với các ống điện tử hoặc thậm chí là tùy chọn bóng bán dẫn, ngoại trừ trong AVM phòng thủ, không thể được sử dụng.

Đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động

Bộ khuếch đại hoạt động có hai đầu vào và một đầu ra, và tất nhiên, hai đầu ra để cung cấp điện áp. Đây là tập hợp kết luận tối thiểu có ý nghĩa sống còn. Đây là chính xác như thế nào với hầu hết các bộ khuếch đại hoạt động hiện đại. Một khi đã có kết luận cho việc kết nối các yếu tố điều chỉnh và cân bằng tần số.

Thực phẩm thường là lưỡng cực với một điểm giữa, điều này làm cho nó có thể khuếch đại bằng điện áp không đổi. Trong trường hợp này, người ta thường chấp nhận rằng dải tần số của bộ khuếch đại hoạt động bắt đầu từ 0 Hz và tần số trên bị giới hạn bởi cả loại bộ khuếch đại hoạt động, mạch bên trong và loại bóng bán dẫn và mạch chuyển mạch của nó.

Băng thông của một bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng kéo dài từ DC đến vô cùng.Ngoài ra, tốc độ hoặc tốc độ xoay của tín hiệu đầu ra có xu hướng vô cùng. Nhưng chúng tôi sẽ không xem xét vấn đề này ngay bây giờ.

Điều gì làm tăng cường bộ khuếch đại hoạt động

Điện áp đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động tỷ lệ với chênh lệch điện áp ở đầu vào của nó. Trong trường hợp này, mức tuyệt đối của tín hiệu, cũng như độ phân cực của chúng, không có vai trò đặc biệt. Chỉ có sự khác biệt quan trọng. Và vì tất cả các thuật ngữ trong điện tử đều có nguồn gốc từ tiếng Anh, nên thời gian để nhớ từ "Khác biệt", có nghĩa là không đồng nhất, khác biệt (từ điển Nhà xuất bản Multitran,) và các bộ khuếch đại của nguyên tắc hoạt động này được gọi là vi phân.

Cái gì không khuếch đại bộ khuếch đại hoạt động

Ở đây chúng ta cũng có thể nhớ lại một tính chất tuyệt vời của các bộ khuếch đại hoạt động như sự suy giảm của tín hiệu ở chế độ chung: nếu tín hiệu tương tự được áp dụng cho cả hai đầu vào, nó sẽ không được khuếch đại. Điều này được sử dụng khi áp dụng tín hiệu qua các dây dài: tín hiệu hữu ích có pha khác nhau, trong khi tín hiệu nhiễu ở cả hai đầu vào là như nhau.

Những gì có thể thu được ở đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động

Trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng có xu hướng bằng không, về mặt lý thuyết cho phép bạn có được tín hiệu vô hạn lớn, chỉ vô hạn ở đầu ra. Trong thực tế, điện áp đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động thực bị giới hạn bởi điện áp của các nguồn điện: ví dụ, nếu điện áp cung cấp lưỡng cực, ví dụ, ± 15V, thì đơn giản là không thể có được +20 hoặc -25 ở đầu ra.

Điều này liên quan đến khuếch đại điện áp không đổi. Trong trường hợp khuếch đại, ví dụ, một hình sin ở đầu ra, cũng phải thu được một hình sin, biên độ của nó không vượt quá điện áp cung cấp.

Điện áp đầu vào và đầu ra không thể cao hơn điện áp của các nguồn điện. Ví dụ, khi được cấp nguồn bởi ± 15V, điện áp đầu ra thấp hơn 0,5 ... 1,5V. Nhưng một số vi mạch hiện đại cho phép nhận được bằng điện áp cung cấp ở đầu ra và đầu vào. Thuộc tính này trong datasheets được gọi là Rail-to-Rail, nghĩa đen là lốp lốp đến lốp lốp. Khi chọn một bộ khuếch đại hoạt động, bạn nên chú ý đến tài sản này.

Trở kháng đầu vào

Trở kháng đầu vào của cả hai đầu vào của bộ khuếch đại hoạt động là rất lớn và nằm trong hàng trăm MegaOhm, và trong một số trường hợp thậm chí là GigaOhm. Để so sánh: K1UT401 đã đề cập ở trên có trở kháng đầu vào chỉ vài chục kOhm.

Tất nhiên, trở kháng đầu vào không đạt đến vô hạn, giống như một bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng, nhưng nó vẫn lớn đến mức không ảnh hưởng đến các mức tín hiệu đầu vào. Từ đó chúng ta có thể kết luận rằng không có dòng điện trong đầu vào. Đây là một trong những nguyên tắc chính được sử dụng trong tính toán và phân tích mạch trên các bộ khuếch đại hoạt động. Để bây giờ, bạn chỉ cần nhớ nó.

Tuyên bố cuối cùng liên quan trực tiếp đến các bộ khuếch đại hoạt động. Trở kháng đầu vào cao như vậy vốn có trong chính các bộ khuếch đại hoạt động, nhưng trở kháng đầu vào của các mạch khác nhau dựa trên nó có thể thấp hơn nhiều. Hoàn cảnh này nên luôn luôn được ghi nhớ. Và bây giờ, hãy cẩn thận, câu chuyện bắt đầu về điều quan trọng nhất.

Phản hồi tiêu cực (OOS)

OOS không có gì khác hơn là một kết nối giữa đầu ra và đầu vào, trong đó một phần của đầu ra được trừ khỏi tín hiệu đầu vào. Một kết nối như vậy dẫn đến giảm lợi ích. Không giống như OOS, có phản hồi tích cực (POS), ngược lại tổng hợp tín hiệu đầu vào với một phần của đầu ra. Các kết nối như vậy được sử dụng không chỉ trong công nghệ điện tử, mà trong nhiều trường hợp khác, ví dụ, trong cơ học. Tác động của những phản hồi này có thể được mô tả như sau: OOS dẫn đến sự ổn định của hệ thống, dẫn đến sự không ổn định của nó.

Liên quan đến các bộ khuếch đại hoạt động được đề cập, OOS cho phép bạn đặt mức tăng với độ chính xác đủ, và cũng dẫn đến nhiều cải tiến chất lượng và thậm chí dễ chịu hơn cho mạch. Nhưng trước tiên bạn cần tìm hiểu làm thế nào OOS hoạt động.Ví dụ, xem xét một mạch có thể được tìm thấy trong bất kỳ sách giáo khoa về tự động hóa.

Hình 1

Đầu ra tín hiệu U.output. từ đầu ra, nó chuyển đến thiết bị tính tổng (một vòng tròn có dấu cộng bên trong) thông qua mạch OOS với hệ số truyền, trong trường hợp này, nhỏ hơn một. Nếu hệ số này được thực hiện lớn hơn thống nhất, điều này là có thể về mặt kỹ thuật, thì thay vì khuếch đại tín hiệu, chúng ta có được sự suy giảm của nó. Nhưng bây giờ, chúng tôi sẽ cho rằng chúng tôi cần gia cố chính xác.

Vách đá OOS chỉ là một tai nạn

Nếu bạn phá vỡ vòng phản hồi, thì điện áp ở đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động sẽ là U.out. = K * U.in. Về mặt lý thuyết giá trị rất lớn. Trong thực tế, nó sẽ bị giới hạn bởi độ lớn của điện áp cung cấp. Điều này đã được nói trước đó. Một ví dụ tương tự: nếu đó là một động cơ điện với sự ổn định của vòng quay (cũng là phản hồi), thì nó sẽ đơn giản tăng tốc hết mức có thể. Trong trường hợp này, họ nói rằng hệ thống đã "bán hàng".

Đi qua mạch của mạch OOS, tín hiệu đầu ra bị suy giảm bởi β * U.output. Do đó, chỉ (U.in.-β * U.out.) Đi kèm với đầu vào bộ khuếch đại thông qua bộ cộng. Dấu trừ cho biết rằng phản hồi là âm. Sau khi đi qua thiết bị có mức tăng K, đầu ra sẽ là U.output = K * (U.in.-β * U.out.). Đổi lại, mức tăng của toàn bộ hệ thống K.us. = U.out./U.in. và hóa ra là U.out. = K *

Sau một số biến đổi, người ta có thể thu được kết quả sau: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K *) = K / (1+ K * β)

Tất cả các phép biến đổi này đã dẫn đến công thức đơn giản K.us. = K / (1+ K *). Nếu chúng ta giả sử rằng K in đủ lớn (và trong trường hợp sử dụng bộ khuếch đại hoạt động thì điều này thực sự là như vậy), thì đơn vị trong ngoặc sẽ không thực hiện bất kỳ thời tiết đặc biệt nào, do đó, công thức sẽ có dạng sau:

K.us = 1 /

Công thức kết quả (trong thực tế, là lý do tại sao toàn bộ hàng rào của các công thức được gộp lại) cho phép chúng ta nói rằng hệ số truyền của bộ khuếch đại hoạt động trong mạch phản hồi không phụ thuộc vào mức tăng của chính bộ khuếch đại hoạt động, mà chỉ được xác định bởi các tham số mạch phản hồi , hệ số truyền của nó. Nhưng, tuy nhiên, mức tăng của bộ khuếch đại hoạt động càng cao, công thức được chỉ định càng chính xác, mạch hoạt động càng ổn định.

Do đó, các tầng khuếch đại trên các bộ khuếch đại hoạt động không yêu cầu điều chỉnh, như các tầng bóng bán dẫn thông thường: chỉ cần tính toán điện trở phản hồi, hàn, có mức tăng theo yêu cầu. Làm thế nào điều này được thực hiện sẽ được mô tả trong bài viết tiếp theo.