Phản hồi Mạch khuếch đại hoạt động

Repeater và đảo ngược bộ khuếch đại

Cuối bài viết Bộ khuếch đại hoạt động lý tưởng Nó đã chỉ ra rằng khi sử dụng bộ khuếch đại hoạt động trong các mạch chuyển mạch khác nhau, sự khuếch đại của tầng trên bộ khuếch đại hoạt động (OA) chỉ phụ thuộc vào độ sâu của phản hồi. Do đó, trong các công thức để xác định mức tăng của một mạch cụ thể, mức tăng của op-amp trần trần, có thể nói, không được sử dụng. Đó chỉ là hệ số khổng lồ được chỉ định trong các thư mục.

Sau đó, nó rất thích hợp để đặt câu hỏi: Kiếm Nếu kết quả cuối cùng (mức tăng) không phụ thuộc vào hệ số tham chiếu rất lớn này, thì sự khác biệt giữa opamp với khuếch đại vài nghìn lần và với cùng một opamp, nhưng với khuếch đại vài trăm nghìn và thậm chí hàng triệu?

Câu trả lời khá đơn giản. Trong cả hai trường hợp, kết quả sẽ như nhau, mức tăng tầng sẽ được xác định bởi các phần tử OOS, nhưng trong trường hợp thứ hai (opamp với mức tăng cao), mạch hoạt động ổn định hơn, chính xác hơn, tốc độ của các mạch như vậy cao hơn nhiều. Vì lý do chính đáng, op amps được chia thành op amps của ứng dụng chung và độ chính xác cao, chính xác.

Như đã đề cập, các bộ khuếch đại có hoạt động của các bộ phận trong câu hỏi đã được nhận vào thời điểm đó, khi chúng chủ yếu được sử dụng để thực hiện các hoạt động toán học trong các máy tính tương tự (AVM). Đây là các phép toán cộng, trừ, nhân, chia, bình phương và nhiều hàm khác.

Các op-amps antediluvian này được thực hiện trên các ống điện tử, sau đó trên các bóng bán dẫn rời rạc và các thành phần vô tuyến khác. Đương nhiên, kích thước của các bóng bán dẫn op thậm chí đủ lớn để được sử dụng trong các công trình nghiệp dư.

Và chỉ sau đó, nhờ những thành tựu của thiết bị điện tử tích hợp, op-amps đã trở thành kích thước của một bóng bán dẫn công suất thấp thông thường, việc sử dụng các bộ phận này trong thiết bị gia dụng và mạch nghiệp dư đã trở nên hợp lý.

Nhân tiện, op-amps hiện đại, thậm chí có chất lượng khá cao, với mức giá cao hơn một chút so với hai hoặc ba bóng bán dẫn. Tuyên bố này áp dụng cho mục đích chung op amps. Bộ khuếch đại chính xác có thể chi phí nhiều hơn một chút.

Liên quan đến các mạch trên op-amp, nó đáng để ngay lập tức nhận xét rằng tất cả chúng đều được cung cấp bởi một nguồn năng lượng lưỡng cực. Một chế độ như vậy là hầu hết các máy thông thường của người dùng cho một op-amp, cho phép khuếch đại không chỉ các tín hiệu điện áp xoay chiều, ví dụ như hình sin, mà cả tín hiệu DC hoặc đơn giản là điện áp.

Tuy nhiên, khá thường xuyên, việc cung cấp năng lượng cho các mạch trên op-amp được làm từ một nguồn đơn cực. Đúng, trong trường hợp này, không thể tăng điện áp không đổi. Nhưng nó thường xảy ra rằng điều này chỉ đơn giản là không cần thiết. Các mạch có nguồn cung cấp đơn cực sẽ được mô tả sau, nhưng bây giờ chúng ta tiếp tục về các sơ đồ để chuyển đổi op-amp với công suất lưỡng cực.

Điện áp cung cấp của hầu hết các op-am thường là trong phạm vi ± 15V. Nhưng điều này không có nghĩa là điện áp này không thể được làm thấp hơn một chút (không nên sử dụng cao hơn). Nhiều op-amps hoạt động rất ổn định bắt đầu từ ± 3V, và một số model thậm chí là ± 1,5V. Khả năng như vậy được chỉ định trong tài liệu kỹ thuật (DataSheet).

Theo dõi điện áp

Đây là thiết bị đơn giản nhất về mặt mạch trên op-amp, mạch của nó được hiển thị trong Hình 1.

Hình 1. Mạch theo dõi điện áp trên bộ khuếch đại hoạt động

Thật dễ dàng để thấy rằng để tạo ra một sơ đồ như vậy, không cần một chi tiết duy nhất, ngoại trừ chính hệ điều hành. Đúng, con số không cho thấy kết nối sức mạnh, nhưng một phác thảo như vậy của các chương trình được tìm thấy rất thường xuyên. Điều duy nhất tôi muốn lưu ý là giữa các cực của nguồn cung cấp op-amp (ví dụ, đối với op-amp KR140UD708, đây là các kết luận 7 và 4) và dây chung phải được kết nối chặn tụ điện với công suất 0,01 ... 0,5 FF.

Mục đích của họ là làm cho hoạt động của op amp ổn định hơn, để thoát khỏi sự tự kích thích của mạch dọc theo các mạch điện. Các tụ điện nên được kết nối càng gần càng tốt với các cực nguồn của chip. Đôi khi một tụ điện được kết nối dựa trên một nhóm của một số vi mạch. Các tụ điện tương tự có thể được nhìn thấy trên bảng với các vi mạch kỹ thuật số, mục đích của chúng là như nhau.

Độ lợi của bộ lặp tương đương với sự thống nhất, hoặc, nói cách khác, cũng không có lợi ích. Vậy thì tại sao lại có kế hoạch như vậy? Ở đây khá thích hợp để nhớ lại rằng có một mạch bán dẫn - một người theo dõi phát, mục đích chính là kết hợp các tầng với các điện trở đầu vào khác nhau. Các tầng tương tự (lặp lại) cũng được gọi là bộ đệm.

Điện trở đầu vào của bộ lặp trên op-amp được tính là sản phẩm của trở kháng đầu vào của op-amp bằng mức tăng của nó. Ví dụ, đối với UD708 đã đề cập, trở kháng đầu vào xấp xỉ 0,5 MΩ, mức tăng ít nhất là 30.000 và có thể hơn. Nếu bạn nhân các số này, thì trở kháng đầu vào là 15 GΩ, tương đương với điện trở của cách điện không chất lượng rất cao, chẳng hạn như giấy. Một kết quả cao như vậy khó có thể đạt được với một người theo dõi phát xạ thông thường.

Để các mô tả không bị nghi ngờ, dưới đây là các số liệu cho thấy hoạt động của tất cả các mạch được mô tả trong Multisim giả lập chương trình. Tất nhiên, tất cả các sơ đồ này có thể được lắp ráp trên bảng, nhưng không phải là kết quả tồi tệ nhất có thể thu được trên màn hình điều khiển.

Trên thực tế, nó thậm chí còn tốt hơn một chút ở đây: bạn không phải đi đâu đó trên kệ để thay đổi điện trở hoặc vi mạch. Ở đây mọi thứ, ngay cả các dụng cụ đo lường, đều có trong chương trình, và có thể sử dụng chuột hoặc bàn phím.

Hình 2 cho thấy mạch lặp được thực hiện trong chương trình Multisim.

Hình 2

Nghiên cứu về mạch khá đơn giản. Tín hiệu hình sin có tần số 1 KHz và biên độ 2 V được áp dụng cho đầu vào của bộ lặp từ bộ tạo chức năng, như trong Hình 3.

Hình 3

Tín hiệu ở đầu vào và đầu ra của bộ lặp được quan sát bằng máy hiện sóng: tín hiệu đầu vào được hiển thị bằng chùm màu xanh, chùm đầu ra có màu đỏ.

Hình 4

Và tại sao, người đọc chu đáo sẽ hỏi, tín hiệu đầu ra (màu đỏ) có lớn gấp đôi màu xanh đầu vào không? Mọi thứ đều rất đơn giản: với cùng độ nhạy của các kênh dao động, cả hai hình sin có cùng biên độ và pha hợp nhất thành một, ẩn sau nhau.

Để tạo ra cả hai cùng một lúc, chúng tôi phải giảm độ nhạy của một trong các kênh, trong trường hợp này là đầu vào. Kết quả là, sóng hình sin màu xanh trở thành chính xác một nửa kích thước trên màn hình và dừng ẩn đằng sau màu đỏ. Mặc dù để đạt được kết quả như vậy, bạn chỉ cần thay đổi các tia bằng các điều khiển dao động, để lại độ nhạy của các kênh như nhau.

Cả hai sin đều nằm đối xứng với trục thời gian, điều này cho thấy thành phần không đổi của tín hiệu bằng 0. Và điều gì sẽ xảy ra nếu một thành phần DC nhỏ được thêm vào tín hiệu đầu vào? Trình tạo ảo cho phép bạn dịch chuyển sóng hình sin dọc theo trục Y. Hãy thử chuyển nó lên 500mV.

Hình 5

Những gì xuất phát từ điều này được hiển thị trong Hình 6.

Hình 6

Đáng chú ý là các sin sin đầu vào và đầu ra tăng nửa volt, trong khi không thay đổi gì cả. Điều này cho thấy rằng bộ lặp truyền chính xác thành phần không đổi của tín hiệu. Nhưng hầu hết họ thường cố gắng loại bỏ thành phần không đổi này, làm cho nó bằng 0, điều này tránh việc sử dụng các phần tử mạch như tụ điện cách ly giữa các giai đoạn.

Bộ lặp lại dĩ nhiên là tốt và thậm chí là đẹp: không cần một chi tiết bổ sung nào (mặc dù có các mạch lặp với các bổ sung nhỏ của Cameron), nhưng chúng không nhận được bất kỳ lợi ích nào.Đây là loại khuếch đại nào? Để có được một bộ khuếch đại, chỉ cần thêm một vài chi tiết, làm thế nào để làm điều này sẽ được mô tả sau.

Bộ khuếch đại đảo ngược

Để tạo ra một bộ khuếch đại đảo ngược từ op-amp, chỉ cần thêm hai điện trở là đủ. Điều gì đến từ đây được hiển thị trong Hình 7.

Hình 7. Mạch khuếch đại biến tần

Độ lợi của bộ khuếch đại như vậy được tính theo công thức K = - (R2 / R1). Dấu trừ không có nghĩa là bộ khuếch đại bị hỏng, mà chỉ có tín hiệu đầu ra sẽ ngược pha với đầu vào. Không có gì ngạc nhiên khi bộ khuếch đại được gọi là đảo ngược. Ở đây sẽ thích hợp để gọi lại các bóng bán dẫn có trong sơ đồ với OE. Ở đó, tín hiệu đầu ra trên bộ thu của bóng bán dẫn cũng ở trạng thái antiphase với tín hiệu đầu vào được cung cấp cho cơ sở.

Đây là nơi đáng để ghi nhớ bạn phải bỏ ra bao nhiêu nỗ lực để có được một hình sin không bị biến dạng sạch trên bộ thu của bóng bán dẫn. Cần phải chọn độ lệch trên cơ sở bóng bán dẫn cho phù hợp. Điều này, như một quy luật, khá phức tạp, tùy thuộc vào nhiều tham số.

Khi sử dụng op-amp, chỉ cần tính toán điện trở của các điện trở theo công thức và đạt được mức tăng cho trước là đủ. Nó chỉ ra rằng việc thiết lập một mạch trên op-amp đơn giản hơn nhiều so với việc thiết lập một số tầng bóng bán dẫn. Do đó, người ta không nên sợ rằng chương trình sẽ không hoạt động, nó sẽ không hoạt động.

Hình 8

Ở đây mọi thứ giống như trong các hình trước: tín hiệu đầu vào được hiển thị màu xanh lam, nó có màu đỏ sau bộ khuếch đại. Mọi thứ tương ứng với công thức K = - (R2 / R1). Tín hiệu đầu ra nằm trong antiphase với đầu vào (tương ứng với dấu trừ trong công thức) và biên độ của tín hiệu đầu ra chính xác gấp hai lần đầu vào. Điều này cũng đúng với tỷ lệ (R2 / R1) = (20/10) = 2. Để đạt được mức tăng, ví dụ 10, nó đủ để tăng điện trở của điện trở R2 lên 100KΩ.

Trong thực tế, mạch của bộ khuếch đại đảo ngược có thể phức tạp hơn một chút, một tùy chọn như vậy được hiển thị trong Hình 9.

Hình 9Đảo ngược mạch khuếch đại

Một phần mới xuất hiện ở đây - điện trở R3 (đúng hơn, nó chỉ biến mất khỏi mạch trước đó). Mục đích của nó là để bù các dòng đầu vào của một opamp thực để giảm sự mất ổn định nhiệt độ của thành phần DC ở đầu ra. Giá trị của điện trở này được chọn theo công thức R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Các opamp hiện đại có độ ổn định cao cho phép đầu vào không đảo ngược được kết nối trực tiếp với một dây chung mà không cần điện trở R3. Mặc dù sự hiện diện của yếu tố này sẽ không làm điều gì xấu, nhưng ở quy mô sản xuất hiện tại, khi họ tiết kiệm mọi thứ, họ không muốn cài đặt điện trở này.

Các công thức để tính toán bộ khuếch đại đảo ngược được hiển thị trong Hình 10. Tại sao trong hình? Vâng, chỉ để rõ ràng, trong một dòng văn bản họ sẽ không trông rất quen thuộc và dễ hiểu, sẽ không đáng chú ý.

Hình 10

Về lợi ích đã được đề cập trước đó. Ở đây, các điện trở đầu vào và đầu ra của bộ khuếch đại không đảo là đáng chú ý. Mọi thứ dường như đều rõ ràng với điện trở đầu vào: hóa ra là bằng với điện trở của điện trở R1, nhưng điện trở đầu ra sẽ phải được tính theo công thức như trong Hình 11.

Chữ Kiết biểu thị hệ số tham chiếu của op-amp. Ở đây, xin vui lòng, tính toán điện trở đầu ra sẽ bằng. Nó sẽ trở thành một con số khá nhỏ, ngay cả đối với một op-amp trung bình loại UD7 với KÊ của nó không quá 30.000. Trong trường hợp này, điều này là tốt: xét cho cùng, điện trở đầu ra của tầng thấp hơn , tất nhiên, trong giới hạn, tầng này có thể được kết nối.

Một nhận xét riêng biệt cần được thực hiện về đơn vị trong mẫu số của công thức tính điện trở đầu ra. Giả sử tỷ lệ R2 / R1 là, ví dụ 100. Đây là tỷ lệ thu được trong trường hợp mức tăng của bộ khuếch đại đảo ngược 100.Nó chỉ ra rằng nếu đơn vị này bị loại bỏ, không có gì sẽ thay đổi nhiều. Trên thực tế, điều này không hoàn toàn đúng.

Giả sử rằng điện trở của điện trở R2 bằng không, như trường hợp của bộ lặp. Sau đó, không có sự thống nhất, toàn bộ mẫu số trở thành số không, và điện trở đầu ra cũng bằng không. Và nếu sau đó số 0 này nằm ở đâu đó trong mẫu số của công thức, làm thế nào để bạn ra lệnh chia nó? Do đó, đơn giản là không thể thoát khỏi đơn vị dường như không đáng kể này.

Trong một bài viết, thậm chí đủ lớn, chỉ cần không viết. Do đó, bạn sẽ có mọi thứ không phù hợp để nói trong bài viết tiếp theo. Sẽ có một mô tả về một bộ khuếch đại không đảo, bộ khuếch đại vi sai, bộ khuếch đại công suất đơn cực. Một mô tả cũng sẽ được đưa ra các mạch đơn giản để kiểm tra opamp.

Boris Aladyshkin