Pingejärgija on ühtse võimendusega mitteinverteeriv võimendi. See saavutatakse negatiivse sulgemisega tagasisidet ja kasuliku signaali andmine mitteinverteerivasse sisendisse.

Selle ühendusega üritab operatiivvõimendi anda täpset koopiat signaalist, mis saabub tema sisendisse väljundis. Igal ajahetkel U välja = U sisse, seetõttu nimetatakse kirjeldatud ahelat repiiteriks.Op-amp repiiteri ahel:

Pingejälgija kasutamise tähendus

Miks korrata juba olemasolevat? Ühtsuse võimendusvõimendit nimetatakse ka puhver- või puhverastmeks. Suure sisendi ja väikese väljundtakistusega repiiter sobib ideaalselt kaskaadide sobitamiseks takistuse osas.

Sel viisil järgitakse vooluahela kavandamise peamist reeglit - järgmise etapi sisendtakistus peab olema vähemalt 3 ja eelistatavalt 10 korda suurem kui eelmise etapi väljundtakistus. Sel juhul signaal ei moondu.

Operatsioonivõimendi parameetrid

Kaasaegsetel operatiivvõimenditel on tohutu sisendtakistus. Sama odav ja laialt levinud TL062 sisendtakistus on 10 12 oomi. DIP-8 või SO-8 paketis oleva kahe operatiivvõimendi (TL062, TL072, NE5532, LM833...) puhul on repiiteri ühendus näidatud allpool:

Operatsioonivõimendite puhul kitseneb võimenduse suurenedes sagedusvahemik ja ülemine edastatav sagedus väheneb. Kuid kordusrežiimis, töötades ühtse võimendusega, on op-amp võimeline töötama kuni selle jaoks maksimaalse võimaliku sageduseni.

Nii või teisiti on repiiteri op-võimendi valimisel soovitav sagedusvaru olla mitu korda, eelistatavalt 10. Sel juhul ei saa kindlasti muretseda operatiivvõimendi enda tekitatud faasimoonutuste pärast.

Repiiteri kiibi valimisel tuleb lisaks sagedusvahemiku laiusele arvestada ka oluline omadus on ka väljundvool, mida op-amp on võimeline andma koormusele. Kui operatiivvõimendi ei suuda anda koormuse poolt nõutavat väljundvoolu, algab langus ja moonutused. Seega, kui me räägime madala takistusega koormusest, mis nõuab voolu üle 100 mA, siis mitte iga operatiivvõimendi ei saa sellega hakkama.

Kuidas arvutada vooluhulka, mida op-amp peaks andma?

Väga lihtne! Oletame, et 10-oomine takisti toimib koormusena. Repiiter saab 5-voldise pinge, mille ta peab koormusele üle kandma. Sel juhul, rakendades Ohmi seadust (I=U/R), saame teada, et takisti 5 volti pinge säilitamiseks peab op-amp andma voolu 0,5 amprit. ( See on ligikaudne hinnang, kuid praktikas üsna rakendatav.)

Tavalised opvõimendid ei tule selle ülesandega toime. Väljundit saab muidugi transistoriga võimendada, aga siis muutub repiiteri kasutamine op-võimendil vähem põhjendatuks.

Sellistel eesmärkidel on soovitatav kasutada kordusahelasse ühendatud TDA2030, TDA2040 või TDA2050. Mikroskeemid on transistoridega varustatud valmisoperatsioonivõimendid, mis erinevad maksimaalse väljundvõimsuse poolest.

TDA2030 pingereiiterina

Mõelge näiteks TDA2030 kiibile, kuna ülejäänud kaks on selle võimsamad vennad. Mikroskeem töötati algselt välja ja seda kasutati helivõimendites. Sellele kiibile on ehitatud valdav enamus majapidamisvõimendeid, eriti 2.1 ja 5.1 süsteemid. Loogiline ja arusaadav on see, et kiip on odav ja samas heade omadustega.

Mikroskeem on rakendatud viie kontaktiga pakendis ja selle tööks on vaja minimaalselt osi. Kui see on sisse lülitatud vastavalt kordusahelale, on normaalseks tööks vaja ainult toiteallika kondensaatoreid. Parem on jätta sisendisse ka takisti, et siduda sisend konstantsel pingel maandusega, kuigi see pole vajalik.

Standardskeem mikrolülituse ühendamiseks helivõimendiks:

Andmekaitsega pakutud mikroskeemi standardühenduses (näidatud ülalpool) on võimendus seatud umbes 20-ni. Sel juhul on töösagedusriba piiratud sama andmekaitsega 140 kHz juures. Töötades aga ühtsusvõimendusega pingejälgimisahelas, võib mikroskeem töötada kuni sagedustel 0,5...1 MHz. Vähemalt toimis mikroskeem hästi 100 kHz sagedusel töötades, mida toideti Wieni silla siinussignaali generaatorist, mille väljundit seda kasutati.

Elegantne, ilus ja mis kõige tähtsam – see töötab. Mikroskeem soojeneb märgatavalt ja selleks on soovitatav kasutada piisava pindalaga radiaatorit. Arvutiprotsessori jahutusradiaator on ideaalne. Soojuse hajumine sõltub aga töörežiimist ja koormustaluvusest. Mikrolülitust ei ole soovitatav sisse lülitada ilma jahutusradiaatorita.

Algversioonis toidab mikrolülitust stabiliseeritud pinge ±9 V, et tagada signaali amplituudi stabiilsus. Mikroskeem pidi töötama võimsusega 2–3 vatti, sel põhjusel viidi läbi võimsuse stabiliseerimine pankadel 7809 ja 7909, mis on võimelised andma voolu kuni 1 A (radiaatorite olemasolul). TDA2030 mikroskeemi toitepinge vahemik on ±6 … ±18 volti.

Järeldus

Op-amp repiiter on võib-olla kõige lihtsam, kuid samal ajal väga oluline kaskaad. Elektroonikaseadmete arendamisel, kui üks op-ampidest jääb kasutamata, on kindlasti parem ehitada sellele repiiter, kui jätta see kasutamata. Pingejärgijat saab kasutada ka väljundvoolu võimendina.

Pingejärgija on lihtsaim võimalik negatiivse tagasiside võimendi (NFA). Väljundpinge on täpselt võrdne sisendpingega. Kui need ei erine, siis võite küsida – milleks see vajalik on, kui see midagi ei muuda?

Asi on selles, et me räägime pingest, mitte voolust. Seega ei tarbi pingejälgija signaaliallikast peaaegu üldse voolu ja võimaldab saada selle väljundist üsna kõrge voolu.

Sageli peame tegelema aktiivsete raadiokomponentidega, millel on väga madal väljundvool. Sellise komponendi näide on või. Madala takistusega elementide ühendamine nendega vähendab nende allikate tekitatud väljundsignaali pinget.

Sellises olukorras on mõttekas kasutada pingejälgijat. Sellel on kõrge sisendtakistus, mistõttu see ei vähenda ega moonuta sisendsignaali, samuti on sellel madal väljundtakistus, mis võimaldab ühendada energiat nõudvaid komponente, näiteks LED-i.

Et mõista, kuidas pingejälgija töötab, peame teadma kolme põhireeglit, mis reguleerivad operatsioonivõimendi tööd:

Reegel nr 1 - operatiivvõimendi mõjutab oma väljundit sisendis läbi OOS (negatiivne tagasiside), mille tulemusena võrdsustub pinge mõlemas sisendis, nii inverteerivas (-) kui ka mitteinverteerivas (+).

Reegel nr 2 – võimendi sisendid ei tarbi voolu

Reegel nr 3 – pinged sisendites ja väljundites peavad jääma operatsioonivõimendi positiivse ja negatiivse toitepinge vahele.

Oletame, et sisendpingeks on saanud 3V ja meil on hetkel väljundis 1V. Mis saab? Võimendi teeb kindlaks, et inverteeriva sisendi (-) ja mitteinverteeriva sisendi (+) vahel on 2 V erinevus.

Seetõttu vastavalt reeglile nr 1 väljundpinge tõuseb seni, kuni pinged sisendites on võrdsed. Olukorda lihtsustab veelgi asjaolu, et väljund on ühendatud otse inverteeriva sisendiga (-) ja see viib paratamatult selleni, et nende kahe klemmi pinge muutub samaks.

Sageli võib pingejälgija ahelas leida tagasisideahelas täiendava takisti. Seda on vaja seal, kus vaja suurenenud täpsus. Reeglid nr 1 ja 2 viitavad ideaalsele op-võimendile, mida tegelikkuses ei eksisteeri.

Pinged sisenditel ei pruugi olla täpselt samad, läbib neid väike vool, mistõttu võib väljundpinge sisendpingest mitme millivoldi võrra erineda. Takisti R on mõeldud nende puuduste mõju vähendamiseks. Selle takistus peab olema võrdne signaaliallika takistusega.

OPAMP-PÕHINEV VÕIMENDIKASKAAD

1. Negatiivse pinge tagasisidega kaetud operatiivvõimendite omadused

Joonisel 8.1 on kujutatud tagasisidega operatsioonivõimendi vooluringi.

Joonis 8.1. Negatiivse tagasiside genereerimise skeem

Tagasiside moodustab vooluring Z O.C. , mis tagab väljundist osa signaalienergia tagasituleku Op-amp selle inverteerivale sisendile. Sellepärast OS on negatiivne. Kuna ahela sisendsignaal OS on pinge tagasiside. Sellega seoses on saadud võimendi väljundtakistus oluliselt väiksem kui kasutatud operatiivvõimendi väljundtakistus:

Z keskkonnakaitsest väljumine = Z väljundOU / (1 +  K ), (8.1)

Kus  – ahela ülekandetegur OS;

TO – kasu OP.

Seega on väljundtakistuse suhteliselt väike väärtus Op-amp väheneb veelgi.

signaali suhtes ( U sisend1 ), antakse inverteerivasse sisendisse, ahela väljundisse OOC osutub paralleelselt ühendatud ja signaali suhtes ( U vx2 ), tarnitakse jadamisi mitteinverteerivasse sisendisse. Seetõttu võivad nende kahe signaaliallika sisendtakistused erineda.

Toome veel paar väljendit, mida hiljem kasutatakse.

Sest OP on diferentsiaalvõimendi, siis väljundpinge

Kus .

Arvestades seda TO suurepärane (ideaalis Op-amp TO ) ja väljundpinge on piiratud (vähemalt toiteallika pinge väärtustega, saame:

Sõlme jaoks punktis A võib kirjutada:

Kui R sisend  R OS (ideaalis Op-amp R sisend  ), siis

Järgnevalt lisaks nendele ideaalnäitajate alusel saadud väljenditele OU,Üksikute vooluahelate analüüsimisel jätame tähelepanuta nulli nihkepinge ( U cm ), sisendvoolud ( I sisend ,  I sisend ) ja nende triividest.

2. Lineaarsed ahelad

2.1. Inverteeriv võimendi

Joonisel 8.2 on näidatud kõige lihtsama skeem inverteeriv võimendi. Mitteinverteeriv sisend on maandatud, st. on null pingel ( U vx2 Joonis 8.1 võrdub nulliga). Sisendsignaal läbi takisti R 1 tarnitakse inverteerivasse sisendisse . Operatsioonivõimendi on kaetud paralleelse negatiivse pinge tagasisidega läbi takisti R OS . Leiame ahela võimenduse avaldise.

Joonis 8.2. Inverteeriv võimendi

Kooskõlas avaldisega (8.3)

U A = U B = 0 (8.5)

Seega potentsiaali punkti A esimese lähenduse kohaselt on see võrdne ühise siini potentsiaaliga - "maa". Seetõttu nimetati seda punkti "virtuaalseks maaks".

Saadud väärtust kasutades leiame punktis (8.4) sisalduvad voolud

. (8.7)

Nende võrdsustamine ja sellega arvestamine TO = U välja / U sisse, saame inverteeriva võimendi võimenduse

, (8.8)

kus miinusmärk näitab väljundsignaali faasi muutust võrreldes sisendsignaali faasiga 180 0 võrra (väljundpinge on sisendpingega antifaasis, vastupidine). Sellega seoses, kui sisendsignaal suureneb, siis võimendatud väljundsignaal väheneb ja vastupidi, vähenev sisendsignaal vastab kasvavale väljundsignaalile. Sarnast nähtust oleme võimendite kaalumisel juba kohanud OE, KOHTA Ja OI.

(8.8) põhjal on selge, et inverteerival võimendil võib olla mis tahes võimendus, nii ühtsusest suurem kui ka väiksem.

Paralleelne negatiivne pinge tagasiside vähendab võimendi väljundit (vt (8.1)) ja väljundtakistust. Viimase väärtuse saab esmalt hinnata, kasutades mõistet "virtuaalne maa". Kuna pinge punktis A võrdub nulliga, siis sisendsignaali allika puhul “näib”, et selle sisendite vahele on ühendatud takisti R1 , st.

R sisse ja meisse = R 1 . (8.9)

Nagu on näidatud eelmises jaotises, sissejuhatuses OOC laiendab võimendatud sageduste ulatust. Joonisel on kujutatud logaritmiline amplituud-sagedusreaktsioon Op-amp ja selle põhjal konstrueeritud inverteerivat võimendit Op-amp.

Joonis 8.3. Logaritmiline amplituud-sagedusreaktsioon Op-amp ja inverteeriv võimendi

Originaali suured võimendustegurid Op-amp vastavad väga kitsale sagedusvahemikule - nullist kuni umbes mitmekümne/saja hertsini.

Inverteeriva võimendi tasane võimendus ulatub ülemise sageduseni, mis on võrdne:

2.2. Mitteinverteeriv võimendi

Mitteinverteeriva võimendi vooluahel on näidatud joonisel 8.4.

Joonis 8.4. Mitteinverteeriv võimendi

Sisendsignaal läheb mitteinverteerivasse sisendisse Op-amp läbi jagaja R2 , R3 . Otsesisendpinge

Kus TO asjadest – jagaja jaotustegur R2 , R3 .

Inverteerides sisendit Op-amp maandatud läbi takisti R1 . Sisendpinge inverteerimine

.

Võrdsustades need pinged ((8.3) alusel) saame

, (8.11)

Mitteinverteerivas võimendis on väljundpinge sisendiga faasis. (8.11) järeldub, et mitteinverteeriva võimendi võimendus võib olla väiksem kui 1 ainult siis, kui kasutatakse jagajat TO asjadest  1. Sisendjaguri puudumisel ( R 2 = 0; R 3   ) kasu on alati suurem kui ühtsus.

Jada negatiivne pinge tagasiside vähendab väljundtakistust ja suurendab kogu võimendi sisendtakistust. Inverteeriva võimendi väljundtakistust, mis on tingitud pinge negatiivsest tagasisidest, võib sarnaselt inverteeriva võimendiga lugeda nullilähedaseks (vt 8.1).

Sisendtakistus Op-amp jada negatiivse tagasiside tõttu suureneb isegi rohkem kui sisendtakistus Op-amp diferentsiaalsignaal. Selle väärtuse määrab takistus ühisrežiimi signaalile.

Kui on sisendjagur

R sisend = R 2 + R 3 . (8.12)

Mitteinverteeriva võimendi amplituud-sagedusreaktsioon on sarnane sageduskarakteristik inverteeriv võimendi (vt joonis 8.3).

2.3. Op-amp-põhised repiiterid

Mõnikord on erinevate elektrooniliste vooluahelate ehitamisel vaja võimendi astmeid, millel on (absoluutväärtuses) ühtsuse võimendustegurid ( kordajad).

Enamasti põhineb nende konstruktsioon mitteinverteerival võimendi ahelal, millel puudub sisendtakistusjagur, mis tagab väga kõrge sisendtakistuse. Repiiter, vastavalt (8.11) kell ( TO asjadest= 1) saab rakendada kolmel viisil (joonis 8.5):

R OS = 0 (väljundi otseühendus inverteeriva sisendiga);

R 1 =  (katkestus vooluringis, kuhu see kuulub R1 ) ja lõpuks

R OS = 0 ja samal ajal R 1 = .

Repiiteri lülitus on kõige lihtsamalt teostatud kolmandal juhul (joonis 8.5c), kuid praktikas kasutatakse ka muid mitteinverteerivate repiiterite versioone. Pange tähele, et järelejäänud takisti väärtus joonistel 8.5, a, b ahelates ei mõjuta kordaja ühtsusvõimendust üldse.

Joonis 8.5. Mitteinverteerivad repiiterid pingepõhine Op-amp

Repiiter pingeid saab projekteerida ka inverteerivast võimendist lähtuvalt, kui selles on valitud sama takistusega takistid (joonis 8.2) R 1 = R OS .

2.4. Op-amp-põhised lisandid

Lisaja on elektrooniline seade, millel on mitu sisendit ja üks väljund, mille pinge on võrdeline kõigi sisendite pingete summaga. Selliseid seadmeid kasutatakse siis, kui on vaja ühes kanalis kombineerida erinevatest allikatest pärit signaale (näiteks mikserites, helisalvestustehnoloogias üledubleerimine jne).

Summeerimisahel põhineb Op-amp on näidatud joonisel 8.6. Sellel on kaks sisendit, kuid rohkem saab kasutada, ühendades need takistite kaudu virtuaalse maanduspunktiga A .

Joonis 8.6. Lisaja sisseOp-amp

Väljundpinge sõltuvuse sisendpingest määramiseks kasutame superpositsiooni põhimõtet ning avaldisi (8.3) ja (8.4):

,

Kus. (8.13)

See näitab, et sisendsignaalid liidetakse oma kaalukoefitsientidega - iga sisendsignaal korrutatakse täiendavalt teatud koefitsiendiga, mis määrab selle panuse kogu väljundsignaali. Kaalukoefitsient saadakse ahelas oleva takisti takistuse suhtega OS takisti takistusele vastavas sisendahelas. Summeerimine toimub märgi muutusega (sisendsignaalide ümberpööramine). Kui me suhte täidame R OS = R 1 = R 2 , siis on võimalik teostada kahe sisendsignaali puhas liitmine. Kui ainult suhe kehtib R 1 = R 2 , seejärel kasutades R OS Saate saadud kogust veelgi skaleerida.

2.4. Op-amp-põhine diferentsiaalvõimendi (lahutav võimendi)

Lihtsaim diagramm diferentsiaal võimendi ( lahutaja) on näidatud joonisel 8.7.

Joonis 8.7. Diferentsiaalvõimendi jaoksOp-amp

Superpositsiooniprintsiibi alusel saame kirjutada

(8.14)

Kui suhe kehtib R 3  R 1 = R OS  R 2 , mis on samaväärne

siis (8.14) muundub

mis vastab diferentsiaalvõimendi mõistele, avaldis (8.14) aga kirjeldab diferentsiaalset (lahutavat) võimendit, millel on iga signaali jaoks oma kaalutud koefitsiendid.

Tuleb märkida, et mida täpsemalt on täidetud viimane seos (8.15), seda täpsemalt tagatakse kahe sisendpinge erinevus. Seetõttu tuleks diferentsiaalvõimendite projekteerimisel kasutada kõrgsageduslikke ja kõrge stabiilsusega takisteid. On selge, et lihtsam on kasutada nelja identset takistit ( R 1 = R 2 = R 3 = R OS = R ) ja saadud signaali vajalikku täiendavat võimendust saab realiseerida järgmistes etappides. Eriti täpsete diferentsiaalahelate saamiseks võib osutuda vajalikuks ühe takistuse täiendav reguleerimine. Võime eeldada, et ühisrežiimi komponendi piirava võimenduse määrab KOSS OU, mis võib olla üsna väike (vt 7. jagu).

Diferentsiaalvõimendi teatav puudus on see, et diferentsiaalastme sisendtakistused kahel sisendil erinevad üksteisest.

Lisaks on täpse muundamise tagamiseks vaja piirata signaaliallika sisetakistust või, mis on sama, suurendada diferentsiaalahela kõigi takistite takistust.

Seetõttu on mõnel juhul vaja kasutada rohkem keerulised ahelad DU. Nende probleemide radikaalseks lahenduseks on repiiterite sisselülitamine Op-amp igas sisendis, kuid kõige parem on kasutada head mõõteriistade võimendi ahelat.

2.5. Operatsioonivõimendil põhinev eristaja ja integraator

Inverteeriva võimendi sisendahelas kasutame kondensaatorit (joonis 8.8a).

Joonis 8.8. Diferentseerija ja integraator põhineb Op-amp

On teada, et mahtuvust läbiv vool on võrdne mahtuvuse ja kondensaatoriplaatide potentsiaalide erinevuse tuletisega. Võttes arvesse (8.3), kirjutame

(8.17)

Kus I Koos – kondensaatorit läbiva sisendahela vool KOOS .

(8.4) ja (8.7) põhjal on meil

Või , (8.18)

need. väljundpinge on sisendi "ümberpööratud" diferentsiaal proportsionaalsuse koefitsiendiga, mis on võrdne ( R KOOS ).

Vahetame kondensaatori ja takisti ära (joonis 8.8b). Seejärel, tehes eelmistele sarnaseid toiminguid, saame:

,

Selle avaldise vasaku ja parema külje integreerimine aja jooksul vahemikus alates 0 juurde t , leiame

, (8.19)

Kus U välja 0 – pinge vooluahela väljundis juures t = 0.

Seega on väljundpinge võrdeline sisendpinge integraaliga.

Sest U välja 0 on ka pinge, milleni kondensaator algsel ajahetkel laetakse, see tekitab teatud raskusi integraatori ahelate praktilisel rakendamisel - kondensaatorit laetakse pideva sisendvooluga Op-amp, mis lõpuks viib küllastumiseni. Selle nähtuse vältimiseks kasutatakse kahte kontrollimeetodit:

perioodiline võimsuse tühjenemine lüliti sulgemise tagajärjel TO , seisab kondensaatoriga paralleelselt;

sisendvoolu tingimuste tagamine Op-amp oleks oluliselt väiksem kui signaalist põhjustatud voolud.

2.5. Kõige lihtsamad filtrid, mis põhinevad operatsioonivõimenditel

Moodustame inverteeriva võimendi sisendahela järjestikku ühendatud kondensaatorist ja takistist (joonis 8.9a).

Joonis 8.9. Kõige lihtsamad filtrid Op-amp

Kui kordame kõiki matemaatilisi teisendusi, mis tehti inverteeriva võimendi jaoks, saame

Kuna mahtuvuse reaktants sõltub signaali sagedusest f

, (8.21)

siis võimenduse suurus sageduse vähenedes väheneb. Kell f = 0 TO vuntsid = 0. Sageduse kasvades läheneb see asümptootiliselt avaldisele (8.8) vastavale väärtusele. Nii saadakse seade sageduskarakteristik mis vastab kõrgpääsfiltrile ( HPF, Joonis 8.10,a) esimene järk.

Joonis 8.10. Aktiivsete filtrite logaritmilised amplituud-sageduskarakteristikud, mis põhinevad Op-amp: A - HPF, b – LPF, V - PF.

Me ei tohi unustada, et tõelisel filtril on roll-off sageduskarakteristik sisse kõrged sagedused, mis on tingitud kasutatud kõrgsageduslikest omadustest OP(vt avaldis (8.10)). Seetõttu selleks, et kõnealune struktuur täidaks tõhusalt funktsioone HPF on vajalik, et töödeldud signaali ülemine sagedus f koos oli oluliselt vähem f OU-s .

Arvestatava madalam piirsagedus HPF 3 dB veeremistaseme võrra

Kondensaatori juhime paralleelselt takistiga inverteeriva võimendi tagasisideahelasse (joonis 8.9b). Kasutades eelmistega sarnaseid lähenemisviise, saame

Kus. – takistus, mis on võrdne kondensaatori ja takisti paralleelühendusega.

Kui sagedus suureneb, siis takisti takistust šunteeritakse järjest enam mahtuvuse väheneva reaktiivsuse tõttu. See toob kaasa vooluahela takistusmooduli vähenemise OS ja selle tulemusena võimendusmooduli vähenemine. Kui sagedus väheneb, läheneb võimendus asümptootiliselt väärtusele TO = R OS / R 1 . Seetõttu vastab joonisel 8.9b olev ahel madalpääsfiltrile ( LPF) esimene tellimus.

Analüüsitava ülemine piirsagedus LPF 3 dB veeremistaseme võrra

Tegelik ülemine piirsagedus ei saa olla suurem kui ülemine piirsagedus f OU-s , mis on tingitud kasutatud kõrgsageduslikest omadustest OP. Sellepärast

Kui ühendate need kaks ahelat, saate ribapääsfiltri ( PF), määratakse alumine ja ülemine piirsagedus vastavates ahelates olevate elementide mahtuvuse ja takistuse korrutistega (väljendid, mis on sarnased (8.22) ja (8.24)). Loomulikult peavad arvutused austama ilmset seost

f OU-s  f V  f n .

3. Mittelineaarsed ahelad

3.1. Sissejuhatavad märkused

Põhineb Op-amp Erinevate mittelineaarsete amplituudiomadustega võimendeid saab hõlpsasti ehitada. Tavaliselt on sellised võimendid ette nähtud erinevate juhtimis-, seire- ja mõõtmissüsteemides kasutatavate andurite omaduste mittelineaarsuse korrigeerimiseks. Näiteks kui anduri ülekandekarakteristikul on kõvera kuju 1 joonisel 8.11, siis ideaalse võimendi puhul muutub väljundsignaal sama seaduse järgi, mis on sageli lubamatu. Seetõttu on soovitatav sisestada võimendisse lüli, mille amplituudi (ülekande) karakteristikud on pöördvõrdelised kasutatava anduri karakteristikuga (kõver) 2 , joonistus). On selge, et sel juhul on väljundsignaalil lineaarne sõltuvus sisendi mõõdetud karakteristikust (sirge 3).

Joonis 8.11. Anduri (a) ja parandusvõimendi (b) ülekandekarakteristikud

Paljudel juhtudel on vaja lahendada pöördülesanne – saada ülekandekarakteristikud, mis muutuvad vastavalt teatud seadusele.

Neid probleeme saab lahendada kasutades mittelineaarseid skeeme, mis põhinevad Op-amp.

3.2. Logaritmiline võimendi

Logaritmiline võimendi omab mittelineaarset amplituudikarakteristikut (joonis 8.12), mis vastab väljundpinge logaritmilisele sõltuvusele sisendist U välja = logi (U sisend ) . Sellist võimendit kasutatakse mõnikord juhtudel, kui on vaja vähendada võimendatud signaalide dünaamilist ulatust, kuna see võimendab väikese amplituudiga signaale suurema võimendusega kui suure amplituudiga signaalid.

Joonis 8.11. Logaritmilise võimendi amplituudreaktsioon

Logaritmiline võimendi põhineb tavaliselt inverteerival võimendil, mis põhineb OU, milles kasutatakse tagasisideelemendina logaritmilise voolu-pinge karakteristikuga mittelineaarset elementi - dioodi (joonis 8.12a).

Joonis 8.12. Logaritmilised (a) ja antilogaritmilised (b) võimendid, mis põhinevad Op-amp

Tuletame meelde, et dioodi voolu sõltuvus I d pingelangust sellel U d kirjeldatakse väljendiga

,

Kus I 0 – dioodi soojusvool;  T – temperatuuripotentsiaal (umbes 0,025 V).

(8.3) ja (8.4) põhjal on meil

I d = I sisend = U sisend / R Ja U välja = – U d ,

Kus. (8.26)

3.3. Anti-log võimendi

Antilogaritmilisel (eksponentsiaalsel) võimendil on pöördlogaritmiline ülekandekarakteristik. Selliste ahelate saamiseks piisab dioodi ja takisti vahetamisest antud logaritmilises võimendi ahelas (joonis 8.12b). Väljundpinge sõltuvus sisendpingest on sarnane eelmisele. Alates (8.3) ja (8.4) on meil:

I sisend = I d = I OS ; U d = U sisend ; U välja = – I OS * R = – I d * R ,

Kus - U d . (8.27)

3.4. Funktsionaalsed võimendid

Funktsionaalne võimendi on universaalne vooluahel, mille abil saate rakendada väljundpinge mis tahes sõltuvust sisendist. Funktsionaalvõimendi idee on kujutada väljund- ja sisendpinge soovitud mittelineaarset sõltuvust tükihaaval lineaarse lähendusena ning konstrueerida võimendiahel, mille võimendus sõltub sisend- või väljundpingest. Joonis 8.13 näitab nõutavat mittelineaarset karakteristikku ja selle lähendamist sirgjooneliste lõikude kaupa.

Joonis 8.13. Võimendi mittelineaarse amplituudireaktsiooni tükikaupa lineaarne lähendamine

Joonisel on näha, et piirkonnas alates 0 juurde U sisend1 võimendil peab olema võimendus TO 1 järgmises jaotises, alates U sisend1 juurde U vx2 – kasu TO 2 jne. Nende kasumite suurused TO 1 , TO 2 jne. on hõlpsasti kindlaks määratud nõutava tüüpi ligikaudse karakteristiku järgi:

. (8.28)

Funktsionaalvõimendi aluseks on tavaliselt inverteeriv võimendi ahel, mis põhineb Op-amp(Joonis 8.14).

Joonis 8.14. Funktsioonivõimendi

Esimeses jaotises, sees 0 juurde U sisend1 , määrab sellise võimendi võimenduse (märki ignoreerides) takisti suhe R 1 Ja R OS :

Kui, kui sisendpinge tõuseb üle U sisend1 , kasu TO 2 peaks suurenema (nagu on näidatud joonisel 8.13), siis on vaja takisti takistust vähendada R 1 nii et kasu muutub võrdseks TO 2 (kui kasum TO 2 väheneb, on vaja muuta takisti takistust R OS , sel juhul on järgnevad muudatused ahelas ja parameetrite arvutamise avaldised kergesti tuletatavad sarnasel viisil). Inverteeriva võimendi sisendtakisti uus takistuse väärtus määratakse valemiga

Takisti takistuse vähendamiseks R 1 sellega on vaja paralleelselt ühendada täiendav takisti ja see peaks lülituma ainult siis, kui sisendpinge ületab väärtuse U vx2 . Selleks on inverteeriva võimendi ahelasse lisatud täiendav takistite kett R 2 , R 3 ja diood VD . "Imaginaarse maanduse" põhimõtte kohaselt on inverteeriva sisendiga ühendatud dioodi anood OU, mille potentsiaal on võrdne nulliga. Diood avaneb, kui katoodil on pinge U A väheneb alla anoodipotentsiaali, st. alla 0. Seetõttu peab eelpingeallika pinge olema analüüsitava sisendpinge märgiga võrreldes vastupidise märgiga.

Kuni dioodi sisselülitamiseni pinge punktis A saab määrata avaldise järgi:

Pärast lukust vabastamist paralleelselt ühendatud takistite samaväärne takistus R 1 Ja R 2 peab olema võrdne väärtusega, mis on arvutatud (8.29), kust

Olles määranud vastupanu R 2 ja pärast eelpinge väärtuse määramist (sel juhul on soovitatav kasutada eelpingeallikana ühe toiteallika pinget Op-amp), alates (8.30) määrake takisti takistus R3 .

Kui karakteristikku lähendatakse teise sirgjoonega, siis samamoodi lülitatakse sisse ja arvutatakse kahe takisti ja dioodi lisakett.

Tere! Jätkame minu artiklis tõstatatud teemat.
Datagori foorumis Vladimir ( vol2008) tõstatas retrostruktuuriga võimendi teema ja pakkus välja oma versiooni lõppvõimendi puhverastmest.

Pakun ka varianti pseudo-tõuke-tõmba järgijaga puhverastmest.

Võimalikud võimalused puhverkaskaadide rakendamiseks

Riis. 1. Võimsusvõimendi puhverastme valikud:
a) emitteri järgija, b) dünaamilise koormusega emitteri järgija,
c) pseudo-tõuke-tõmbe-emitteri järgija sama struktuuriga transistoridel,
d) pseudo-push-pull emitteri järgija komplementaarsetel transistoridel

Emiterahelas takistiga emitteri järgija (joonis 1a) puuduseks on see, et sisendsignaali amplituudi suurenedes võib signaali ühe poollaine piirang tekkida varem kui teine.

Sisendsignaali positiivse poollaine ajal jagatakse emitteri vool VT1 takistuste vahel emitteris Re ja koormuses Rн. Negatiivse poollaine ajal voolab vool läbi Rн vastupidises suunas.

Piirangute vältimiseks peab transistori VT1 emitteri vool alati olema suurem kui null.

On lihtne näidata, et väljundsignaali maksimaalne tippamplituud on seotud emitteri pingega Ue ning koormustakistustega Rн ja emitteri Re järgmiselt:
Uoutmax=UеRн/(Re+Rн).

Joonisel fig. 1a saame:
Uoutmax=7,5·0,62/(0,62+1,1)=2,7 V.

Aktiivse koormuse kasutamine emitteri ahelas võimaldab kõrvaldada takistusliku koormusega emitteri järgija puudused ja veelgi vähendada moonutusi (joonis 1 b). Siia jääb osa lihtsa emitteri järgija puudusest: sisendsignaali positiivse poollaine korral antakse vool mitte ainult koormusele, vaid ka vooluallikale.

Pseudo-push-pull repiiterid võivad märkimisväärselt vähendada igat tüüpi moonutusi ja ka väljundtakistust. Siin kasutatakse emitteri koormusena juhitavat voolugeneraatorit, mis moodustab teise õla jaoks vastudünaamilise koormuse, joonis fig. 1. sajand

Joonisel fig. 1c ahel - eelmise sajandi neljakümnendatest pärit toru repiiteri patendi ülekandmine transistorskeemidele.

Kuna erinevalt lampidest kasutab transistori vooluring kahte tüüpi juhtivusega transistore, saab seda vooluahelat modifitseerida, mille tulemuseks on täiendav pseudo-tõuke-tõmbejärgija, joon. 1 aasta kasutas seda skeemi edukalt Vladimir (. vol2008).

Joonisel fig 1 näidatud vooluahelate madal väljundtakistus. 1c ja joonis fig. 1 g, samuti vähem moonutusi võrreldes joonisel fig. 1a ja fig. 1 b, avaldavad positiivset mõju heli taasesitamisele.

Riis. 2. Skemaatiline diagramm puhverstaadium
pseudo push-pull repiiteriga

Transistori VT1 (VT5) kollektori vool seatakse takistiga R5 (R11) ja see on I0=Ube/R5=0,2 mA, kus Ube=0,66 V on transistori VT3 (VT4) baasemitteri pinge.

Vooluallikad on valmistatud transistoridel VT2 (VT6), transistoride baasahelad saavad toite ühisest parameetrilisest pingestabilisaatorist HL1, R8, C3 vastavalt takistite R7 ja R9 kaudu. Vooluallika vool on 10 mA.

Takistilt R4 (R10) tulev antifaasi signaal läbi eralduskondensaatori C2 (C4) suunatakse vooluallika transistori VT2 (VT6) alusele, mis tagab repiiteri aktiivse töörežiimi sisendsignaali mõlemal poollainel. .

--
Täname tähelepanu eest!
Igor Kotov, ajakirja Datagor peatoimetaja

Viidatud allikate loend

Nad hakkasid mulle sageli küsima küsimusi analoogelektroonika kohta. Kas sessioon pidas õpilasi enesestmõistetavaks? ;) Okei, on viimane aeg väikeseks harivaks tegevuseks. Eelkõige operatiivvõimendite töö kohta. Mis see on, millega seda süüakse ja kuidas seda arvutada.

Mis see on
Operatsioonivõimendi on kahe sisendiga, neve... hmm... suure signaalivõimenduse ja ühe väljundiga võimendi. Need. meil on U out = K*U in ja K on ideaalis võrdne lõpmatusega. Praktikas on numbrid muidugi tagasihoidlikumad. Oletame, et 1 000 000, kuid isegi sellised numbrid löövad teie meelest, kui proovite neid otse rakendada. Seetõttu, nagu ka lasteaed, üks jõulupuu, kaks, kolm, palju kuuske - meil on siin palju kasu;) Ja kõik.

Ja sissepääsu on kaks. Ja üks neist on otsene ja teine ​​on pöördvõrdeline.

Lisaks on sisendid suure takistusega. Need. nende sisendtakistus on ideaaljuhul lõpmatus ja tegelikul juhul VÄGA kõrge. Sealne arv ulatub sadadesse megaoomidesse või isegi gigaoomidesse. Need. see mõõdab pinget sisendis, kuid mõjub sellele minimaalselt. Ja võime eeldada, et operatsioonivõimendis ei voola voolu.

Väljundpinge arvutatakse sel juhul järgmiselt:

U out =(U 2 -U 1)*K

Ilmselgelt, kui pinge otsesisendis on suurem kui pöördsisendis, siis on väljund pluss lõpmatus. Muidu on lõpmatus miinus.

Loomulikult ei ole reaalses vooluringis lõpmatus pluss ja miinus ning need asendatakse võimendi kõrgeima ja madalaima võimaliku toitepingega. Ja me saame:

Võrdleja
Seade, mis võimaldab võrrelda kahte analoogsignaali ja teha otsuse – kumb signaal on suurem. Juba huvitav. Selle jaoks saate välja pakkuda palju rakendusi. Muide, sama komparaator on sisse ehitatud enamikesse mikrokontrolleritesse ja selle kasutamist näitasin AVR-i näitel loomist käsitlevates artiklites. Võrdleja sobib suurepäraselt ka loomiseks.

Aga asi ei piirdu ühe komparaatoriga, sest kui tagasisidet sisse viia, siis saab op-võimendist palju ära teha.

Tagasiside
Kui võtame väljundist signaali ja saadame selle otse sisendisse, siis tekib tagasiside.

Positiivne tagasiside
Võtame ja juhime signaali otse väljundist otsesisendisse.

• Pinge U1 on suurem kui null - väljund on -15 volti
• Pinge U1 vähem kui null- väljund +15 volti

Mis juhtub, kui pinge on null? Teoreetiliselt peaks väljund olema null. Kuid tegelikkuses ei ole pinge KUNAGI nullis. Lõppude lõpuks, isegi kui parema laeng kaalub ühe elektroni võrra üles vasaku laengu, siis see on juba piisav, et juhtida potentsiaali väljundisse lõpmatu võimendusega. Ja väljundis algab kogu põrgu – signaal hüppab siia-sinna komparaatori sisendites esile kutsutud juhuslike häirete kiirusel.

Selle probleemi lahendamiseks võetakse kasutusele hüsterees. Need. teatud lõhe ühest olekust teise ülemineku vahel. Selleks antakse positiivne tagasiside, näiteks:

Eeldame, et sel hetkel on pöördsisendil +10 volti. Operatsioonivõimendi väljund on miinus 15 volti. Otsesisendil pole see enam null, vaid väike osa jagaja väljundpingest. Ligikaudu -1,4 volti Nüüd, kuni pinge pöördsisendis ei lange alla -1,4 volti, ei muuda operatsioonivõimendi väljund oma pinget. Ja niipea, kui pinge langeb alla -1,4, hüppab operatsioonivõimendi väljund järsult +15-ni ja otsesisendis on juba +1,4 volti eelpinge.

Ja selleks, et muuta pinget võrdlusseadme väljundis, peab U1 signaal tõusma kuni 2,8 volti, et jõuda ülemise tasemeni +1,4.

Tundlikkuse puudumisel tekib mingi tühimik 1,4 ja -1,4 volti vahel. Pilu laiust juhitakse R1 ja R2 takistite suhtega. Lävipinge arvutatakse kui Uout/(R1+R2) * R1 Oletame, et 1 kuni 100 annab +/-0,14 volti.

Kuid siiski kasutatakse op-võimendeid sagedamini negatiivse tagasiside režiimis.

Negatiivne tagasiside
Olgu, sõnastame selle teisiti:

Negatiivse tagasiside korral on op-võimendil huvitav omadus. See püüab alati oma väljundpinget reguleerida nii, et sisendite pinged oleksid võrdsed, mille tulemuseks on nulli erinevus.
Kuni ma seda seltsimeeste Horowitzi ja Hilli suurepärasest raamatust lugesin, ei saanud ma OU töösse siseneda. Kuid see osutus lihtsaks.

Repiiter
Ja meil on repiiter. Need. sisendis U 1, pöördsisendis U väljund = U 1. Selgub, et U välja = U 1.

Küsimus on selles, miks me sellist õnne vajame? Juhtme sai otse ühendada ja op-ampi poleks vaja!

See on võimalik, kuid mitte alati. Kujutagem ette seda olukorda: seal on takistusliku jaoturi kujul tehtud andur:

Väiksem takistus muudab selle väärtust, muutub jagaja väljundpingete jaotus. Ja me peame sellest voltmeetriga näidud võtma. Kuid voltmeetril on oma sisetakistus, ehkki suur, kuid see muudab anduri näitu. Veelgi enam, mis siis, kui me ei taha voltmeetrit, vaid tahame, et lambipirn muudaks heledust? Siin pole enam võimalust lambipirni ühendada! Seetõttu puhverdame väljundi operatiivvõimendiga. Selle sisendtakistus on tohutu ja selle mõju minimaalne ning väljund võib pakkuda üsna märgatavat voolu (kümneid milliampreid või isegi sadu), mis on lambipirni käitamiseks täiesti piisav.
Üldiselt leiate repiiteri jaoks rakendusi. Eriti täppis-analoogahelates. Või kui ühe etapi skeem võib mõjutada teise astme tööd, et neid eraldada.

Võimendi
Teeme nüüd oma kõrvadega pettuse – võtke meie tagasiside vastu ja ühendage see pingejaguri kaudu maaga:

Nüüd antakse pool väljundpingest pöördsisendisse. Kuid võimendi peab ikkagi oma sisendite pinged ühtlustama. Mida ta tegema peab? Täpselt nii – tõstke oma väljundi pinge kaks korda kõrgemale kui varem, et kompenseerida tekkivat jagajat.

Nüüd on sirgel U 1. Pöördväärtusel U välja /2 = U 1 või U välja = 2*U 1.

Kui paneme jagaja erineva suhtega, muutub olukord samamoodi. Et te ei peaks pingejaguri valemit mõtetes keerama, annan selle kohe:

U out = U 1 * (1 + R 1 / R 2)

On mnemooniline meeles pidada, mis on jagatud väga lihtsaks:

Selgub, et sisendsignaal läheb läbi takistite ahela R 2, R 1 in U out. Sel juhul seatakse võimendi otsesisend nulli. Pidagem meeles operatsioonivõimendi harjumusi – see püüab kas konksu või kõveraga tagada, et selle pöördsisendis genereeritakse otsesisendiga võrdne pinge. Need. null. Ainus viis seda teha on väljundpinge langetamine alla nulli, nii et punktis 1 ilmub null.

Niisiis. Kujutame ette, et U out =0. See on ikka null. Ja sisendpinge on näiteks 10 volti U out suhtes. R 1 ja R 2 jagaja jagab selle pooleks. Seega on punktis 1 viis volti.

Viis volti ei ole null ja operatsioonivõimendi alandab oma väljundit, kuni punkt 1 on null. Selleks peaks väljund olema (-10) volti. Sel juhul on erinevus sisendi suhtes 20 volti ja jagaja annab meile punktis 1 täpselt 0. Meil ​​on inverter.

Kuid me saame valida ka teisi takisteid, nii et meie jagaja toodab erinevaid koefitsiente!
Üldiselt on sellise võimendi võimenduse valem järgmine:

U välja = - U sisse * R 1 / R 2

Noh, mnemooniline pilt kiire meeldejätmine xy alates xy.

Oletame, et U 2 ja U 1 on kumbki 10 volti. Siis on 2. punktis 5 volti. Ja väljund peab saama selliseks, et 1. punktis oleks ka 5 volti. See tähendab, et null. Nii selgub, et 10 volti miinus 10 volti võrdub nulliga. nii on :)

Kui U 1 muutub 20 voltiks, peab väljund langema -10 voltini.
Arvutage ise – U 1 ja U väljundi vahe on 30 volti. Takisti R4 läbiv vool on (U 1 -U out)/(R 3 +R 4) = 30/20000 = 0,0015 A ja takisti R4 pingelangus on R 4 *I 4 = 10000 * 0,0015 = 15 volti. Lahutage 20 sisendi langusest 15 volti ja saate 5 volti.

Seega lahendas meie op-amp aritmeetilise ülesande 10-st lahutatud 20-st, mille tulemuseks oli -10 volti.

Lisaks sisaldab probleem takistitega määratud koefitsiente. Lihtsalt lihtsuse huvides olen valinud sama väärtusega takistid ja seetõttu on kõik koefitsiendid võrdsed ühega. Kuid tegelikult, kui võtame suvalised takistid, on väljundi sõltuvus sisendist järgmine:

U out = U 2 *K 2 - U 1 *K 1

K 2 = ((R 3 + R 4) * R 6) / (R 6 + R 5) * R 4
K 1 = R 3 / R 4

Koefitsientide arvutamise valemi meeldejätmise mnemotehnika on järgmine:
Õigesti skeemi järgi. Murru lugeja on ülaosas, seega liidame vooluahela ülemised takistid kokku ja korrutame alumisega. Nimetaja on allpool, seega liidame alumised takistid kokku ja korrutame ülemisega.

Siin on kõik lihtne. Sest punkti 1 taandatakse pidevalt 0-ks, siis võime eeldada, et sinna voolavad voolud on alati võrdsed U/R-ga ning sõlme number 1 sisenevad voolud summeeritakse. Sisendtakisti ja tagasisidetakisti suhe määrab sissetuleva voolu kaalu.

Okste võib olla nii palju kui soovid, aga mina joonistasin ainult kaks.

U out = -1 (R 3 * U 1 / R 1 + R 3 * U 2 / R 2)

Takistid sisendis (R 1, R 2) määravad voolu suuruse ja seega ka sissetuleva signaali kogumassi. Kui muudate kõik takistid võrdseks, nagu minu oma, siis on kaal sama ja iga liikme korrutustegur võrdub 1-ga. Ja U out = -1(U 1 +U 2)

Mitteinverteeriv summaar
Siin on kõik veidi keerulisem, kuid see on sarnane.

Uout = U 1 *K 1 + U 2 *K 2

K 1 = R 5 / R 1
K 2 = R 5 / R 2

Veelgi enam, tagasiside takistid peavad olema sellised, et järgitaks võrrandit R 3 / R 4 = K 1 + K 2

Üldiselt saate operatsioonivõimendite abil teha mis tahes matemaatikat, liita, korrutada, jagada, arvutada tuletisi ja integraale. Ja peaaegu koheselt. Analoogarvutid on valmistatud op-võimendite abil. Ühte sellist nägin isegi SUSU viiendal korrusel - poole toa suurune loll. Mitu metallist kappi. Programm on trükitud juhtmetega erinevaid plokke ühendades :)