Operatsioonivõimendi amplituud-sagedusreaktsioon. Op-amp korrektsioon. Operatsioonivõimendi amplituud-sagedusreaktsioon Tagasiside võimendites
Op-amp uuringud
Töö eesmärk. Tagasisideta ja tagasisidega operatiivvõimendite omaduste ja parameetritega tutvumine. Operatsioonivõimendite kui selektiivvõimendite, liitjate, integraatorite ja diferentsiaatorite rakenduste uurimine.
Lühike teoreetiline teave
Operatsioonivõimendite omadused ja parameetrid
Operatsioonivõimendi (operatsioonivõimendi) on elektriline signaalivõimendi, mis on ette nähtud erinevate toimingute tegemiseks analoog- ja impulsskogustega tagasisidega töötamisel.
Praegu toodab tööstus teise ja kolmanda põlvkonna operatiivvõimendeid, mis on ehitatud kaheastmelise konstruktsiooni järgi. Need op-võimendid on oma peamiste parameetrite poolest märkimisväärselt paremad kui esimese põlvkonna operatiivvõimendid, mis on loodud kolmeastmelise disainiga.
Kõigi operatsioonivõimendite aluseks on diferentsiaalastmed. Esimene etapp annab kasu, mis ulatub mitmesaja tuhandeni ja miljonite ühikuteni. Sisendaste, mis sageli kasutab väljatransistore, tagab op-võimendi sisendomadused, eriti selle kõrge sisendtakistus. Väljundastmeks on trafodeta push-pull võimsusvõimendi (emitteri järgija, mis töötab võimendusrežiimis B või AB). Selle eesmärk on sobitada operatsioonivõimendi esimese diferentsiaalastme kõrge väljundtakistus madala takistusega koormusseadmega. Seetõttu on operatsioonivõimendil madal väljundtakistus. Lisaks sisaldavad kaasaegsed op-amprid sisendi kaitselülitusi liigpinge eest ja väljundkaitset liigse väljundvoolu eest.
Praegu on integreeritud tehnoloogia abil valmistatud operatiivvõimendid kõige mitmekülgsemad ja levinumad analoogseadmed. Op-ampreid kasutatakse laialdaselt mitte ainult võimendites, vaid ka erinevates generaatorites, muundurites, pinge stabilisaatorites, komparaatorites, etalonpingeallikates, aktiivfiltrites, elektroonilistes lülitites jne.
Lai funktsionaalsus koos väikese arvu tööstuses toodetud standardtüüpidega op-võimenditega saavutatakse mitmesuguste väliste tagasisideahelate kaasamisega. Kõige laialdasemalt kasutatavad on integreeritud pooljuht-op-võimendid, mis on kõige väiksemate mõõtmete ja kaaluga ning on võimelised töötama temperatuurivahemikus -60 kuni +125°C. Neil on võimendus või rohkem, kui võimendada signaale sagedusega nullist mitme megahertsini. Selliste operatsioonivõimendite tööd mõjutavad väga vähe destabiliseerivad tegurid, nagu temperatuuri ja toitepinge muutused. Kaasaegsed op-võimendid on suhteliselt odavad ja laialdaseks kasutamiseks kättesaadavad, mille tagab nende automatiseeritud masstootmine. Mitusada või enamat elementi sisaldava operatiivvõimendi töökindlus vastab üksiku transistori töökindlusele, mille tagab integreeritud tehnoloogia, milles on kõik elemendid (transistorid, dioodid, takistid jne) ja nendevahelised ühendused. valmistatud ühe tehnoloogilise tsükli jooksul. Nagu näitab praktika, võib hea pooljuhtidega integreeritud op-võimendi kasutusiga ületada 20 aastat. Joonisel fig. 1a on kujutatud operatsioonivõimendi sümbolit. Nagu näete, on op-võimendil kaks sisendit ja üks väljund. Sisend, mille pinge on faasis 180° nihutatud väljundpinge suhtes, nimetatakse inverteerimiseks ja seda tähistatakse ringiga. Teine sisend on mitteinverteeriv, kuna sellel olev pinge ja väljundpinge on faasis.
Klemmid, millega toitepingeallikad on ühendatud, samuti abiahelad ei ole tavaliselt vooluahela skeemidel näidatud. Vajadusel on op-amp klemmid, millega on ühendatud näiteks pingeallikad, kujutatud joonisel fig. 1b. Joonisel fig. Joonisel 2 on kujutatud üks olulisemaid omadusi - op-amplituud (ülekanne), mis on sõltuvus nullsagedusel. Kõver 1 vastab inverteeriva sisendi sisendpingele, kõver 2 mitteinverteerivale sisendile. Need omadused saadakse, rakendades ühele sisendile sisendpinget, samal ajal kui teises sisendis pole pinget.
Kõverate kaldus (lineaarne) lõik rõhutab sõltuvuse lineaarsust. Kõverate horisontaalsed lõigud vastavad operatsioonivõimendi töörežiimile, mille puhul sisendpinge ületab ülekandekarakteristiku lineaarset lõiku.
Algpinge väärtused ja neid sektsioone iseloomustavad väärtused on tavaliselt 1–2 V väiksemad kui toitepinge.
Operatsioonivõimendil on samad parameetrid kui teistel võimenditel. Integreeritud op-võimendite parameetrite tundmine võimaldab teil kiiresti ja asjatundlikult kujundada erinevaid elektroonikaseadmeid ja -seadmeid, samuti vältida nende rikkeid, st töötamist vastuvõetamatutes režiimides.
Kaasaegsetel op-võimenditel on järgmised peamised parameetrid:
1. Kasu Ki. See on väljundpinge ja sisendpinge juurdekasvu suhe, mis selle põhjustas. Kaasaegsetes op-amprites ulatub CI nullsagedusel kümnetest ja sadadest tuhandetest mitme miljonini. Võimendus määratakse amplituudikarakteristiku lineaarse lõigu kalde järgi.
Operatsioonivõimendi võimendus sõltub toitepinge, koormusseadme voolu ja ümbritseva õhu temperatuuri muutustest. Sel põhjusel ei kasutata op-võimendeid (välja arvatud komparaatorid) ilma väliste tagasisideahelateta, mis stabiliseerivad võimenduse.
2. Nihkepinge Ucm. Määratakse sisendpinge järgi, mille juures väljundpinge on null (joonis 2). Eelpinge ilmneb op-amp elemendi parameetrite hajumise või sisendtransistori töörežiimide muutuste tõttu op-amp sisendahelate mittevastavuse tõttu. Tavaliselt laia kasutusega op-amprites Ucm ==5-20mV. Nihkepinge sõltub toiteallika temperatuurist ja pingest. Ucm muutus sõltuvalt temperatuurist laialdaselt kasutatavate opamprite puhul on ligikaudu 50 µV/deg. Operatsioonivõimendi sisendi nihkepinge kõrvaldamiseks võetakse kasutusele spetsiaalsed elektriahelad.
 A |  b |
Riis. 3. Operatsioonivõimendi amplituud-sageduskarakteristik (a), Uout(t) karakteristikud operatsioonivõimendi parameetri selgitamiseks - väljundpinge VUout (b) tõusukiirus
3. Sisendvool Iin. See on voolutugevus op-ampi sisendahelas, mis võib olla 0-100 μA. Seda tuleb arvestada väliste elektriahelate ühendamisel operatsioonivõimendi mõlema sisendiga. Kui väliste elektriahelate takistused inverteerivas ja mitteinverteerivas sisendis ei ole samad, põhjustab nende pingelanguste erinevus lisapingeid, mis summeerivad eelpinge. Selle vastupanu kõrvaldamiseks püüavad nad teha need järeldused võrdseks.
4. Sisendtakistus Rin. Sisendtakistusi on diferentsiaalsignaalile (Rin.d) ja sinise faasi signaalile (Rin.sph) Suurema sisendtakistuse saamiseks valmistatakse operatsioonivõimendi esimene aste väljatransistoride abil; Rin.d väärtus on mitmest kilooomist bipolaarsete transistoride puhul mitme ühikuni ja väljatransistoride puhul kümnete megaoomideni ning Rin.sf> 100 MOhm.
5. Väljundtakistus Rout. See koormusseadmest mõõdetud takistus tähistab emitteri järgijatele ehitatud op-võimendi väljundastmete väljundtakistust. Marsruudi väärtused = 20-2000 oomi.
Erineva sagedusega signaalide võimenduse määrab operatsioonivõimendi amplituud-sagedusreaktsioon (joonis 3a) ja impulsssignaalide (tavaliselt ristkülikukujuliste) võimendus väljundpinge tõusu kiirusega (joonis 3b). . Vastavalt sellele tutvustatakse operatsioonivõimendi dünaamilisi parameetreid:
1) piirsagedus fср, mille väärtus vastab operatsioonivõimendi võimenduse mooduli vähenemisele koefitsiendiga (3 dB);
2) ühtsusvõimenduse sagedus ft, mille juures operatsioonivõimendi võimenduse moodul väheneb ühtsusele (tänapäevaste op-amprite puhul ft = 15-20 MHz);
3) väljundpinge VUout maksimaalne tõusukiirus, mis määrab operatiivvõimendi väljundpinge suurima muutuse kiiruse (joonis 3b) ristkülikukujulise sisendimpulsiga kokkupuutel; pöördekiirus on defineeritud kui ∆UOUT ja ∆t suhe (tänapäevaste operatsioonivõimendite puhul VUout = 0,1-100 V/µs);
4) settimisaeg tset, mis määrab operatiivvõimendi väljundpinge muutumise tasemelt 0,1 (joonis 3b) tasemeni 0,9 püsiseisundi väljundpingest, kui sisendile antakse ristkülikukujuline impulss. (laia kasutusega operatsioonivõimendite jaoks tset = 0,05-2 μs) .
Operatsioonivõimendite üks olulisi eeliseid on tavarežiimi signaalide summutamine. Seetõttu on op-amp iseloomustatud ühisrežiimi tagasilükkamise suhe Kossf=201 g(Ksf/Ci) (üldotstarbeline op-amp
Kossf=70-120 dB).
Praegu toodetud integreeritud opvõimendid liigitatakse järgmistesse rühmadesse:
üldotstarbelised opvõimendid, mis moodustavad suurima universaalsete opvõimendite rühma;
Täpsed op-võimendid, mis võimaldavad teil suure täpsusega säilitada suure võimenduse Ki; neil on kõrge sisendtakistus ja madal eelpinge (Ucm≤0,5mV); tüüpiline täppis-operatsioonivõimendi on 153UD5 integraallülitus;
Kiired op-amprid, mida iseloomustab suurenenud väljundpinge tõusu kiirus ja lühike settimisaeg; nende ühtsusvõimenduse sagedus on 15–20 MHz (näiteks op-amp 140UD10 ja KR544UD2);
Mikrovõimsusega operatsioonivõimendid, mis tarbivad toiteallikast kõige vähem energiat (näiteks op-amp 140UD12, I tarbimine < 0,18 mA U ip juures =±6V). Kõige laialdasemalt kasutatavad IC-d on 140 ja 153 seeriad.
Töö eesmärk
· Tutvuge operatiivvõimendite põhifunktsioonidega.
· Uurida operatiivvõimendite (OP-amps) ja kõige lihtsamate võimendiahelate omadusi operatsioonivõimenditel.
· Omandada praktilised oskused elektroonikaseadmetega töötamisel ja elektriskeemide kokkupanemisel.
Ülesanded
· Mõõtke uuritava operatsioonivõimendi nullnihke pinge.
· Mõõtke ja analüüsige mitteinverteeriva võimendi amplituud-sagedusreaktsiooni erinevatel võimendi võimendustel.
· Mõõtke ja analüüsige mitteinverteeriva võimendi amplituudreaktsiooni madalatel ja kõrgetel sagedustel.
· Uurige inverteeriva võimendi amplituud-sagedusreaktsiooni erinevate võimendusväärtuste korral.
· Mõõtke ja analüüsige inverteeriva võimendi amplituudreaktsiooni madalatel ja kõrgetel sagedustel.
· Mõõtke inverteeriva võimendi väljundpinge maksimaalne pöördekiirus madalatel ja kõrgetel sagedustel.
· Mõõtke inverteeriva võimendi moonutamata väljundsignaali maksimaalse amplituudi sageduskarakteristik.
1 Teoreetiline teave
1.1 Ajalooline taust
Operatsioonivõimendi (op-amp) oli ette nähtud matemaatiliste toimingute (liitmine, lahutamine, diferentseerimine, integreerimine, logaritm jne) sooritamiseks analoogarvutites. Esimene lamp op-amp ilmus 1942. aastal (USA). See sisaldas kahte topeltvaakumtrioodi. Esimesed op-võimendid olid mahukad ja kallid seadmed. Tänu torude asendamisele transistoridega on operatiivvõimendid muutunud väiksemaks, odavamaks, töökindlamaks ning laienenud nende kasutusala. Esimesed transistoripõhised operatiivvõimendid tulid müüki 1959. aastal. R. Malter (USA) töötas välja P2 operatsioonivõimendi, mis sisaldas seitset germaaniumist transistorit ja varicap silda. Nõuded töökindluse suurendamiseks, omaduste parandamiseks, opvõimendite maksumuse ja suuruse vähendamiseks aitasid kaasa integraallülituste väljatöötamisele, mis leiutati Texas Instrumentsi (USA) laboris 1958. aastal. Esimene integreeritud opvõimendi μA702, millel oli turul edu. , töötas välja R. Widlar (USA) 1963. aastal. Praegu on op-võimendite kasutusala matemaatiliste toimingute tegemiseks järsult vähenenud võrreldes nende muude rakendustega. OU nomenklatuur sisaldab sadu üksusi. Operatsioonivõimendeid toodetakse väikestes pakendites ja need on väga odavad, mis aitab kaasa nende massijaotusele.
1.2 Üldteave operatiivvõimendite kohta
Operatsioonivõimendid on lai klass analoogseid mikroskeeme, mis võimaldavad võimendada analoogsignaale, anda neile erineva kujuga, liita ja lahutada signaale, teha diferentseerimis- ja integreerimisoperatsioone, luua stabiilseid pingeallikaid ja erineva kujuga ostsillaatoreid.
Operatsioonivõimendi (op-amp) on mitmeastmeline transistorvõimendi, mis on valmistatud mikroskeemi kujul ja millel on tohutu võimsus.Topinge suurenemine. Iga op-amp sisaldab:
· tasakaalustatud sisendaste
täiendav võimenduskaskaad;
· võimsusvõimenduse väljundaste.
Operatsioonivõimendi täielik skeem sisaldab arvukalt triood- ja dioodiahelaid ning võimendi tööks vajalikke takisteid. Need pakuvad signaali võimendamist, temperatuuri stabiilsust, op-amp sisendklemmide võrdset potentsiaali, suurt sisendtakistust, madalat väljundtakistust ja vooluahela ülekoormuskaitset. Sisend tasakaalustatud aste on diferentsiaalvõimendi, mis põhineb bipolaarsetel või väljatransistoridel. Diferentsiaalvõimendi on alalisvoolu võimendi. Nulltriivi vähendamiseks on see kokku pandud tasakaalustatud vooluringi järgi. Võimsusvõimendi viimane etapp on tavaliselt allika (või emitteri) järgija, mis võimaldab vähendada operatsioonivõimendi väljundtakistust.
Kõik op-amp astmed on omavahel galvaaniliselt ühendatud, ilma eralduskondensaatoreid kasutamata. Operatsioonivõimendil on kaks sisendit: inverteeriv (sisend “–”) ja mitteinverteeriv või otsene (sisend “+”). “+” sisendile kantud signaal võimendatakse ja võimendatud signaal moodustub op-amp väljundis, faasis sisendiga, st sisend- ja väljundsignaalid on faasis. Kui sisestate "–" sisendisse signaali, siis see mitte ainult ei võimenda, vaid ka faasimuutusi (inverteeritakse) 180o võrra, st sisend- ja väljundsignaalid on antifaasis. Signaalide puudumisel on nii operatsioonivõimendi sisendid kui väljund nullpotentsiaaliga.
1.3 Operatsioonivõimendi peamised omadused
Paljud tööstuses toodetud op-võimendid jagunevad üldotstarbelisteks ja spetsiaalseteks op-võimenditeks (näiteks madala müratasemega, mikrovõimsusega, kiired ja mõned teised). Mõlema omaduste kirjeldamiseks kasutatakse järgmisi põhiomadusi:
· Pinge võimendus(КU) on väljundis oleva signaali amplituudi ja operatsioonivõimendi ühe sisendi signaali amplituudi suhe, kui teine sisend on ühendatud maandusega (või mõlema sisendi signaalide erinevusega ΔUin, kui signaaliallikas on nende vahel ühendatud). Tüüpilised KU väärtused ilma tagasisideahelata op-amprite jaoks on vahemikus 104-106.
· Ühtsuse võimenduse sagedus. Igal op-amp võimendi astmel on inerts, mis toob kaasa asjaolu, et alates teatud sagedusest väheneb kaskaadi võimendus. Mida suurem on astmete arv, seda suurem on operatsioonivõimendi üldine inerts, seda väiksem on võimendus kõrgetel sagedustel. Teatud sisendsignaali sagedusel vähendatakse op-amp võimendust 1-ni. Seda sagedust nimetatakse ühtsuse võimenduse sagedus ja on määratud ft. Madala sagedusega operatiivvõimendite puhul ft=1 MHz ja kiirete kõrgsageduslike puhul - ft=(15-100) MHz ning üksikud operatiivvõimendid võivad töötada kuni 2000 MHz.
· Pöördekiirus Pinge(VU) iseloomustab suure amplituudiga väljundsignaali settimisaega. See sõltub suure signaali edastamisel nii ft-st kui ka operatsioonivõimendi väljundastmete omadustest. Madala sagedusega operatiivvõimendite puhul VU=0,2 V/µs, kiirete operatiivvõimendite puhul VU=20 V/µs ja rohkem.
· Sisendtakistus(Rin) – operatsioonivõimendi ühe sisendi pinge muutuse ja sisendvoolu muutuse suhe. Kui välist tagasisidet pole, siis on op-võimendi mitteinverteeriva ja inverteeriva sisendi takistused Rin samad. Takistuse Rin väärtus sõltub sisendis tasakaalustatud võimendis kasutatavate transistoride tüübist. Kui need on bipolaarsed transistorid, siis Rin on (kümned-sada) kOhm ja kui sisendastmeks on väljatransistorid, siis Rin on (ühikud-tuhanded) MOhm.
· Väljundtakistus(Rout) – operatsioonivõimendi väljundis oleva pinge muutuse ja väljundvoolu muutuse suhe. Enamiku operatsioonivõimendite tüüpide jaoks (va võimsusvõimendid) Rout~ (100-200) Ohm.
· Ühisrežiimi tagasilükkamise suhe(Kkoss) – operatiivvõimendi väljundsignaali amplituudi ja mõlemale sisendile samaaegselt rakendatava sisendsignaali amplituudi suhe. Kui "+" sisendile on antud signaal, ilmub väljundisse sama polaarsusega signaal; kui signaal suunatakse sisendisse “–”, on see vastupidise polaarsusega. Seega, kui mõlemale sisendile rakendatakse sama signaali, lahutatakse väljundsignaalid. Kui mõlemad sisendid oleksid täiesti sümmeetrilised, oleks tulemuseks väljund null. Teatava asümmeetria tõttu erineb väljundsignaal nullist, kuid see on oluliselt väiksem kui sisend. Erinevat tüüpi op-võimendite signaali sumbumistegur Kkoss on 80-100 dB.
On ka teisi vähem olulisi operatiivvõimendi spetsifikatsioone, nagu nihkepinge, sisendvool jne.
1.4. Op-amp omaduste idealiseerimine
Erinevate arvutuste lihtsustamiseks kasutage kontseptsiooni ideaalne OU. Ideaalsel op-võimendil on järgmised peamised omadused:
· Pinge võimendus on väga kõrge (КU→ ∞).
· Ühtsusvõimenduse sagedus on väga kõrge (ft → ∞).
· Operatsioonivõimendi sisendtakistus on väga kõrge (Rin→ ∞).
· Väljundtakistus on väga väike (Rout → 0).
· Eelpinge on väga väike (Ucm → 0).
· Väljundsignaali pöördekiirus on väga kõrge (VU→ ∞).
· Ühisrežiimi signaali tagasilükkamistegur on väga kõrge (Kcoss→ ∞).
Päris op-võimendites on sellised omadused saavutamatud. Kuid enamikes rakendustes püüavad nad valida op-võimendi tüübi ja sellega seotud seadme omadused, et op-võimendi toimiks selle seadme suhtes ideaalsena. Näiteks valitakse op-amp tagasisideahela takistuseks oluliselt suurem kui Rout ja oluliselt väiksem kui Rin, mis võimaldab neid väärtusi arvutustes tähelepanuta jätta.
1.5 Operatsioonivõimendi omadused
Joonisel 1 on näidatud operatiivvõimendi vooluahela tähistus. Selle sisendaste on tehtud diferentsiaalvõimendi kujul, nii et operatiivvõimendil on kaks sisendit: mitteinverteeriv U+ ja inverteeriv U–. . Madalsagedusalas on väljundpinge Uout samas faasis sisendpingete erinevusega Ud = U+ – U–, kus Ud on sisendpinge või diferentsiaalsignaali pinge erinevus.
Joonis 1 – Operatsioonivõimendi vooluahela tähistus
Lisaks joonisel 1 näidatud operatsioonivõimendi vooluahela tähistusele võib kirjandusest leida ka teisi operatiivvõimendi tähiseid (joonis 2): Joonisel 2 on kõikjal: Uin1 on inverteeriv sisend, Uin2 on mitteinverteeriv sisend. . Operatiivvõimendis, mis on joonisel 2 tähistatud numbriga 3, on kontaktid 4 ja 7 ette nähtud mikrolülituse toitepinge ühendamiseks ning NC-ga tähistatud kontaktid on mõeldud trimmitakisti ühendamiseks, millega saate nulli väärtust vähendada. nihkepinge.
Tagamaks, et operatsioonivõimendi saab hakkama nii positiivse kui ka negatiivse polaarsusega signaalidega, tuleb kasutada bipolaarset toiteallikat. Selleks on vaja varustada kaks konstantse pinge allikat, mis, nagu on näidatud joonisel 1, on ühendatud operatiivvõimendi vastavate väliste klemmidega.
Joonis 2 – Operatsioonivõimendite alternatiivsed nimetused
Reeglina töötavad standardsed integreeritud operatiivvõimendid toitepingega (pluss 15 - miinus 15) V. Siiski on väga madala toitepingega töövõimendeid ja unipolaarse toitepingega võimendeid. Operatsioonivõimendite skemaatilised diagrammid näitavad tavaliselt ainult nende sisend- ja väljundklemmid.
Tegelikkuses pole ideaalseid opvõimendeid olemas. Et oleks võimalik hinnata, kui lähedane on konkreetne operatiivvõimendi ideaalile, on antud võimendite tehnilised omadused. Vaatame mõnda neist üksikasjalikumalt.
· Diferentsiaalne kasum kutsutakse operatiivvõimendit K0=DUout / DUin või K0=DUout / D (U+ – U–) või K0= DUout / DUd - omakasu operatiivvõimendi, st op-võimendi võimendus tagasiside puudumisel. Sellest järeldub, et DUout = K0۰DUd, st väljundpinge juurdekasv peaks olema otseselt võrdeline diferentsiaalse sisendpinge juurdekasvuga. Joonis 3 näitab tüüpilist väljundpinge sõltuvust tegeliku võimendi diferentsiaalsest sisendpingest - amplituudi reaktsioon OU .
Joonistamine. 3 – mitteinverteeriva operatsioonivõimendi amplituudiomadused
On näha, et sõltuvus Uout = f (Ud) on lineaarne ainult pingevahemikus Uout min< Uвых < Uout max. Seda pingevahemikku nimetatakse võita ala. IN küllastuspiirkonnad Ud suurenemisega ei ole vastavat Uout suurenemist. Võimenduspiirkonna Uout max ja miinus Uout max piirid on tavaliselt ligikaudu 1-3 V positiivse ja negatiivse toitepinge vastavatest väärtustest. Kui operatiivvõimendi töötab toitepingega (pluss 15 - miinus 15) V, on tavaliselt väljundpinge võimendusvahemik (pluss 12 - miinus 12) V. Kuigi on olemas operatsioonivõimendi piirid Uout max ja Uout min, mis ühtivad toitepingega.
· Nullnihke pinge. Seosest Uout = K0۰Ud järeldub, et ideaalse operatiivvõimendi amplituud (või ülekanne) peaks läbima nullpunkti. Tõeliste operatsioonivõimendite puhul nihutatakse seda karakteristikut aga algpunkti suhtes veidi vasakule (või paremale), nagu on näidatud joonisel 3. Väljundpinge nulliga võrdsustamiseks on vaja sisendile rakendada teatud pinget. op-võimendist. Seda pinget nimetatakse nullnihke pinge Ucm . Tavaliselt on see mitu millivolti ja paljudel juhtudel ei pruugita seda arvesse võtta. Kui seda väärtust ei saa tähelepanuta jätta, saab selle erimeetodite abil nullini vähendada.
· Ühisrežiimi signaali võimendus. Kui operatiivvõimendi mõlemale sisendile rakendatakse sama pinget U+ = U – , siis Ud =0. Ka väljundpinge Uout peaks jääma nulliks. Päris diferentsiaalvõimendite puhul see aga paika ei pea, st. ühisrežiimi võimendus Xin=DUout/D(U+=U–) ei ole rangelt võrdne nulliga. Veelgi enam, nagu on näha jooniselt 4, suureneb ühisrežiimi sisendsignaali piisavalt suurte väärtuste korral see järsult. Operatsioonivõimendi ebatäiuslikkust iseloomustab parameeter nn ühisrežiimi tagasilükkamise suhe Kkoss = Ko/Xin. Selle tüüpilised väärtused on 104-105. Diferentsiaalsignaali võimendus on definitsiooni järgi alati positiivne. Seda ei saa aga öelda tavarežiimi võimenduse Xin kohta . See võib võtta nii positiivseid kui ka negatiivseid väärtusi.
Joonis 4 – operatsioonivõimendi väljundpinge sõltuvus ühisrežiimi sisendsignaalist
Viitetabelid annavad tavaliselt Kkossi absoluutväärtused. Valemites kasutatakse Kkossi väärtust, võttes arvesse selle tegelikku märki.
· Operatsioonivõimendi amplituud-sagedusreaktsioon. Joonisel 5 on kujutatud operatsioonivõimendi tüüpiline diferentsiaalvõimenduse sagedusreaktsioon.
Joonis 5 – Operatsioonivõimendi amplituud-sagedusreaktsioon
Keerulises tähistuses väljendatakse sellise võimendi diferentsiaalvõimendust järgmise valemiga 
Siin Ko on K piirväärtus madalamatel sagedustel ilma op-amp tagasisideahelateta. Üle sageduse fbo, mis vastab 3 dB pääsuriba piirile, on võimenduse K moodul pöördvõrdeline sagedusega. Seega selles sagedusvahemikus on täidetud seos K=Ko/f Sagedusel fT diferentsiaalvõimenduse moodul K=1.
· Sisendtakistus. Tõelistel operatiivvõimenditel on piiratud sisendtakistus. Eristatakse diferentsiaalsignaali sisendtakistust ja ühisrežiimi signaali sisendtakistust. Nende tegevust illustreerib operatsioonivõimendi sisendastme ekvivalentskeem, mis on näidatud joonisel 6.
Joonis 6 – Operatsioonivõimendi sisendi ekvivalentskeem
Operatsioonivõimendite puhul, mille sisendites on bipolaarsed transistorid, on diferentsiaalsignaali Rin diferentsiaali sisendtakistus mitu megaoomi ja ühisrežiimi signaali Rinsin sisendtakistus mitu gigaoomi. Nende takistustega määratud sisendvoolud on suurusjärgus mitu nanoamprit. Ühisrežiimi sisendtakistus on operatsioonivõimendi takistus kahe sisendi vahel. Reeglina on see 1–2 suurusjärku suurem kui diferentsiaalsignaali sisendtakistus
· Sisendvoolud. Suur tähtsus on operatiivvõimendi sisendite kaudu voolavatel alalisvooludel. Sisendvool signaali puudumisel määratakse valemiga 
. Ja sisendi nihkevool 
Tavaliste bipolaarsete opvõimendite puhul jääb algsisendvool vahemikku 20–200 nA, kuid FET-sisendiastmega operatiivvõimendite puhul on see vaid mõni pikoamps.
· Op-amp töösagedusriba. Operatsioonivõimendi sagedusriba sõltub tagasisideahelate olemasolust või puudumisest.
Joonis 7 – Võimendi töösagedusriba laienemine tänu tagasisidele.
Operatsioonivõimendi tohutu võimenduse tõttu sisestatakse op-amp seadmete ahelatesse reeglina negatiivne tagasisideahel. Tänu sellele laieneb tagasisidega kaetud võimendi töösagedusriba (joonis 7), nii et tagasisidega kaetud võimendi võimenduse ja ribalaiuse korrutis on võrdne ilma tagasisideta op-võimendi ühtsusvõimendusega. : fв = fТ/К.
1.6 Operatsioonivõimendite ühendamise põhiahelad
Op-amp ahelate analüüs põhineb kahel järgmisel eeldusel.
· Op-amp sisendid ei tarbi voolu ja neil on väga suur takistus.
· Pinge operatsioonivõimendi mitteinverteeriva ja inverteeriva sisendi vahel negatiivse tagasiside mõjul võrdub nulliga (virtuaalahela põhimõte).
Nendele eeldustele tuginedes analüüsime lihtsamaid op-amp võimendi ahelaid.
1.6.1 Inverteeriv võimendi
Inverteeriva võimendi ahel on näidatud joonisel 8. Kasutades kahte ülaltoodud eeldust, määrame pinge võimenduse Ja inverteeriv võimendi.
Joonis 8 – Inverteeriv võimendi
Takistid R1 ja R2 moodustavad paralleelse negatiivse pinge tagasisideahela. Seetõttu muutub vastavalt virtuaalse vooluahela põhimõttele operatsioonivõimendi sisendite potentsiaalide erinevus väga väikeseks. Kuna mitteinverteeriv sisend on maandatud, ilmub inverteerivale sisendile nullilähedane potentsiaal. Sel juhul on takistit R1 läbiv sisendvool I1 I1=U1/R1. Kuna operatiivvõimendi sisendil on väga suur takistus, siis kogu see vool voolab läbi takisti R2, tekitades pingelangu U2 = U1 ۰ R2/R1. Siin U1 = Uin, U2 = Uout. Seetõttu osutub pingevõimendus K võrdseks K = –U2/U1. Seega K = –R2 / R1. Miinusmärk võtab arvesse võimendi väljundis oleva signaali inversiooni. Võimendi sisendtakistus Rin = R1. Väljundtakistus on väga madal.
1.6.2 Mitteinverteeriv võimendi
Mitteinverteeriv võimendi ahel on näidatud joonisel 9.
https://pandia.ru/text/78/378/images/image013_53.jpg" width="279" height="188 src=">
Joonis 10 – Op-amp ekvivalentne ahel negatiivse tagasisidega, võttes arvesse eelpinge mõju
1.7 Operatsioonivõimendi sageduskarakteristiku korrigeerimine
Joonis 11 – Operatsioonivõimendi amplituud-sagedus- ja faasisageduskarakteristikud (Bode diagramm).
Üle sageduse f2 hakkab tööle teine madalpääsfilter ja võimendus väheneb tugevamalt (kalle 40 dB/dekaad) ning faasinihe Ud ja Uout vahel jõuab φ = –180°. See tähendab, et negatiivne tagasiside, mis viidi läbi, rakendades osa väljundpingest võimendi inverteerivale sisendile, muutub selles sageduspiirkonnas positiivseks. Nagu teada, kui on sagedus, mille puhul faasinihe tagasisideahelas muutub nulliks (faasitasakaalu tingimus), ja ahela võimendus | Kb | > 1 (amplituudi tasakaalu tingimus), võib sellises võimendussüsteemis esineda isevõnkumisi. Võimendi lõpetab oma funktsioonide täitmise, muutudes generaatoriks. Koefitsient b selles seoses on tagasisideahela ülekandetegur. Seega nii inverteerivate kui ka mitteinverteerivate võimendite puhul on see defineeritud kui b=R1/(R1+R2).
Iseergastuse vältimiseks negatiivse tagasiside olemasolul sisestatakse võimendisse sagedust korrigeeriv ahel. Selleks ühendage ühe operatiivvõimendi osaks oleva transistori väljund ja sisend (kollektor ja alus - bipolaarse transistori jaoks) läbi kondensaatori. Reeglina muudab selline skeem operatiivvõimendi amplituud-sagedus- ja faasisageduskarakteristikuid nii, et kui
Joonis 12 – tagasisidega kaetud operatiivvõimendi impulsi siirdekarakteristikud erinevatel faasivaru väärtustel
Koos võimendi ribalaiuse vähendamisega tekitab sageduse korrigeerimine veel ühe soovimatu efekti: väljundpinge tõusukiirus muutub üsna väikeseks. Selle suuruse piiratud väärtuse tõttu põhjustavad kiired sisendpinge muutused signaali iseloomulikke moonutusi, mida ei saa negatiivse tagasiside sisseviimisega kõrvaldada. Neid nimetatakse dünaamilisteks moonutusteks. Eelkõige väljundsignaali ebapiisava muutumiskiiruse tõttu suureneva sagedusega hakkab siinussignaal väljundsignaali suurel amplituudil moonutama. Sageli näete, kuidas siinuslaine signaal muutub saehamba signaaliks. Sel juhul ütlevad nad mõnikord, et võimendi on hakanud "nägima".
2 EKSPERIMENT
2.1 Instrumendid ja seadmed
2.1 Katse läbiviimiseks kasutatakse järgmisi instrumente ja seadmeid:
· Laborimudel “Lineaarsed elektriskeemid”.
· Kahe kanaliga ostsilloskoop.
· Madala sagedusega harmooniliste signaalide generaator.
· Kaks digitaalset voltmeetrit.
· Juhtmete ja kaablite ühendamine.
Tööd on mugav teha laborimudelil “Lineaarsed elektriahelad”.
2.2 Labori skeem sisaldab:
§ Kaks operatiivvõimendite plokki.
§ Toiteplokk.
§ Erineva kujuga impulssgeneraatorite plokk.
§ Lineaarsete R, L, C elementide hulk.
3 TÖÖKORD
§ Täitke järgmised ülesanded:
3.1 Op-Amp nullnihkepinge mõõtmine
Selle jaoks:
3.1.1 Veenduge, et labori paigutuse toide on välja lülitatud.
3.1.2 Pange kokku joonisel 13 näidatud elektriahel.
https://pandia.ru/text/78/378/images/image018_35.jpg" width="24" height="25">.jpg" width="27" height="14">" nullini (in kõige vasakpoolsem asend).
· Valmistage ette voltmeetrid vahelduvpinge U~ mõõtmiseks.
3.2.2 Koostage joonisel 14 näidatud mitteinverteeriv op-võimendi ahel.
https://pandia.ru/text/78/378/images/image022_32.jpg" width="412" height="264">
Joonis 15 – Paigaldusskeem mitteinverteeriva võimendi sageduskarakteristiku ja amplituudikarakteristikute mõõtmiseks operatsioonivõimendi abil.
3.2.4 Kontrollige, kas ühendused on õiged.
3.2.5 Lülitage leivaplaadi ja generaatori toide sisse.
3.2.6 Mõõtke mitteinverteeriva op-võimendi amplituud-sagedusreaktsiooni (AFC) sagedusvahemikus 100 Hz kuni 1 MHz. Selleks seadke generaatori algsageduseks 100 Hz. Võimendi sisendis mõõtmisel hoidke pinge U1 ≈ 100 mV, kasutades generaatori pingeregulaatori nuppu “https://pandia.ru/text/78/378/images/image023_61.gif" width="73" height="52" ">. Korrake neid mõõtmisi sagedustel 316 Hz, 1 kHz, 3,16 kHz, 10 kHz, 31,6 kHz, 100 kHz, 316 kHz, 1 MHz. Mõõtke igal sagedusel uued pinged U1 ja U2 ning arvutage Ku.
3.2.7 Võtke operatiivvõimendi amplituudkarakteristik (AC) madalal sagedusel. Selleks seadke generaatori signaali sagedus 1 kHz ja muutke generaatori pinget.
Märge. Kui amplituudikarakteristikute mõõtmisel hakkab väljundsignaal, mille kuju tuleb ostsilloskoobi abil jälgida, olema piiratud, st selle amplituud peatub sisendsignaali amplituudi kasvades, ärge suurendage signaali amplituudi veelgi. sisendsignaal! Op-amp võib ebaõnnestuda!
Kirjutage iga kord üles vastavad sisend- ja väljundpingepaarid. Esitage mõõtmistulemused sõltuvuse U2 = graafikuna f(U1). Võtke operatiivvõimendi amplituudkarakteristik (AC) kõrgel sagedusel. Selleks seadke generaatori signaali sagedus 1 MHz ja muutke generaatori pinget. Esitage mõõtmistulemused sõltuvuse U2 = graafikute kujul f(U1).
3.2.8 Veenduge, et operatsioonivõimendit kasutataks mitteinverteeriva võimendiahelana. Selleks hankige ostsilloskoobi ekraanil pilt sisend- ja väljundsignaalidest ning visandage need.
3.2.9 Suurendage operatsioonivõimendi võimendust. Selleks seadke generaatori pinge 10 mV peale, ühendage labori prototüüp võrgust lahti ja asendage takisti R2 ahelas teise takistiga, mille nimiväärtus on 20 kOhm.
3.2.10 Lülitage prototüüp sisse ja võtke sageduskarakteristik, korrates mõõtmisi sarnaselt punktiga 3.2.6.
3.2.11 Sageduskarakteristiku mõõtmiste tulemused on mõlemal juhul esitatud topeltlogaritmilisel skaalal graafikutena, kus sagedus on kantud logaritmilises skaalas piki abstsisstellge ja võimenduskoefitsient dB Ku = Ku (log) piki ordinaattelge f). Detsibellideks teisendamine toimub järgmise valemi abil:
https://pandia.ru/text/78/378/images/image025_29.jpg" width="364" height="196 src=">
Joonis 16 – Inverteeriva võimendi ahel.
Joonis 17 – Inverteeriva võimendi sageduskarakteristiku ja amplituudikarakteristikute mõõtmise paigaldusskeem.
3.3.3 Seadke generaatori pingeregulaatori nupp "" nulli (kõige vasakpoolseimasse asendisse).
3.3.4 Ühendage mõõteriistad võrku.
3.3.5 Kasutage pingeregulaatori nuppu, et seada võimendi sisendi pinge 100 mV peale.
3.3.6 Võtke inverteeriva võimendi amplituud-sagedusreaktsioon vastavalt punktile 3.2.6.
3.3.7 Sagedustel 1 kHz ja 1 MHz võetakse operatsioonivõimendi amplituudkarakteristikud (AC) vastavalt punktile 3.2.7. Esitage mõõtmistulemused sõltuvuse U2 = graafikute kujul f(U1).
3.3.8 Veenduge, et inverteeriva võimendi vooluahel on operatsioonivõimendile kokku pandud. Selleks hankige ostsilloskoobi ekraanil pilt sisend- ja väljundsignaalidest ning visandage need.
3.3.9 Lülitage paigutus välja.
3.3.10 Suurendage operatsioonivõimendi võimendust. Selleks seadke generaatori pinge 10 mV peale ja asendage takisti R2 takistiga, mille nimiväärtus on 20 kOhm.
3.3.11 Lülitage prototüüp sisse ja võtke sageduskarakteristik, korrates mõõtmisi sarnaselt punktiga 3.2.6, kuid U1 = 10 mV. Esitage sageduskarakteristiku mõõtmiste tulemused topeltlogaritmilisel skaalal graafiku kujul Ku = Ku (log f).
3.3.12 Mõõtke inverteeriva võimendi amplituudreaktsiooni sagedustel 1 kHz ja 1 MHz, muutes generaatori pinget vastavalt punktile 3.2.7. Esitage mõõtmistulemused sõltuvuse U2 = graafikute kujul f(U1).
3.4 Inverteeriva võimendi väljundpinge maksimaalse pöördekiiruse mõõtmine
Selle jaoks:
3.4.1 Veenduge, et leivaplaadi toide on välja lülitatud.
3.4.2 Pange kokku joonisel 18 näidatud ahel.
3.4.3 Seadke generaatori pingeregulaatori nupp "" vasakpoolsesse äärmusse ja lülitage generaator ristkülikukujulise impulsi genereerimise režiimi (lüliti asendis "https://pandia.ru/text/78/378/images/image029_25.jpg", laius ="362" kõrgus ="190 src=">
Joonis 18 – Sisendis lahtisidestuskondensaatoriga op-võimendi skeem.
3.4.4 Ühendage generaator ja ostsilloskoobi 1. kanal võimendi sisendiga ning ostsilloskoobi kanal jõuväljundiga vastavalt joonisel näidatud skeemile Lülitage leivaplaadi toide sisse.
3.4.5 100 kHz juures suurendage generaatori pinget. Kasutades kahe kanaliga ostsilloskoopi, jälgige lainekujusid ahela sisendis ja väljundis. Suurendage generaatori pinget seni, kuni väljundsignaali amplituud ei sõltu enam sisendsignaali amplituudist. Joonistage sisend- ja väljundsignaalide ostsillogrammid. Väljundsignaali ostsillogrammi abil määrake väljundpinge tõusu kiirus.
3.5 Inverteeriva võimendi moonutamata väljundsignaali maksimaalse amplituudi sageduskarakteristikute mõõtmine.
Selle jaoks:
3.5.1 Seadke generaatori pingeregulaatori nupp "" vasakpoolsesse äärmisse asendisse ja lülitage generaator harmoonilist tüüpi signaalide genereerimise režiimi (lüliti asendis " ~ »).
3.5.2 Kasutage joonisel 19 näidatud diagrammi.
3.5.3 Mõõtke inverteeriva võimendi moonutamata väljundsignaali U2max maksimaalset amplituudi ja sagedust vahemikus 1 kHz kuni 1 MHz.jpg" width="438" height="278">
Joonis 19 – Ahel väljundpinge maksimaalse tõusukiiruse mõõtmiseks ja moonutamata väljundsignaali maksimaalse amplituudi sagedussõltuvuse määramiseks.
Töö tulemuseks on amplituud-sagedus- ja amplituudikarakteristikud ning ostsillogrammid, mis on võetud erineva võimendusega inverteeriva ja mitteinverteeriva võimendina töötava operatsioonivõimendi jaoks, samuti moonutamata väljundsignaali maksimaalse amplituudi sageduskarakteristikud. ja inverteeriva võimendi väljundpinge maksimaalse tõusukiiruse mõõtmise tulemused.
Aruanne peab sisaldama:
Töö pealkiri ja eesmärk;
Lühiteooria;
Uuritavate võimendite vooluringid;
Inverteerivate ja mitteinverteerivate võimendite amplituud-sageduskarakteristikute graafikud erinevatel võimendusteguritel;
Inverteerivate ja mitteinverteerivate võimendite amplituudiomaduste graafikud madalatel ja kõrgetel sagedustel;
Inverteerivate ja mitteinverteerivate võimendite sisend- ja väljundsignaalide ostsillogrammid;
Inverteeriva võimendi moonutamata väljundsignaali maksimaalse amplituudi sageduskarakteristikud;
Inverteeriva võimendi väljundpinge maksimaalse tõusukiiruse mõõtmise tulemused;.
Järeldused tehtud uuringute põhjal.
Graafikud tehakse millimeetripaberil või arvuti abil.
5 Turvaküsimust
1) Operatsioonivõimendi definitsioon.
2) Mitteinverteeriva op-amp võimendi vooluahel ja põhilised seosed.
3) Op-amp inverteeriva võimendi vooluahel ja põhilised seosed.
4) Operatsioonivõimendi peamised parameetrid ja omadused.
5) Ideaalse operatsioonivõimendi kontseptsioon.
6) Tingimused, mille korral saab tõelist op-võimendit pidada ideaalseks.
7) Operatsioonivõimendi amplituudkarakteristik ja sellest määratud op-võimendi parameetrid.
8) Operatsioonivõimendi amplituud-sagedusreaktsioon ja selle järgi määratud operatiivvõimendi parameetrid.
9) Milliseid meetmeid saab võtta, et tagada sügava tagasisidega op-võimendi töö stabiilsus.
10) Bode diagrammid.
11) Millised on op-võimendite eelised, tänu millele kasutatakse neid laialdaselt raadioelektroonikas.
KIRJANDUS
Peamine:
1 Awl integraallülitused. – M.: Sov. Raadio, 1974. – 311 lk.
2 Raadioelektroonika Manaev: õpik. ülikoolide jaoks. – M.: Sov. Raadio, 1976. – 479 lk.
3 Pooljuhtahela tehnoloogia - M. Mir, 1982. – 512 lk.
4 Skeemikujunduse kunst. T.1. - M. Mir, 1993. – 412 lk.
5 Nefjodovi raadioelektroonika: õpik. ülikoolide jaoks. – M.: V. Sh., 2000 – 398 lk.
Lisaks:
6 Rubinstein. tuumaelektroonika töötuba: meetod. toetust. www. npi. msu. su/structinc/lib/books/nuc_el/p7.
7 Elektroonikaraamatud: elektrooniline õpik. Versioon: 1. SPbSU ITMO. - de. *****/bk_netra/start. php? bn=36.
8, Voishvillo võimendid ja nende rakendus.
www. *****/cgibin/db. pl? cp=&page=Book&id=14464&lang=Ru&blang=ru&list=83.
9 Üldteave operatiivvõimendite kohta. - *****/main/rc/?ou01
Operatsioonivõimendi sagedusreaktsioon jääb tasaseks ainult väikeses sagedusvahemikus. Riis. 1.12, korrates joonist fig. 8 joonisel fig. 1.8,c näitab op-amp 741 sageduskarakterit.
Riis. 1.12. Avatud ahelaga kõrgetasemeline diferentsiaalpinge võimendus sageduse f funktsioonina (Texas Instruments, Inc. loal).
Operatsioonivõimendi kõige laialdasemalt kasutatav sageduskarakteristik on võimenduse ja ribalaiuse korrutis, mida mõnikord nimetatakse ühtseks võimenduse ribalaiuseks, B1. Võimenduse ja ribalaiuse korrutis (vt jaotis 7.6.3) on sagedus, mille korral võimendus on ühtsus. Kuigi B1 ei ole antud op-amp 741 tehnilistes omadustes, vaid vastavalt joonisel fig. 1.12, saame määrata, et see sagedus on 1 MHz.
Näide 1.10
Op-amp 741 sageduskarakteristik on lameda osaga kuni 6 Hz; kui suur on selle võimenduse väärtus madalamatel sagedustel, kui tagasisideahel on avatud?
Op-amp väljundpinge maksimaalne pöördekiirus
Operatsioonivõimendi sisendpinge võib erinevalt väljundpingest koheselt muutuda. Sisendimpulsi rakendamisel muutub sisendpinge peaaegu koheselt mitme volti võrra, samas kui väljundpinge muutub lineaarselt impulsi rakendamise hetkel väljundis olevast väärtusest uuele väärtusele, mis vastab sisendpinge muutusele. Selle pinge dV/dt muutumiskiirust nimetatakse väljundpinge maksimaalseks pöördekiiruseks. See on seotud võimendi sagedusreaktsiooniga. Mida suurem on sageduskarakteristiku sagedusvahemik, seda kiiremini võib väljundpinge muutuda ja seda suurem on selle tõusukiirus.
Op-amp 741 väljundpinge maksimaalne pöördekiirus (vt joonis 1.8) on 0,5 V/µs. Joonisel fig. 1.13a näitab 741 vastust 10 V pinge tõusule ja joonisel fig. 11.13.6 näitab pinge tõusu maksimaalse kiiruse määramise diagrammi. See on pinge repiiter. Jooniselt fig. 1.13a on näha, et vastusena positiivsele diferentsiaalile muutub väljundpinge järsult 2 V võrra ja siis piki kaldkalle suureneb, kuid negatiivse diferentsiaali korral on see alati kaldu.
Riis. 1.13. Karakteristik (a) ja katseahel väljundpinge maksimaalse tõusukiiruse (b) määramiseks
Näide 1.11
Vastavalt joonisel fig. 1.13a, määrake operatsioonivõimendi 741 maksimaalne pinge tõusu kiirus.
Op-amp parameetrite triiv
Muud tüüpi opvõimendid
741 opvõimendi on bipolaarse ristmikuga transistoroperatsioonivõimendi. Kõik selles jaotises näitena käsitletavad ahelad ehitati sellele opvõimendile, kuna see on tegelikult saadaval ja seda kasutatakse peamise operatiivvõimendina väga laialdaselt. Muidugi on palju teisi opvõimendeid ja lugeja saab valida tootjate pakutavatest kataloogidest konkreetse rakenduse jaoks sobivaima opvõimendi.
TL080 on uuem ja kiirem opvõimendi. See on kombineeritud op-võimendi, mis on valmistatud bipolaarsetel transistoridel, selle sisendis on väljatransistor, millel on juht /n-siirde. Tabelis 1.1 võrdleb parameetreid 741 ja TL080. Seega on TL080 tänu väljatransistori paigaldamisele sisendisse suurem sisendtakistus ning palju väiksemad nihke- ja nihkevoolud. TL080-l on ka suurem võimendus / ribalaius ja kiirem maksimaalne pöördekiirus. Nende IC-de kasumid ja CMRR on võrreldavad. TL080 on kvaliteetsem opvõimendi, kuid see on kallim ja mitte nii saadaval. Paljudel juhtudel ei ole TL080 eelised eriti olulised ja 741-st piisab.
Integraatorid ja eristajad
Eelmistes osades käsitletud ahelad sisaldasid ainult takisteid sisend- ja tagasisideahelates. Nendes vooluringides sisalduvad kondensaatorid koos takistitega võimaldavad disaineril luua muid kasulikke vooluahelaid, nagu integraatorid, diferentseerijad ja filtrid. Eriti huvitav on integraator, mis on analoogarvutite (AVM) aluseks.
Integraator op-võimendil
Elektroonilise integraallülituse saab ehitada op-võimendi baasil (joonis 1.14).
Riis. 1.14. Op-amp integraatori põhiahel.
Kuna virtuaalne maandus säilitab maanduspotentsiaali sisendis -IN, kirjutame
(1.11)
kus Vc on kondensaatori algpinge. Miinusmärk tekib op-võimendi ümberpööramise tõttu.
In (1.11) on kondensaatori Vno pingelang sisuliselt sama, mis Vout, kuna kondensaatori üks plaat on ühendatud -IN sisendiga, mis on praktiliselt maandatud.
Kondensaatori algpinge saamiseks laadige kondensaator vajaliku pingeni ja avage integreerimise alguses mehaaniline või elektriline lüliti. Seda protsessi illustreerib näide 1.12.
Näide 1.12
Joonisel fig. 11.15 ja määrake Vout aja funktsioonina, kui lüliti S1 on avatud ja S2 on samal ajal suletud.
Riis. 1.15. a-ahel ja 5-kujuline väljundpinge näiteks 1.12.
Praktiline integraator
Ideaalses kondensaatoris pole lekkevoolu. Seega, kui integreerimisahelas kasutatakse ideaalset kondensaatorit (joonis 1.14), siis alalisvoolu komponenti sisendist väljundisse ei edastata. Kahjuks tähendab see, et vooluahel integreerib nii nihkepinge kui ka nihkevoolu ning väljund tekitab rambipinge ka sisendpinge puudumisel. Lõppkokkuvõttes juhib see tõusupinge operatiivvõimendi küllastusrežiimi.
. 
Riis. 1.16. Alalisvoolu veaparandusega integraator
Märkus: Klahv S on ette nähtud perioodiliseks nullpotentsiaali seadistamiseks plaatidel C sisendsignaali puudumisel.
Joonisel fig. Joonis 1.16 kujutab integraatori vooluringi, mis annab kolm võimalust nullnihkepinge ja nihkevoolude mõju minimeerimiseks. Lülitit, mis võib olla kas mehaaniline või elektriline, saab kasutada kondensaatori perioodiliseks tühjendamiseks või algtingimuste seadistamiseks. Paljudes vooluringides on lüliti kondensaatori tühjendamiseks ja esialgseks väljundpingeks 0 V seadmiseks suletud. Integreerimine algab lüliti lahtiolekuga.
Nullnihkepinge mõju vähendamiseks kasutatakse mõnikord takistit Rd. Ilma selle takistita on konstantne väljundpinge võrdne A0l V0S; kui ahelas on Rd, muutub see võrdseks väärtusega V0S Rd / R1.
Näide 1.13
b.
1.17. Integraatori reaktsioon ristkülikukujulistele sisendimpulssidele: a-sisend; b-väljapääs.
Laboris testiti integraatori vooluringi, mille R = 10 kOhm ja C = 0,22 μF. Sisendile viidi ristkülikukujulised impulsid ja väljundist võeti kolmnurksed signaalid (joon. 1.17). Kui Rd ahelasse ei kaasatud, nihutati väljundsignaali, kuni selle positiivne või negatiivne tipp saavutas küllastumise. Kui kondensaatoriga paralleelselt lülitati Rd = 1 MOhm, sai võimalikuks hoida väljundpinget küllastusrežiimi piiril.
Näide 1.14
Mis on äsja käsitletud ahela madalaim integreerimissagedus?
Kuna Rd = 1 MΩ ja C = 0,22 μF, siis
Kui on vaja täpset integreerimist, peaks integreeritava signaali madalaim sagedus olema võrdne saadud väärtusega, mis on korrutatud 10-ga, st 7,2 Hz. Selle vooluringi täpsus väheneb väga madalatel sagedustel.
Takisti Rs saab kasutada sisendi eelpinge ja nihkevoolude mõju vähendamiseks. Nagu varem, peab Rs olema võrdne paralleelselt ühendatud R1 ja Rd-ga. Kuna aga Rd väärtus on kõrge, võib Rs lugeda võrdseks R1-ga. See valik kehtib ka siis, kui ahelas Rd puudub.
Diferentseerija
Op-ampreid saab kasutada ka diferentseerimisahelate loomiseks, kus väljundpinge on võrdeline sisendpinge tuletisega. Skeem joonisel fig. 1.18 on ideaalse diferentsiaatori diagramm ja seda kirjeldavad võrrandid:
Riis. 1.18. Operatsioonivõimendi diferentsiaator
Seega on väljundpinge võrdeline sisendpinge tuletisega.
Kahjuks on diferentseerimisahelatel kõrgetel sagedustel suur võimendus. Kui sinusoidne võnkumine A sin co/ suunatakse näiteks integraatorisse, on väljundpingeks (-A/ω) cosωt. See väljundpinge väheneb sageduse kasvades. Kui sama siinuslaine suunata diferentsiaatorisse, siis on väljundpinge nüüd A ω cosω ja suureneb sageduse kasvades. Kuna diferentsiaator võimendab kõrgsageduslikke signaale, on see tundlik müra ja vibratsiooni suhtes. See on põhjus, miks integraatoreid eelistatakse sageli eristajatele.
B näitab, et diferentseerimisahelaid saab reguleerida nii, et need summutavad kõrgsageduslikke signaale. Joonisel fig. Joonis 1.19 näitab diferentsiaatori diagrammi koos sageduse korrigeerimisega. See eristab sagedusi allpool f1, kus
f1 = 1/(2πRс,C)
ja integreerib sagedused üle f2, kus f2 = 1/(2 πRCc).
Riis. 1.19. Sagedusega diferentsiaator Märkus: õhuke joon näitab parandust (a) ja selle sageduskarakteristikut (b) (© ja sageduskarakteristik avatud tagasisideahelaga, eraldusvõime John Wiley & Sonsilt, paks on diferentsiaatori sageduskarakteristik Inc.).
F1 ja f2 väärtusi saab seadistada ahelas olevate takistite ja kondensaatoritega. Reeglina valitakse f2 võrdne f1-ga või sellest veidi kõrgem. See ahel on stabiilne diferentseerija sagedustele, mis on veidi üle f1.
Võimendi üks olulisi omadusi on amplituudi-sagedusreaktsioon (AFC) ja faasisagedusreaktsioon (PFC), mis on amplituudi (võimenduse) sõltuvus sagedusest ning sisend- ja väljundsignaalide faasinurk. vastavalt sagedusele. Mõnel juhul väljendatakse võimendustegureid logaritmilistes ühikutes - detsibellides (dB):
Seejärel nimetatakse võimenduse sõltuvust sagedusest LFC-ks (logaritmiline amplituud-sageduskarakteristik).
Võimendi sagedusvahemiku hindamiseks mõõdetakse selle sageduskarakteristik ja määratakse ülemine piirsagedus tasemel 0,707 maksimaalsest väljundsignaalist. Mis vastab koefitsiendi 3 dB vähenemisele
Joon.1 LACCH OU
Tõelistel op-võimenditel on suur võimendus; ilma välise tagasisideahelata operatsioonivõimendi logaritmiline amplituud-sagedusreaktsioon on kujul, nagu näidatud (joonis 1). Tavaliselt näitavad teatmeteosed sagedust, mille juures jõukoefitsient on võrdne 1-ga - jõuühiku sagedus ƒ ühik -, mis on tavaliselt 1-1000 MHz.
Operatsioonivõimenditel põhinevate ahelate töö analüüsimiseks kasutame ideaalse op-võimendi põhiomadusi:
1. Inverteeriva ja mitteinverteeriva sisendi potentsiaalide erinevus on null (U cm = 0);
2. Sisendpinge voolud on null (I + sisend = I - sisend = 0)
Selliste vooluahelate võimendus on sisendpinge ja väljundpinge suhe:
AMPLITUUDI KARAKTERISTIKUD
Amplituudikarakteristiku kalle rõhutab väljundpinge sõltuvuse lineaarsust sisendist. Horisontaalsed sektsioonid vastavad operatiivvõimendi töörežiimile, milles sisendpinge ületab maksimaalse väärtuse
Ecm on eelpinge, mis määratakse Uout = 0 juures op-amp elementide parameetrite hajumise tõttu sõltuvalt toiteallika temperatuurist ja pingest.
Op-amp'i rakendus:
Integreeritud op-võimendid on oma parameetrite ja omaduste poolest ideaalsete operatsioonivõimendite lähedased.
Operatsioonivõimendi enda nime seostatakse tuntud matemaatiliste toimingutega (liitmine, lahutamine, diferentseerimine, logaritm, integreerimine, võrdlemine, korrutamine jne), mida varem teostati opvõimendi abil.
Kaasaegsed integreeritud op-võimendid on universaalsed, lisaks matemaatiliste funktsioonide täitmisele võivad need olla pingeallikad, juht U, inverteerivad ja mitteinverteerivad võimendid, IPT (alalisvooluallikas), harmooniliste generaatorid jne.
Operatsioonivõimendit (operatsioonivõimendit) nimetatakse tavaliselt diferentsiaalsisendi ja push-pull-väljundiga integreeritud alalisvooluvõimendiks, mis on loodud töötama tagasisideahelatega. Võimendi nimi tuleneb selle algsest rakendusalast - analoogsignaalidega erinevate toimingute sooritamine (liitmine, lahutamine, integreerimine jne). Praegu toimivad op-võimendid multifunktsionaalsete üksustena mitmesuguste erinevatel eesmärkidel kasutatavate elektrooniliste seadmete rakendamisel. Neid kasutatakse võimendamiseks, piiramiseks, korrutamiseks, sageduse filtreerimiseks, genereerimiseks, stabiliseerimiseks jne. signaalid pidevates ja impulssseadmetes.
Tuleb märkida, et kaasaegsed monoliitsed op-võimendid erinevad oma suuruse ja hinna poolest pisut üksikutest diskreetsetest elementidest, näiteks transistoridest. Seetõttu on erinevate seadmete rakendamine operatsioonivõimendil sageli palju lihtsam kui diskreetsetel elementidel või võimendus-IC-del.
Ideaalsel op-võimendil on lõpmatult suur pingevõimendus ( K ja op-amp=∞), lõpmatult suur sisendtakistus, lõpmatult väike väljundtakistus, lõpmatult suur CMRR ja lõpmatult lai töösagedusriba. Loomulikult ei saa praktikas ühtki neist omadustest täielikult realiseerida, kuid neile on võimalik läheneda paljude valdkondade jaoks piisaval määral.
Joonisel 6.1 on näidatud kaks op-amp sümboli versiooni - lihtsustatud (a) ja täiendavate klemmidega toiteahelate ja sageduse korrigeerimise ahelate ühendamiseks (b).
Joonis 6.1. OS-i sümbolid
Ideaalse op-võimendi omadustele esitatavatest nõuetest lähtuvalt on võimalik sünteesida selle sisemine struktuur, mis on toodud joonisel 6.2.
Joonis 6.2. Operatsioonivõimendi plokkskeem
Joonisel 6.3 on näidatud lihtsa operatsioonivõimendi lihtsustatud elektriahel, mis realiseerib joonisel 6.2 kujutatud plokkskeemi.
Joonis 6.3. Lihtne op-amp ahel
See ahel sisaldab sisendkaugjuhtimispulti (VT 1 ja VT 2) koos voolupeegliga (VT 3 ja VT 4), vaheastmeid OK (VT 5) ja OE-ga (VT 6) ning väljundvooluvõimendit transistoridel VT. 7 ja VT 8 . Op-amp võib sisaldada sageduse korrigeerimise ahelaid (Ccor), toiteallika ja termilise stabiliseerimise ahelaid (VD 1, VD 2 jne), IST jne. Bipolaarne toiteallikas võimaldab signaali puudumisel galvaanilist sidet operatsioonivõimendi astmete ja selle sisendite ja väljundi nullpotentsiaalide vahel. Kõrge sisendtakistuse saavutamiseks saab sisendi kaugjuhtimispulti teostada alalisvoolul. Tuleb märkida, et op-amp vooluahela lahendusi on väga erinevaid, kuid nende ehituse põhiprintsiibid on üsna täielikult illustreeritud joonisel 6.3.
6.2. Operatsioonivõimendi peamised parameetrid ja omadused
Operatsioonivõimendi peamine parameeter on pinge võimendus ilma tagasisideta K u op-amp, mida nimetatakse ka pinge koguvõimenduseks. Bassi- ja kesksagedusaladel on see mõnikord tähistatud K u Op-amp 0 ja võib ulatuda mitmekümne ja sadade tuhandeteni.
Operatsioonivõimendi olulised parameetrid on selle täpsusparameetrid, mille määrab sisendi diferentsiaalaste. Kuna kaugjuhtimispuldi täpsusparameetreid käsitleti alajaotises 5.5, piirdume siin nende loetlemisega:
◆ nullnihke pinge U cm;
◆ nullnihke pinge temperatuuritundlikkus dU cm/dT;
◆ eelpingevool Δ ma sisestan;
◆ keskmine sisendvool Sisestasin kolma.
Operatsioonivõimendi sisend- ja väljundahelad on esindatud sisendiga R sisend ja nädalavahetustel R operatsioonivõimendist välja ilma OOS-ahelateta op-amprite jaoks antud takistused. Väljundahela jaoks on antud ka sellised parameetrid nagu maksimaalne väljundvool Ma väljastan OU ja minimaalne koormustakistus R n min ja mõnikord ka maksimaalne kandevõime. Operatsioonivõimendi sisendahelas võib olla mahtuvus sisendite ja ühise siini vahel. Operatiivvõimendi sisend- ja väljundahelate lihtsustatud ekvivalentskeemid on toodud joonisel 6.4.
Joonis 6.4. Operatsioonivõimendi lihtne lineaarne makromudel
Operatsioonivõimendi parameetritest väärib märkimist CMRR ja toiteallika ebastabiilsuse mõju sumbumise koefitsient KOVNP=20lg·(Δ E/Δ U sisse). Mõlemad parameetrid tänapäevastes op-võimendites on (60...120) dB piires.
Operatsioonivõimendi energiaparameetrid hõlmavad toiteallikate pinget ±E, voolutarbimist (rahuolekus) I P ja energiatarve. Tavaliselt, I P ulatub kümnendikku - kümneid milliampreid ja voolutarve on üheselt määratud I P, ühikud - kümned millivatid.
Operatsioonivõimendi maksimaalsed lubatud parameetrid on järgmised:
◆ maksimaalne võimalik (moonutusteta) väljundsignaali pinge Sa välja max (tavaliselt veidi vähem kui E);
◆ maksimaalne lubatud võimsuse hajumine;
◆ töötemperatuuri vahemik;
◆ maksimaalne toitepinge;
◆ maksimaalne sisenddiferentsiaalpinge jne.
Sagedusparameetrid hõlmavad absoluutset piirsagedust või ühtse võimenduse sagedust f T (F 1), st. sagedus, mille juures K u op-amp=1. Mõnikord kasutatakse väljundpinge pöördekiiruse ja settimisaja mõistet, mis on määratud operatsioonivõimendi reaktsiooniga selle sisendis oleva pinge tõusu mõjule. Mõne operatsioonivõimendi jaoks on ette nähtud ka lisaparameetrid, mis kajastavad nende konkreetset rakendusvaldkonda.
Operatsioonivõimendi amplituudi (ülekande) karakteristikud on toodud joonisel 6.5 kahe sõltuvuse kujul Sa välja=f(U sisse) inverteerivate ja mitteinverteerivate sisendite jaoks.
Kui operatiivvõimendi mõlemas sisendis U sisse=0, siis on väljundis veapinge oh oh, mis on määratud operatsioonivõimendi täpsusparameetritega (joonis 6.5 oh oh pole selle väiksuse tõttu näidatud).
Joonis 6.5. AH OU
Operatsioonivõimendi sagedusomadused on esindatud selle sageduskarakteristikuga, mis teostatakse logaritmilisel skaalal, K u op-amp=φ(log f). Seda sageduskarakteristikut nimetatakse logaritmiliseks (LAFC), selle tüüpiline vorm on näidatud joonisel 6.6 (operatsioonivõimendi K140UD10 puhul).
Joonis 6.6. LFC ja LFCH OU K140UD10
Sagedussõltuvus K u op-amp võib esitada järgmiselt:
Siin τ V operatsioonivõimendi ajakonstant, mis kell M sisse=3 dB määrab operatsioonivõimendi sidestussageduse (katkestussageduse) (vt joonis 6.6);
ω V= 1/τ V= 2π f sisse.
Asendades väljendis for K u op-amp τ V 1/ω võrra V, saame kirje LACHH:
Bassil ja kesksagedusel K u Op-amp= 20 lg K u Op-amp 0, st. LFC on sagedusteljega paralleelne sirgjoon. Mõne lähendusega võime eeldada, et HF piirkonnas väheneb K u Op-amp toimub sagedusega 20 dB kümnendi kohta (6 dB oktaavi kohta). Siis ω>>ω jaoks V saate LAC-i väljendit lihtsustada:
K u op-amp= 20 lg K u Op-amp 0–20log(ω/ω V).
Seega on HF-piirkonna LFC-d kujutatud sirgjoonega, mille kalle sagedustelje suhtes on 20 dB/dec. LFC-d esindavate vaadeldavate sirgjoonte lõikepunkt vastab konjugatsioonisagedusele ω V (f sisse). Erinevus tegeliku ja ideaalse LFC vahel sagedusel f sisse on umbes 3 dB (vt joonis 6.6), kuid analüüsi mugavuse huvides on see lubatud ja tavaliselt nimetatakse selliseid graafikuid nn. Bode diagrammid .
Tuleb märkida, et LFC summutuskiirus 20 dB/dec on tüüpiline välise või sisemise korrektsiooniga korrigeeritud operatsioonivõimenditele, mille põhiprintsiipe käsitletakse allpool.
Joonisel 6.6 on näidatud ka logaritmiline faasireaktsioon (LPFC), mis on väljundsignaali faasinihke j sõltuvus sisendsignaalist sagedusest. Tegelik LFFC erineb esitletust mitte rohkem kui 6° võrra. Pange tähele, et tegeliku operatsioonivõimendi puhul j = 45° sagedusel f sisse, ja sagedusega f T-90°. Seega võib töösignaali sisemine faasinihe HF-piirkonna korrigeeritud operatsioonivõimendis ulatuda 90°-ni.
Eespool käsitletud operatsioonivõimendi parameetrid ja omadused kirjeldavad seda OOS-ahelate puudumisel. Kuid nagu märgitud, kasutatakse operatsioonivõimendeid peaaegu alati koos OOS-ahelatega, mis mõjutavad oluliselt kõiki selle indikaatoreid.
6.3. Inverteeriv võimendi
Op-võimendeid kasutatakse kõige sagedamini inverteerivates ja mitteinverteerivates võimendites. Op-amp inverteeriva võimendi lihtsustatud skeem on näidatud joonisel 6.7.
Joonis 6.7. Operatsioonivõimendi inverteeriv võimendi
Takisti R 1 tähistab signaaliallika sisemist takistust Näiteks, R os abil on OU kaetud ∥OOSN-iga.
Ideaalse operatsioonivõimendi korral kipub pingeerinevus sisendklemmidel olema null ja kuna mitteinverteeriv sisend on ühendatud takisti R2 kaudu ühissiiniga, siis potentsiaal punktis a peab olema ka null (“virtuaalne null”, “nähtav maa”). Selle tulemusena võime kirjutada: I g=I os, st. Näiteks/R 1 =–Sa välja/R os. Siit saame:
K U inv = Sa välja/Näiteks = –R os/R 1 ,
need. ideaalse opvõimendiga K U inv määratakse välistakistite väärtuste suhte järgi ja see ei sõltu op-võimendist endast.
Tõelise operatsioonivõimendi jaoks on vaja arvestada selle sisendvooluga ma sisestan, st. I g=I os+ma sisestan või ( Näiteks–U sisse)/R 1 =(U sisse–Sa välja)/R os+U sisse/U sisend, Kus U sisse- signaali pinge operatsioonivõimendi inverteerivas sisendis, st. punktis a. Siis saame tõelise operatsioonivõimendi jaoks:
Lihtne on näidata, et kui OOS sügavus on üle 10, s.t. K u op-amp/K U inv=F>10, arvutusviga K U inv ideaalse operatsioonivõimendi puhul ei ületa see 10%, mis on enamiku praktiliste juhtumite jaoks täiesti piisav.
Takisti väärtused op-amp seadmetes ei tohiks ületada mitut megaoomi, vastasel juhul võib lekkevoolude, op-amp sisendvoolude jms tõttu tekkida võimendi ebastabiilne töö. Kui arvutuse tulemusena väärtus R osületab maksimaalse soovitatava väärtuse, siis on soovitatav kasutada T-kujulist OOS-ketti, mis mõõdukate takisti väärtuste korral võimaldab täita samaväärse suure takistuse funktsiooni R os(Joonis 6.7b) . Sel juhul võite kirjutada:
Praktikas eeldatakse sageli, et R OS 1 =R OS 2 >>R OS 3 ja väärtus R Tavaliselt antakse 1, nii et R OS 3 määratakse üsna lihtsalt.
Op-amp inverteeriv võimendi sisendtakistus R sisend inv on suhteliselt väikese väärtusega, mille määrab paralleelne OOS:
R sisend inv = R 1 +(R os/K u op-amp + 1)∥R sisend≈ R 1 ,
need. üldiselt K u op-amp sisendtakistus määratakse väärtusega R 1 .
Inverteeriv võimendi väljundtakistus R out inv tegelikus operatsioonivõimendis erineb see nullist ja on määratletud kui R out op amp, ja keskkonnakaitse sügavus F. Kui F>10, võime kirjutada:
R out inv = R out op amp/F = R out op amp/K U inv/K u op-amp.
Operatsioonivõimendi LFC abil saate esitada inverteeriva võimendi sagedusvahemikku (vt joonis 6.6) ja
f OC = f T/K U inv.
Limiit, mida saate K U inv=1, st. saada inverteeriv järgija. Sel juhul saame op-võimendi minimaalse väljundtakistuse:
R välja = R out op amp/K u op-amp.
Võimendis, mis kasutab võimendi väljundis tõelist operatsioonivõimendit U sisse=0 veapinge on alati olemas oh oh, loodud U cm ja Δ ma sisestan. Selleks, et vähendada oh oh püüdke võrdsustada op-amp sisenditega ühendatud samaväärseid takisteid, st. võta R 2 =R 1 ∥R os(Vt joonis 6.7a). Kui see tingimus on täidetud K U inv>10 saab kirjutada:
oh oh ≈ U cm K U arv + Δ I in R os.
Vähendada oh oh võimalik, rakendades mitteinverteerivale sisendile täiendavat eelpinget (kasutades täiendavat jagurit) ja vähendades kasutatud takistite väärtusi.
Vaadeldavast inverteerivast UPT-st lähtuvalt on võimalik luua vahelduvvooluvõimendi, ühendades sisendisse ja väljundisse eralduskondensaatorid, mille nimiväärtused määratakse antud sagedusmoonutusteguri alusel. M n(vt alajaotis 2.5).
6.4. Mitteinverteeriv võimendi
Mitteinverteeriva op-võimendi lihtsustatud skeem on näidatud joonisel 6.8.
Joonis 6.8. Mitteinverteeriv op-amp võimendi
Lihtne on näidata, et mitteinverteerivas võimendis on op-amp kaetud POSN-iga. Kuna U sisse Ja U os tarnitakse erinevatele sisenditele, siis ideaalse operatsioonivõimendi jaoks võime kirjutada:
U sisse = Sa välja R 1 /(R 1 + R os),
kust mitteinverteeriva võimendi pingevõimendus:
K U mitteinv = 1 + R os/R 1 ,
K U mitteinv = 1 + |K U inv|.
Reaalsel op-võimendil põhineva mitteinverteeriva võimendi puhul kehtivad saadud avaldised tagasiside sügavusel F>10.
Mitteinverteeriva võimendi sisendtakistus R-sisend mitteinv on suur ja selle määrab sügav ühtlane OOS ja kõrge väärtus R sisend:
R-sisend mitteinv = R sisend· F = R sisend· K U OU/K U mitteinv.
Mitteinverteeriva op-võimendi väljundtakistus määratakse nagu inverteeriva võimendi puhul, kuna mõlemal juhul kehtib pingekaitsesüsteem:
Välja mitteinv = R operatsioonivõimendist välja/F = R operatsioonivõimendist välja/K U mitteinv/K U OU.
Töösagedusriba laiendamine mitteinverteerivas võimendis saavutatakse samamoodi nagu inverteerivas võimendis, s.t.
f OC = f T/K U mitteinv.
Vooluvea vähendamiseks mitteinverteerivas võimendis, sarnaselt inverteeriva võimendiga, peab olema täidetud järgmine tingimus:
R g = R 1 ∥R os.
Suurte jaoks kasutatakse sageli mitteinverteerivat võimendit R g(mis on võimalik tänu suurele R-sisend mitteinv), seetõttu ei ole selle tingimuse täitmine takisti väärtuste väärtuse piirangute tõttu alati võimalik.
Ühisrežiimi signaali olemasolu inverteerivas sisendis (edastatakse ahela kaudu: mitteinverteeriv op-amp sisend ⇒ op-amp väljund ⇒ R os⇒ operatsioonivõimendi sisendi inverteerimine) toob kaasa suurenemise oh oh, mis on kõnealuse võimendi puuduseks.
Keskkonnakaitse sügavuse suurendamisega on võimalik saavutada K U mitteinv=1, st. mitteinverteeriva repiiteri saamine, mille skeem on näidatud joonisel 6.9.
Joonis 6.9. Mitteinverteeriv op-võimendi järgija
Siin saavutatakse 100% POSN, nii et sellel repiiteril on kõrgeim sisend ja minimaalne väljundtakistus ning seda kasutatakse, nagu iga repiiter, sobitusastmena. Mitteinverteeriva jälgija jaoks võite kirjutada:
oh oh ≈ U cm + I in sr R g ≈ I in sr R g,
need. Veapinge võib ulatuda üsna suurte väärtusteni.
Vaadeldavast mitteinverteerivast UPT-st lähtuvalt on võimalik luua ka vahelduvvooluvõimendi, ühendades sisendisse ja väljundisse eralduskondensaatorid, mille nimiväärtused määratakse antud sagedusmoonutusteguri alusel. M n(vt alajaotis 2.5).
Lisaks op-võimenditel põhinevatele inverteerivatele ja mitteinverteerivatele võimenditele on saadaval ka erinevad op-võimendi valikud, millest mõningaid käsitletakse allpool.
6.5. Operatsioonivõimendi juhtseadmete tüübid
erinevus (diferentsiaal) võimendi , mille skeem on näidatud joonisel 6.10.
Joonis 6.10. Op-amp-diferentsivõimendi
Op-amp-diferentsivõimendit võib käsitleda kui inverteeriva ja mitteinverteeriva võimendi valikute kombinatsiooni. Sest Sa välja erinevusvõimendi saab kirjutada:
Sa välja = K U inv U in 1 +K U noninv U sisse 2 R 3 /(R 2 + R 3).
Tavaliselt, R 1 =R 2 ja R 3 =R os, seega, R 3 /R 2 =R os/R 1 =m. Laiendades võimendustegurite väärtusi, saame:
Sa välja = m(U sisse 2 – U sisse 1),
Erijuhtumiks, kui R 2 =R 3 saame:
Sa välja = U sisse 2 – U sisse 1 .
Viimane väljend selgitab selgelt kõnealuse võimendi nime ja otstarbe päritolu.
Operatsioonivõimendil põhinevas erinevusvõimendis tekib sama sisendpinge polaarsusega ühismoodi signaal, mis suurendab võimendi viga. Seetõttu on erinevusvõimendis soovitav kasutada suure CMRR-iga op-võimendit. Vaadeldava erinevusvõimendi puuduste hulka kuuluvad sisendtakistuste erinevad väärtused ja võimenduse reguleerimise raskused. Need raskused on kõrvaldatud seadmetes, mis kasutavad mitut op-võimendit, näiteks kahe repiiteriga diferentsiaalvõimendis (joonis 6.11).
Joonis 6.11. Repiiteri erinevuse võimendi
See ahel on sümmeetriline ja seda iseloomustavad samad sisendtakistused ja madal veapinge, kuid see töötab ainult sümmeetrilise koormuse korral.
Operatsioonivõimendi põhjal saab seda teha logaritmiline võimendi , mille skemaatiline diagramm on näidatud joonisel 6.12.
Joonis 6.12 Logaritmiline op-võimendi
VD-dioodi P-n-siirde on ettepoole eelpingestatud. Eeldades, et op-amp on ideaalne, saame voolud võrdsustada I 1 ja I 2. Kasutades p-n-siirde voolu-pinge karakteristiku avaldist ( I=I 0 ), on lihtne kirjutada:
U sisse/R= I 0 ·,
kust pärast teisendusi saame:
Sa välja = φ T ln( U sisse/I 0 R) = φ T(ln U sisse-ln I 0 R),
millest järeldub, et väljundpinge on võrdeline sisendi logaritmiga ja liige ln I 0 R tähistab logaritmi viga. Tuleb märkida, et see avaldis kasutab pingeid, mis on normaliseeritud ühele voltile.
Dioodi VD ja takisti R asendamisel saame antilog võimendi .
Inverteerimine ja mittepööramine lisajad op-võimenditel, mida nimetatakse ka summeerimisvõimenditeks või analoogliitjateks. Joonisel 6.13 on kujutatud kolme sisendiga inverteeriva summari skemaatiline diagramm. See seade on teatud tüüpi inverteeriv võimendi, mille paljud omadused avalduvad ka inverteerivas summaris.
Joonis 6.13. Op-amp inverteeriv liiter
U sisse 1 /R 1 + U sisse 2 /R 2 + U sisse 3 /R 3 = –Sa välja/R os,
Saadud avaldisest järeldub, et seadme väljundpinge on sisendpingete summa, mis on korrutatud võimendusega K U inv. Kell R os=R 1 =R 2 =R 3 K U inv=1 ja Sa välja=U sisse 1 +U sisse 2 +U sisse 3 .
Kui tingimus on täidetud R 4 =R os∥R 1 ∥R 2 ∥R 3, praegune viga on väike ja seda saab arvutada valemi abil oh oh=U cm(K U osh+1), kus K U osh=R os/(R 1 ∥R 2 ∥R 3) - veasignaali võimendustegur, mille väärtus on suurem kui K U inv.
Mitteinverteeriv summaar on rakendatud samamoodi nagu inverteeriv summaar, kuid see peaks kasutama operatsioonivõimendi mitteinverteerivat sisendit analoogselt mitteinverteeriva võimendiga.
Takisti Roc asendamisel kondensaatoriga C (joonis 6.14) saame seadme nn. analoog integraator või lihtsalt integraator.
Joonis 6.14. Analoogintegraator op-võimendil
Ideaalse operatsioonivõimendiga saab voolusid võrdsustada I 1 ja I 2, millest järeldub:
Mida suurem on integreerimise täpsus, seda suurem K u op-amp.
Lisaks vaadeldavatele juhtseadmetele kasutatakse opvõimendeid paljudes pidevates seadmetes, mida arutatakse allpool.
6.6. Sagedusreaktsiooni korrigeerimine
Sageduskarakteristikute korrigeerimise all peame silmas LFC ja LPFC muutmist, et saada op-amp seadmetelt vajalikud omadused ja eelkõige tagada stabiilne töö. Tavaliselt kasutatakse OOS-ahelatega op-võimendit, kuid teatud tingimustel võib signaali sageduskomponentide täiendavate faasinihete tõttu OOS muutuda POS-iks ja võimendi kaotab stabiilsuse. Kuna OOS on väga sügav ( βK U>>1), on eriti oluline tagada faasinihe sisend- ja väljundsignaalide vahel, et tagada ergastuse puudumine.
Varem oli joonisel 6.6 näidatud korrigeeritud op-võimendi LFC ja LPFC vastus kujul, mis on samaväärne ühe võimendi astme LFC ja LPFC vastusega, millest on näha, et maksimaalne faasinihe φ<90° при K u op-amp>1 ja võimenduse vähenemise kiirus HF piirkonnas on 20 dB/dets. Selline võimendi on stabiilne mis tahes tagasiside sügavusel.
Kui operatsioonivõimendi koosneb mitmest kaskaadist (näiteks kolmest), millest igaühe sumbumissagedus on 20 dB/dec ja mis ei sisalda korrektsiooniahelaid, siis selle LFC ja LPFC on keerulisema kujuga (joonis 6.15) ja sisaldavad ebastabiilsete võnkumiste piirkonda.
Joonis 6.15. Korrigeerimata op-võimendi LFC ja LPFC
Op-amp seadmete stabiilse töö tagamiseks kasutatakse sisemisi ja väliseid korrektsiooniahelaid, mille abil saavutatakse avatud tagasisideahelaga faasinihe maksimaalsel töösagedusel alla 135°. Sel juhul selgub automaatselt, et langus K u op-amp on umbes 20dB/dets.
Seda on mugav kasutada op-amp seadmete stabiilsuse kriteeriumina Bode kriteerium , mis on sõnastatud järgmiselt: "Tagasisideahelaga võimendi on stabiilne, kui selle võimenduse sirgjoon detsibellides ületab LFC-d 20 dB / dets. Seega võime järeldada, et operatsioonivõimendi sageduse korrigeerimise ahelad peavad tagama summutuskiiruse K U inv(K U mitteinv) kõrgsagedusel umbes 20 dB/dets.
Sageduse korrigeerimise ahelad võivad olla ehitatud pooljuhtkristalli sisse või luua väliste elementide abil. Lihtsaim sageduse korrigeerimise ahel viiakse läbi, ühendades operatiivvõimendi väljundiga piisavalt suure väärtusega kondensaatori Ccor. On vaja, et ajakonstant τ tuum=R välja C kor oli suurem kui 1/2π f sisse. Sel juhul muudetakse operatiivvõimendi väljundis olevad kõrgsageduslikud signaalid C-südamikuks ja töösagedusriba kitseneb, enamik neist üsna märkimisväärselt, mis on seda tüüpi korrektsiooni oluline puudus. Sel juhul saadud LFC on näidatud joonisel 6.16.
Joonis 6.16. Sageduse korrigeerimine välise kondensaatoriga
Majanduslangus K u op-amp siin ei ületa see 20 dB/dec ja operatsioonivõimendi ise on OOS-i kasutuselevõtuga stabiilne, kuna φ ei ületa kunagi 135°.
Integreerivate (lagiparandus) ja diferentseerivate (täiustatud parandus) tüüpide parandusahelad on arenenumad. Üldiselt avaldub integreeriv tüüpi korrektsioon sarnaselt korrigeeriva (koormus)mahtuvuse toimele. Korrigeeriv RC-ahel on ühendatud operatsioonivõimendi astmete vahele (joonis 6.17).
Joonis 6.17. Integreeriv tüüpi sageduse korrigeerimine
Takisti R 1 on op-amp astme sisendtakistus ja parandusahel ise sisaldab R-südamikku ja C-südamikku. Selle vooluahela ajakonstant peab olema suurem kui mis tahes operatsioonivõimendi astme ajakonstant. Kuna parandusahel on kõige lihtsam ühelüliline RC-ahel, siis selle LFC kalle on 20 dB/dec, mis tagab võimendi stabiilse töö. Ja sel juhul ahendab parandusahel võimendi töösagedusriba, aga lai riba ei anna ikkagi midagi, kui võimendi on ebastabiilne.
Suhteliselt laia ribaga op-võimendi stabiilne töö on tagatud diferentsiaal-tüüpi korrektsiooniga. Selle LFC ja LPFC korrigeerimise meetodi olemus seisneb selles, et RF-signaalid liiguvad operatiivvõimendi sees, möödudes osast kaskaadidest (või elementidest), mis tagavad maksimaalse. K u Op-amp 0, neid ei võimendata ega faasi viivitata. Selle tulemusena võimendatakse RF-signaale vähem, kuid nende väike faasinihe ei too kaasa võimendi stabiilsuse kaotust. Diferentsiaal-tüüpi korrektsiooni rakendamiseks ühendatakse operatsioonivõimendi spetsiaalsete klemmidega paranduskondensaator (joonis 6.18).
Joonis 6.18. Diferentsiaaltüüpi sageduse korrigeerimine
Lisaks vaadeldavatele parandusahelatele on teada ka teisi (vt näiteks). Parandusskeemide ja nende elementide väärtuste valimisel peaksite viitama viitekirjandusele (näiteks).
