اوه متعادل کننده تقویت کننده های عملیاتی برای مبتدیان. تقویت کننده های عملیاتی ترانزیستور

من اغلب اولین آشنایی خود را با یک تقویت کننده عملیاتی (op-amp) به یاد می آورم. همیشه می دانستم که این مثلث های مرموز روی نمودارها برای من در زندگی مفید خواهند بود. با این حال، شب های طولانی بی خوابی که صرف مطالعه اصل کار آنها شد، به هیچ نتیجه ای منجر نشد. مقالات زیادی در مورد این موضوع وجود دارد، اما به نظر من اصول اولیه واضح نیست. من سعی خواهم کرد کمی از طرف دیگر نزدیک شوم و اسرار وحشتناک سیستم عامل را از بین ببرم.

بیایید سعی کنیم بفهمیم که تقویت کننده عملیاتی ما چه "عملیاتی" را تقویت می کند.

مشکل: منبع سیگنالی مانند سیگنال میکروفون یا پیکاپ گیتار وجود دارد. اگر میکروفون مستقیماً به هدفون وصل شود، به احتمال زیاد چیزی نخواهید شنید، در بهترین حالت صدایی به سختی قابل درک خواهد بود.

تصور کنید به جای میکروفون، شخصی که سعی می کند یک تخته سنگی را بلند کند، البته نمی تواند این کار را انجام دهد، همانطور که میکروفون قادر به تکان دادن بلندگو نیست. اما اگر این فرد از نیروی کمی برای کار با جرثقیل استفاده کند، در این صورت قادر خواهد بود هر باری را در حد ظرفیت جرثقیل بلند کند. آن ها جرثقیل در این مورد تقویت کننده. آنالوگ ظرفیت بالابری جرثقیل قدرت تقویت کننده است. معنای سود باید از تصویر مشخص باشد. فرکانس و شکل موج ثابت می ماند، فقط دامنه تغییر می کند.

اکنون می دانیم که برای شنیدن صدا از بلندگوها به یک آمپلی فایر نیاز است. در حالی که نمی دانیم چگونه کار می کند و چه چیزی در داخل آن وجود دارد، با این حال، از قبل می دانیم که باید پایه هایی وجود داشته باشد که سیگنال به آنها اعمال می شود، که می خواهیم Uin را تقویت کنیم، و همچنین پایه هایی که سیگنال تقویت شده Uout از آنها حذف می شود. .

سوال این است که سیگنال را با چه ولتاژی می توان تقویت کرد؟ شما خواهید گفت: "من می خواهم 220 ولت را به 1000000 ولت تقویت کنم"، اما این امکان پذیر نیست، چرا؟ زیرا سیگنال اصلی توسط یک منبع خارجی تقویت می شود. منبع خارجی ولتاژ تغذیه op-amp خواهد بود. به طور مشابه، جرثقیل نمی تواند باری را بالاتر از ارتفاع خود بلند کند (ما موافقیم که نمی تواند :)). بنابراین، ولتاژ در خروجی آپ امپ نمی تواند از ولتاژ تغذیه تجاوز کند. در واقع، حتی کمی کمتر از ولتاژ تغذیه است. به عنوان مثال، برای LM324، ولتاژ تغذیه از 3 تا 32 ولت است.

اکنون می دانیم که op-amp به نیروی خارجی نیاز دارد، بیایید این پایه ها را ترسیم کنیم

به هر حال، ما به این واقعیت عادت کرده ایم که منبع تغذیه ما تک قطبی + 5 ولت و زمین است. در اینجا یک نکته ظریف وجود دارد، اگر می خواهید سیگنالی را تقویت کنید که مقادیر منفی دارد،

سپس باید به -Upit، یعنی منبع ولتاژ منفی و نه به زمین وصل شوید. اگر زمین را وصل کنید، معلوم می شود که هیچ منبع ولتاژی وجود ندارد و بخش "پایین" (منفی) سیگنال تقویت نمی شود، یعنی. بخشی از سیگنال "قطع" خواهد شد، در این مثال بیشتر در این مورد است.

به طور مشابه، اگر سیگنال بیشتر از ولتاژ تغذیه تقویت شود، در آن مکان‌هایی که سیگنال از ولتاژ تغذیه تجاوز می‌کند، سیگنال "قطع" می‌شود، یعنی. به جای یک سینوسی، چیزی شبیه به این خواهیم دید

سوال اصلی این است که چگونه سود را تنظیم کنیم؟ بسیار ساده - یک تقسیم کننده ولتاژ. اما ابتدا، اجازه دهید به نمادهای واقعی تر برویم. هر آپ امپ حداقل 5 پایه دارد - 2 توان، که در بالا ذکر شد، یک ورودی معکوس (-)، یک ورودی غیر معکوس (+) و یک خروجی.

بنابراین، بسته به اینکه سیگنال اصلی به کدام ورودی اعمال می شود، دو نوع سوئیچینگ متمایز می شود: تقویت کننده غیر معکوس

بهره که برابر با K=(R4/R3)+1 است. در این حالت K=4. در این حالت شکل موج خروجی تغییر نمی کند.

و معکوس، با بهره K=-(R2/R1). برای این طرح K=3. سیگنال خروجی با ورودی هم فاز خواهد بود.

از حرف به عمل برویم. یک پیچ و خم با فرکانس 1 کیلوهرتز به عنوان سیگنال اولیه در نظر گرفته شد. سیگنال دارای مقادیر مثبت و منفی است (وسط صفحه 0 است). دامنه سیگنال 50 میلی ولت

من op-amp (L324) را طبق طرح یک تقویت کننده غیر معکوس وصل می کنم. غذا تک قطبی است. در خروجی op-amp سیگنالی به همان شکل اما با دامنه بزرگتر. احتمالاً کاملاً مشخص نیست که چرا سیگنال چنین دامنه ای دارد و چرا به سمت بالا جابجا شده است.

بیایید سعی کنیم آن را بفهمیم. دامنه سیگنال اصلی 50mV، R4=30k، R3=10k است، ما به فرمول 50*(30/10+1)=200mV، بسیار شبیه به آنچه در اسیلوسکوپ دیده می شود، جایگزین می کنیم. چرا سیگنال بالا رفت؟ مضرات توان تک قطبی را به یاد بیاورید، هر چیزی کمتر از 0 را نمی توان تقویت کرد، بنابراین سیگنال در 0 قطع می شود.

حال تصور کنید که اگر یک منبع ولتاژ منفی به پایه پاور مثلاً 5 ولت وصل شود، دامنه سیگنال دو برابر می شود. بنابراین، حجم نیز به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

در واقع، این یک مقدمه کوچک است، قبل از شروع مطالعه OU، همه موارد بالا فقط یک قطره در اقیانوس است، اگر دوست داشتید، بنویسید، ما به تدریج به سایر برنامه های OU، از جمله، تسلط خواهیم یافت. و طرح های عملی

عنصر فعال اصلی مدارهای آنالوگ مدرن یک تقویت کننده عملیاتی است - یک مدار پیچیده ساخته شده در یک طراحی یکپارچه (یعنی یک مدار مجتمع). اصطلاح "تقویت کننده عملیاتی" (به اختصار op-amp) از لحاظ تاریخی به رایانه های آنالوگ لوله ای (AVM) برمی گردد - دستگاه هایی که نمایش برخی از فرآیندهای غیر الکتریکی را به عنوان تغییر در زمان کمیت های الکتریکی (جریان ها، ولتاژها) ممکن می کنند. به عبارت دیگر، "عملیات" بر روی جریان و ولتاژ در AVM انجام می شود. اجزای اصلی AVM تقویت کننده هایی هستند که ضرایب انتقال آنها را می توان به سرعت در حین کار تغییر داد (با استفاده از جامپرها و پتانسیومترها). این تقویت کننده ها بودند که برای اولین بار نام "عملیاتی" را دریافت کردند.

زمینه کاربرد OU اکنون به طور قابل توجهی گسترش یافته است.

تکنولوژی ساخت آنها نیز تغییر کرده است. با این حال، مزیت اصلی حفظ شده است - توانایی تغییر سریع و بدون هزینه های بالا نه تنها بهره تقویت کننده، بلکه به طور کلی تغییر هدف و عملکرد مدار الکترونیکی. به عنوان یک قاعده، یک تقویت کننده معمولی در ترکیب با دو یا سه عنصر اضافی استفاده می شود: مقاومت ها، ظرفیت ها، دیودها، و غیره. ماهیت اتصال این عناصر اضافی، همانطور که در این بخش نشان داده خواهد شد، ویژگی های اساسی را تعیین می کند. مدار الکترونیکی حاصل تغییر تنها یک عنصر به طور چشمگیری عملکرد و هدف مدار را تغییر می دهد.

روی نمودارها، در کنار شکل نشان دهنده سیستم عامل، معمولا حروف را قرار می دهند DA، که مربوط به یک ریزمدار آنالوگ است (برخلاف یک ریزمدار دیجیتال، به عنوان مثال، "گسسته"، که دارای یک علامت است. DD). تقویت کننده های عملیاتی (ریزمدار) تولید شده توسط صنعت فدراسیون روسیه سری (سری 140، سری 544 و غیره) هستند. نشانه ای که نوعی ریزمدار یک آپ امپ است، حروف UD (کمتر - UT) است، به عنوان مثال، 140UD8A. یک بلوک دیاگرام ساده شده از چنین op-amp در شکل نشان داده شده است. 5.2. همانطور که از شکل مشخص است، چهار بلوک اصلی در مدار وجود دارد: یک تقویت کننده دیفرانسیل DU (1)، یک تقویت کننده خطی LU (2)، یک تقویت کننده محدود کننده UO (3) و یک دنبال کننده امیتر EP (4). ریموت کنترل تفاوت دو سیگنال ورودی به ورودی های غیر معکوس و معکوس op-amp را تقویت می کند (به ترتیب،
و
). LU از چندین مرحله تقویت کننده تشکیل شده است و سود کلی زیادی دارد. وجود UO امکان استفاده از OA را به عنوان مبدل شکل سیگنال می دهد و دامنه کاربرد آنها را گسترش می دهد. بلوک ترمینال op-amp - یک دنبال کننده امیتر - عملکرد یک ترانسفورماتور مقاومتی را انجام می دهد و مقدار امپدانس خروجی op-amp را تعیین می کند. آرشما x . معمولا آرشما x دارای ترتیب واحدهای کیلو اهم است، برای انواع مختلف آپ امپ - صدها اهم. بدون مقدار EP آرشما x بزرگتر خواهد بود: بنابراین، به دلیل وجود یک ED، آپ امپ با یک بار با مقاومت کم از شنت محافظت می شود.

پارامترها و ویژگی های اساسی سیستم عاملمانند هر تقویت کننده، پارامترهای مهم برای یک آپ امپ عبارتند از مشخصه دامنه (انتقال)، بهره، مشخصه دامنه فرکانس (AFC)، مشخصه فرکانس فاز (PFC) و همچنین مقاومت های ورودی و خروجی. بدیهی است، از آنجایی که op-amp دارای دو ورودی است، پس هر یک از پارامترهای ذکر شده، به جز آر out، باید برای موردی که سیگنال تقویت شده به ورودی معکوس تغذیه می شود (با سوئیچینگ معکوس) و برای موردی که از ورودی غیر معکوس استفاده می شود (با سوئیچینگ غیر معکوس) در نظر گرفته شود. مجموعه پارامترهای بالا تقویت کننده را در حالت خطی، یعنی با یک سیگنال "کوچک" مشخص می کند. اگر هنگامی که سیگنال از op-amp عبور می کند، شکل آن به دلیل اعوجاج های غیر خطی تغییر می کند، باید از پارامترهای دیگری استفاده کنید که سیگنال خروجی را به عنوان یک پالس توصیف می کند. اینها سرعت حرکت سیگنال خروجی، دامنه پالس ها، شکل جلوی پالس و مدت زمان آن است. پارامترهای Op-amp برای سیگنال های "کوچک" و "بزرگ" ارتباط نزدیکی دارند، زیرا به تقویت کننده یکسانی اشاره می کنند. پارامترها و ویژگی های اصلی سیستم عامل را در نظر بگیرید.

1. مشخصه انتقال OU - وابستگی دامنه سیگنال خروجی Uخارج از دامنه سیگنال ورودی

به تفاوت روش‌های اندازه‌گیری اشاره کنید: در تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری و لوله، معمولاً یک سیگنال ثابت تقویت نمی‌شود و مشخصه دامنه در فرکانس سیگنال گرفته می‌شود. f  0. برعکس، در op-amp سعی می کنند مشخصه انتقال را در اندازه گیری کنند f = 0. با توجه به در نظر گرفتن اخیر، مشخصه انتقال در هر دو قطب اندازه گیری می شود Uورودی

مشخصات انتقال آپمپ در حالت عادی در شکل نشان داده شده است. 5.3. در اینجا 1 مشخصه انتقال زمانی است که سیگنال ورودی به ورودی غیر معکوس اعمال شود ( Uدر x =
) 2 - در هنگام اعمال به ورودی معکوس یکسان است ( Uدر x =
). طرح - Uدر x حداکثر< Uدر x< < Uدر x max مربوط به تقویت خطی، در | Uدر x | > Uدر x max اعوجاج غیر خطی وجود دارد، سیگنال "از بالا" محدود است. تقریباً می توانیم فرض کنیم که سطوح محدودیت برابر با + است Eو - E، آ Uدر x حداکثر = E/به، جایی که بهسود OA است.

2. کسب کردن OU بهمی توان با شیب مقطع خطی مشخصه انتقال تعیین کرد: از نظر کمی با مماس زاویه α برابر است (شکل 5.3). توجه داشته باشید که ویژگی های انتقال (شکل 5.3) کیفی هستند: با در نظر گرفتن مقادیر واقعی بهره، ویژگی های انتقال نمونه های صنعتی سیستم عامل دارای مقاطع خطی تقریبا عمودی هستند.

3. مشخصه دامنه فرکانس.در تقویت‌کننده‌های عملیاتی، در اکثریت قریب به اتفاق نمونه‌ها، ویژگی‌ها برای اجزای معکوس و غیر معکوس یکسان است (به عنوان مثال، ضرایب بهره برای هر دو شمول در مقدار مطلق برابر است). هویت ویژگی های op-amp برای اجزاء مختلف به ما این امکان را می دهد که نه دو، بلکه یک پاسخ فرکانسی واحد (و همچنین پاسخ فاز) را در نظر بگیریم. پاسخ فرکانسی یک آپ امپ معمولی در شکل نشان داده شده است. 5.4.

تقویت کننده عملیاتیتقویت کننده ولتاژ الکترونیکی با بهره بالا است که ورودی دیفرانسیل و معمولاً یک خروجی دارد. ولتاژ خروجی می تواند صدها یا حتی هزاران بار از اختلاف ولتاژ ورودی ها بیشتر شود.

تقویت‌کننده‌های عملیاتی از رایانه‌های آنالوگ سرچشمه می‌گیرند، جایی که در بسیاری از مدارهای خطی، غیر خطی و وابسته به فرکانس مورد استفاده قرار می‌گیرند. عملکرد مدارهای آپ امپ تنها توسط اجزای خارجی و با وابستگی یا تغییرات اندک دما در طول ساخت تعیین می شود، که باعث می شود آپ امپ به یک عنصر بسیار محبوب در طراحی مدارهای الکترونیکی تبدیل شود.

تقویت کننده های عملیاتی محبوب ترین دستگاه ها در بین قطعات الکترونیکی مدرن هستند، آنها کاربرد خود را در لوازم الکترونیکی مصرفی، صنعت و در ابزارهای علمی پیدا می کنند. بسیاری از آی سی های Op-amp استاندارد فقط چند سنت قیمت دارند. اما برخی از آپ امپ های هیبریدی کم حجم یا یکپارچه با ویژگی های خاص می توانند بیش از صد دلار هزینه داشته باشند. تقویت کننده های عملیاتی معمولاً به عنوان اجزای جداگانه تولید می شوند، اما می توانند عناصر مدارهای الکترونیکی پیچیده تر نیز باشند.

تقویت کننده عملیاتی نوعی تقویت کننده دیفرانسیل است. انواع دیگر تقویت کننده های دیفرانسیل عبارتند از:

1. تقویت کننده کاملا دیفرانسیل (این دستگاه در اصل شبیه به یک تقویت کننده عملیاتی است، اما دو خروجی دارد).
2. تقویت کننده ابزار دقیق (معمولاً از سه تقویت کننده عملیاتی تشکیل شده است).
3. تقویت کننده ایزوله (این تقویت کننده شبیه تقویت کننده ابزار دقیق است، اما آنقدر ولتاژ بالا را تحمل می کند که می تواند یک تقویت کننده عملیاتی معمولی را از بین ببرد).
4. تقویت کننده فیدبک منفی (معمولاً شامل یک یا دو تقویت کننده عملیاتی و یک مدار بازخورد مقاومتی است).

پایانه های منبع تغذیه (V S+ و V S-) را می توان به طور متفاوتی برچسب گذاری کرد. علیرغم نامگذاری متفاوت، عملکرد آنها یکسان باقی می ماند - ارائه انرژی اضافی برای تقویت سیگنال. اغلب، این نتیجه‌گیری‌ها روی نمودارها نشان داده نمی‌شوند تا ترسیم را به هم نریزند، و حضور آنها یا به طور جداگانه نشان داده می‌شود یا باید از نمودار واضح باشد.

نامگذاری در نمودار

اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد

ورودی های دیفرانسیل یک تقویت کننده از دو خروجی - V + و V - تشکیل شده است، یک تقویت کننده عملیاتی ایده آل فقط اختلاف ولتاژ بین این دو ورودی را تقویت می کند، این تفاوت ولتاژ ورودی دیفرانسیل نامیده می شود. ولتاژ در خروجی تقویت کننده عملیاتی با فرمول تعیین می شود

خروجی V / OL (V + - V -)

که در آن V+ ولتاژ در ورودی غیر معکوس (مستقیم)، V- ولتاژ ورودی معکوس (معکوس) و A OL بهره تقویت کننده با بازخورد حلقه باز است (یعنی هیچ بازخوردی از ورودی وجود ندارد. خروجی به ورودی).

تقویت کننده عملیاتی بدون بازخورد منفی (مقایسه کننده)

مقدار بهره تراشه های op-amp معمولاً بزرگ است - 100000 یا بیشتر، بنابراین، اختلاف ولتاژ نسبتاً کمی بین ورودی های V + و V - منجر به ولتاژ تقریباً برابر با ولتاژ تغذیه در خروجی تقویت کننده می شود. نامیده می شود اشباعتقویت کننده مقدار بهره A OL دارای گسترش تکنولوژیکی است، بنابراین نباید از یک تقویت کننده عملیاتی به عنوان تقویت کننده دیفرانسیل استفاده کنید، توصیه می شود از مدار سه تقویت کننده استفاده کنید. بدون بازخورد منفی و احتمالاً با بازخورد مثبت، op-amp به عنوان یک مقایسه عمل می کند. اگر ورودی معکوس مستقیماً یا از طریق یک مقاومت به یک سیم مشترک (پتانسیل صفر) وصل شود و ولتاژ V اعمال شده به ورودی غیر معکوس مثبت باشد، ولتاژ خروجی حداکثر مثبت خواهد بود. اگر ولتاژ منفی V را به ورودی وارد کنید، ولتاژ خروجی تا حد امکان منفی خواهد بود. از آنجایی که هیچ بازخوردی از خروجی به ورودی ها وجود ندارد، پس چنین مدار بازخورد حلقه باز به عنوان مقایسه کننده عمل می کند، بهره مدار برابر با بهره تقویت کننده عملیاتی A OL خواهد بود.

تقویت کننده عملیاتی بازخورد منفی (تقویت کننده غیر معکوس)

برای اینکه عملکرد تقویت کننده عملیاتی قابل پیش بینی باشد، از بازخورد منفی استفاده می شود که با اعمال بخشی از ولتاژ از خروجی تقویت کننده به ورودی معکوس آن ایجاد می شود. این حلقه بازخورد بسته به طور قابل توجهی بهره تقویت کننده را کاهش می دهد. هنگام استفاده از بازخورد منفی، بهره کلی مدار بسیار بیشتر به پارامترهای مدار بازخورد بستگی دارد تا به پارامترهای تقویت کننده عملیاتی. اگر مدار بازخورد حاوی اجزایی با پارامترهای نسبتاً پایدار باشد، تغییرات در پارامترهای تقویت کننده عملیاتی به طور قابل توجهی بر ویژگی های مدار تأثیر نمی گذارد. مشخصه انتقال یک مدار آپ امپ به صورت ریاضی توسط تابع انتقال تعیین می شود. طراحی مدارهایی با تابع انتقال داده شده با تقویت کننده های عملیاتی متعلق به حوزه الکترونیک رادیویی است. تابع انتقال عامل مهمی در بیشتر مدارهایی است که از آپ امپ استفاده می کنند، مانند کامپیوترهای آنالوگ. امپدانس ورودی بالای ورودی ها و امپدانس خروجی پایین خروجی نیز از ویژگی های مفید آپ امپ می باشد.

به عنوان مثال، اگر بازخورد منفی با استفاده از تقسیم کننده ولتاژ Rf, Rg به یک تقویت کننده غیر معکوس اضافه شود (شکل سمت راست را ببینید)، آنگاه بهره مدار کاهش می یابد. هنگامی که ولتاژ خروجی V برای تغییر ولتاژ ورودی معکوس به ولتاژ V در کافی باشد، تعادل برقرار می شود. بهره کل مدار با فرمول 1 + R f / R g تعیین می شود. به عنوان مثال، اگر ولتاژ V در \u003d 1 ولت، و مقاومت های Rf و Rg یکسان باشند (R f \u003d Rg)، در این صورت ولتاژ 2 ولت در خروجی V وجود خواهد داشت، مقدار این ولتاژ فقط کافی است تا اطمینان حاصل شود که ورودی معکوس V - یک ولتاژ 1 ولت دریافت شده است. از آنجایی که مقاومت های Rf و Rg یک مدار بازخورد متصل از خروجی به ورودی را تشکیل می دهند، مداری با یک حلقه بازخورد بسته به دست می آید. بهره کلی مدار V out / V in را بهره حلقه بسته A CL می نامند. از آنجایی که بازخورد منفی است، در این مورد A CL< A OL .

می‌توانیم با دو پیش‌فرض به آن به شکل دیگری نگاه کنیم:
اول اینکه، هنگامی که یک آپمپ در حالت خطی کار می کند، اختلاف ولتاژ بین پایانه های غیر معکوس (+) و معکوس (-) آن به قدری کم است که می توان از آن صرف نظر کرد.
ثانیا، امپدانس ورودی هر دو ورودی (+) و (-) را بسیار بالا در نظر می گیریم (چند مگا اهم برای تقویت کننده های عملیاتی مدرن).
بنابراین، هنگامی که مدار نشان داده شده در شکل سمت راست به عنوان یک تقویت کننده خطی غیر معکوس عمل می کند، ولتاژ V در ورودی های (+) و (-) به یک جریان منجر می شود. من, جریان از طریق مقاومت R g , مقدار V در /R g . با توجه به قانون کیرشهوف که بیان می کند مجموع جریان های وارد شده به یک گره برابر است با مجموع جریان های خارج شده از این گره و از آنجایی که مقاومت ورودی (-) تقریباً بی نهایت است، می توان فرض کرد که تقریباً همه از جریان منبا عبور از مقاومت Rf ، ولتاژ خروجی برابر با V در + i * R f ایجاد می کند. با جایگزینی اصطلاحات موجود در فرمول، به راحتی می توان بهره این نوع مدار را تعیین کرد.

i = V در / R g

V خارج = V در + i * R f = V در + (V در / R g * R f) = V در + (V در * R f) / R g = V در * (1+ R f / R g )

G = V خارج / V در

G = 1 + Rf / Rg

مشخصات تقویت کننده های عملیاتی

تقویت کننده عملیاتی ایده آل

مدار معادل یک تقویت کننده عملیاتی که در آن برخی از پارامترهای مقاومتی غیر ایده آل مدل شده اند.

یک تقویت کننده عملیاتی ایده آل می تواند در هر ولتاژ ورودی کار کند و دارای ویژگی های زیر است:

• بهره حلقه باز بی نهایت است (در تحلیل نظری، بهره حلقه باز A OL به بی نهایت تمایل دارد).
• محدوده ولتاژ خروجی V out برابر با بی نهایت است (در عمل، محدوده ولتاژهای خروجی با مقدار ولتاژ تغذیه Vs+ و Vs- محدود می شود).
• پهنای باند بی نهایت گسترده (یعنی پاسخ فرکانسی کاملاً مسطح با تغییر فاز صفر است).
• مقاومت ورودی بی نهایت بزرگ (R در = ∞، هیچ جریانی از V + به V - جریان نمی یابد).
• جریان ورودی صفر (یعنی هیچ نشتی یا جریان بایاس فرض نمی شود).
• ولتاژ بایاس صفر، یعنی هنگامی که ورودی ها به هم متصل هستند V + = V - ، آنگاه یک صفر مجازی در خروجی وجود دارد (V out = 0).
• نرخ چرخش ولتاژ خروجی بی نهایت بالا (یعنی سرعت تغییر ولتاژ خروجی محدود نیست) و ظرفیت بی نهایت بزرگ (ولتاژ و جریان در همه فرکانس ها محدود نمی شود).
• مقاومت خروجی صفر (R out = 0، بنابراین ولتاژ خروجی با تغییر جریان خروجی تغییر نمی کند).
• بدون نویز ذاتی
• درجه بی نهایت بالایی از رد حالت مشترک.
• درجه بی نهایت بالای سرکوب امواج ولتاژ تغذیه.

این خواص به دو "قانون طلایی" خلاصه می شود:

1. خروجی تقویت کننده عملیاتی اطمینان حاصل می کند که اختلاف بین ولتاژهای ورودی صفر می شود.
2. هر دو ورودی op-amp جریانی نمی کشند.

قانون اول در مورد یک آپ امپ در یک حلقه بازخورد منفی بسته اعمال می شود. این قوانین معمولاً برای تحلیل و طراحی مدارهایی با تقویت کننده های عملیاتی در تقریب اول اعمال می شوند.

در عمل، هیچ یک از خواص ایده آل را نمی توان به طور کامل به دست آورد، بنابراین باید مصالحه های مختلفی انجام شود. بسته به پارامترهای مورد نظر، هنگام مدل‌سازی یک تقویت‌کننده عملیاتی واقعی، با استفاده از مدارهای معادل مقاومت‌ها و خازن‌ها در مدل آن، برخی موارد غیر ایده‌آل در نظر گرفته می‌شود. طراح می تواند این اثرات نامطلوب اما واقعی را در مشخصات کلی مدار طراحی شده بگنجاند. تأثیر برخی از پارامترها ممکن است ناچیز باشد، در حالی که سایر پارامترها ممکن است محدودیتی را بر ویژگی های کلی مدار تحمیل کنند.

تقویت کننده عملیاتی واقعی

بر خلاف ایده آل، تقویت کننده عملیاتی واقعی پارامترهای مختلف را ایده آل نیست.

پارامترهای غیر ایده آل برای جریان مستقیم

پارامترهای غیر ایده آل برای جریان متناوب

بهره آپ امپ محاسبه شده از DC برای فرکانس های بالا قابل استفاده نیست. هنگام طراحی مدارهای op-amp برای عملکرد فرکانس بالا، ملاحظات پیچیده تری باید در نظر گرفته شود.

• ثبات.اختلاف فاز بین سیگنال ورودی و خروجی به محدودیت پهنای باند مربوط می شود، بنابراین در برخی مدارهای بازخورد می تواند منجر به خود تحریکی شود. به عنوان مثال، اگر یک سیگنال سینوسی در خروجی، که باید خارج از فاز با سیگنال ورودی اضافه شود، 180 درجه تاخیر داشته باشد، آنگاه با سیگنال ورودی در فاز اضافه می شود، به عنوان مثال. یک بازخورد مثبت شکل می گیرد. در این موارد، حلقه فیدبک را می توان با اعمال یک مدار جبران فرکانس تثبیت کرد که باعث افزایش بهره یا تغییر فاز در هنگام باز بودن حلقه بازخورد می شود. این جبران را می توان با استفاده از اجزای خارجی اجرا کرد. همچنین، این جبران‌سازی را می‌توان با افزودن یک قطب غالب که بهره را در فرکانس‌های بالا به اندازه کافی کاهش می‌دهد، در داخل op-amp پیاده‌سازی کرد. محل این قطب را می توان به صورت داخلی توسط سازنده تراشه تنظیم کرد یا با استفاده از روش های خاصی برای هر آپ امپ تنظیم کرد. به طور معمول، قطب غالب پهنای باند آپ امپ را بیشتر کاهش می دهد. هنگامی که بهره حلقه بسته بالا مورد نیاز است، جبران فرکانس اغلب مورد نیاز نیست زیرا بهره حلقه باز مورد نیاز بسیار کم است. بنابراین می توان از آپ امپ با پهنای باند بالاتر در مدارهایی با بهره حلقه بسته بالا استفاده کرد.
• نویز، اعوجاج، و اثرات دیگر.کاهش پهنای باند همچنین باعث کاهش بهره حلقه بازخورد در فرکانس های بالا می شود که منجر به افزایش اعوجاج، نویز، امپدانس خروجی می شود و همچنین خطی بودن فاز سیگنال خروجی را با افزایش فرکانس کاهش می دهد.

پارامترهای غیر خطی

• اگر از منبع تغذیه دوقطبی استفاده می شود، با بهره ولتاژ بالا، سیگنال باید به گونه ای تقویت شود که دامنه آن باید از ولتاژ تغذیه مثبت تجاوز کند یا کمتر از ولتاژ منبع تغذیه منفی باشد، که امکان پذیر نیست، زیرا ولتاژ خروجی نمی تواند فراتر از این محدودیت ها بروید
• هنگام استفاده از یک منبع تغذیه، یا همان چیزی که هنگام استفاده از منبع تغذیه دوقطبی رخ می دهد، می تواند اتفاق بیفتد، یا سیگنال ورودی می تواند ولتاژ کمی نسبت به زمین داشته باشد که بهره تقویت کننده برای بالا بردن آن از آستانه پایین تر کافی نباشد.

محدودیت جریان و ولتاژ

هنگامی که امپدانس ورودی و جریان های بایاس ورودی مهم هستند، آپ امپدانس های مدرن FET و MOSFET از نظر عملکرد بسیار به آپ امپ ایده آل نسبت به مدل های ترانزیستور دوقطبی نزدیک تر می شوند. هنگامی که به ولتاژ آفست ورودی کمتر و اغلب کف نویز کمتری نیاز است، از آپ امپ BJT استفاده می شود. آمپرهای FET و MOSFET، در مدارهای با پهنای باند محدود که در دمای اتاق کار می کنند، عموما عملکرد بهتری دارند.

اگرچه طراحی مدل‌های تراشه‌های مختلف از تولیدکنندگان مختلف ممکن است متفاوت باشد، اما همه آپ‌آمپ‌ها اساساً ساختار داخلی یکسانی دارند که شامل سه مرحله است:

1. تقویت کننده دیفرانسیل - طراحی شده برای تقویت سیگنال، دارای سطح کم خود نویز، امپدانس ورودی بالا و معمولا یک خروجی دیفرانسیل است.
2. تقویت کننده ولتاژ - تقویت سیگنال ولتاژ بالا را ارائه می دهد، دارای یک پاسخ فرکانس رول آف تک قطبی است و معمولاً دارای یک خروجی است.
3. تقویت کننده خروجی - ظرفیت بار بالا، امپدانس خروجی کم، محدودیت جریان و حفاظت از اتصال کوتاه را ارائه می دهد.

IC های Op-amp معمولاً پیچیدگی متوسطی دارند. یک مثال معمولی تراشه تقویت کننده عملیاتی گسترده 741 (آنالوگ شوروی K140UD7 است) که توسط Fairchild Semiconductor پس از مدل قبلی LM301 توسعه یافته است. معماری پایه آمپلی فایر 741 همانند مدل 301 است.

مرحله ورودی

به عنوان یک مرحله ورودی، از تقویت کننده دیفرانسیل با مدار بایاس پیچیده استفاده می شود که بار فعال آن یک آینه جریان است.

تقویت کننده دیفرانسیل

تقویت کننده دیفرانسیل بر روی یک آبشار دو مرحله ای اجرا می شود که الزامات متضاد را برآورده می کند. مرحله اول شامل دنبال کننده های امیتر n-p-n در ترانزیستورهای Q1 و Q2 است که به شما امکان می دهد امپدانس ورودی بالایی دریافت کنید. مرحله دوم مبتنی بر ترانزیستورهای p-n-p Q3 و Q4 است که طبق یک مدار پایه مشترک متصل شده است، که به شما امکان می دهد از اثرات مضر اثر میلر خلاص شوید، سطح ولتاژ را پایین بیاورید و افزایش ولتاژ کافی برای مرحله بعدی فراهم کنید - تقویت کننده کلاس "A". استفاده از ترانزیستورهای p-n-p همچنین به افزایش ولتاژ شکست Vbe کمک می کند (ترانزیستورهای n-p-n پایه امیتر Q1 و Q2 دارای ولتاژ شکست حدود 7 ولت هستند و ولتاژ شکست ترانزیستورهای p-n-p Q3 و Q4 حدود 50 ولت است).

زنجیر تعصب

امیترهای یک مرحله دیفرانسیل کلاسیک با کوپلینگ امیتر با یک ولتاژ بایاس از یک منبع جریان پایدار تامین می شوند. مدار بازخورد منفی ترانزیستورها را وادار می کند تا به عنوان تنظیم کننده ولتاژ عمل کنند و آنها را مجبور به تغییر ولتاژ Vbe می کند تا جریان بتواند از طریق اتصال جمع کننده-امیتر عبور کند. در نتیجه، جریان ساکن مستقل از نسبت انتقال DC (β) ترانزیستورها می شود.

سیگنال های امیترهای ترانزیستورهای Q1، Q2 به فرستنده ترانزیستورهای Q3، Q4 تغذیه می شوند. کلکتورهای آنها جدا هستند و نمی توان از آنها برای تامین جریان ساکن از منبع جریان پایدار استفاده کرد، زیرا آنها خودشان به عنوان منبع جریان عمل می کنند. بنابراین، جریان ساکن را می توان تنها با اتصال آنها به یک منبع جریان به پایه ها اعمال کرد. برای اجتناب از وابستگی به ضریب انتقال DC ترانزیستورها، از بازخورد منفی استفاده می شود. برای انجام این کار، کل جریان ساکن توسط یک آینه جریان ساخته شده بر روی ترانزیستورهای Q8، Q9 منعکس می شود و سیگنال بازخورد منفی از کلکتور ترانزیستور Q9 گرفته می شود. این کار ترانزیستورهای Q1-Q4 را مجبور می کند تا ولتاژ پایه امیتر Vbe خود را تغییر دهند تا جریان ساکن مورد نیاز از آنها عبور کند. نتیجه همان اثر یک جفت کلاسیک ترانزیستورهای جفت شده با امیتر است - مقدار جریان ساکن مستقل از ضریب انتقال DC (β) ترانزیستورها می شود. این مدار یک جریان پایه با مقدار مورد نیاز، بسته به β، تولید می کند تا یک جریان کلکتور مستقل از β به دست آید. منبع تغذیه ولتاژ منفی معمولاً برای تولید جریان های بایاس پایه استفاده می شود. این جریان‌ها از حالت مشترک به پایه‌های ترانزیستور می‌روند، اما برای بدست آوردن بالاترین امپدانس ورودی ممکن، حلقه‌های بایاس پایه به صورت داخلی بین پایه و مشترک بسته نمی‌شوند، زیرا انتظار می‌رود این مدارها از طریق امپدانس خروجی سیگنال بسته شوند. منبع به زمین بنابراین منبع سیگنال باید به صورت گالوانیکی به یک سیم مشترک متصل شود تا جریان های بایاس بتوانند از آن عبور کنند و همچنین باید مقاومت به اندازه کافی کم (ده ها یا صدها کیلو اهم) داشته باشد تا افت ولتاژ قابل توجهی روی آن ایجاد نشود. در غیر این صورت، می توانید مقاومت ها را بین پایه های ترانزیستورهای Q1، Q2 و سیم مشترک وصل کنید.

مقدار جریان ساکن توسط یک مقاومت 39 کیلو اهم تنظیم می شود که برای هر دو آینه جریان Q12-Q13 و Q10-Q11 مشترک است. این جریان به عنوان مرجع برای سایر جریان های بایاس مدار استفاده می شود. ترانزیستورهای Q10، Q11 شکل می گیرند که در آن بخش کوچکی از جریان کلکتور I ref ترانزیستور Q10 از طریق یک مقاومت 5 کیلو اهم جریان می یابد. این جریان جمع کننده کوچک که از کلکتور ترانزیستور Q10 می گذرد، مرجع جریان پایه برای ترانزیستورهای Q3 و Q4 و همچنین برای کلکتور ترانزیستور Q9 است. با کمک بازخورد منفی، آینه جریان روی ترانزیستورهای Q8 و Q9 سعی می کند جریان کلکتور ترانزیستور Q9 را با جریان کلکتور ترانزیستورهای Q3 و Q4 برابر کند. ولتاژ کلکتور ترانزیستور Q9 تا زمانی تغییر می کند که نسبت جریان پایه ترانزیستورهای Q3 و Q4 به جریان کلکتور آنها برابر با β باشد. بنابراین، جریان پایه کل ترانزیستورهای Q3 و Q4 (این جریان از همان ترتیب جریان های ورودی میکرو مدار است) بخش کوچکی از جریان کم ترانزیستور Q10 است.

بنابراین، جریان ساکن توسط آینه جریان در ترانزیستورهای Q10، Q11 بدون استفاده از بازخورد منفی جریان تنظیم می شود. این بازخورد جریان فقط ولتاژ کلکتور ترانزیستور Q9 (و پایه ترانزیستورهای Q3, Q4) را تثبیت می کند. علاوه بر این، مدار بازخورد با تنظیم ولتاژ پایه ترانزیستورهای Q3، Q4 به طور دقیق 2 ولت کمتر از بالاترین هر دو ولتاژ ورودی، بقیه مدار را از سیگنال های حالت مشترک جدا می کند.

تقویت کننده دیفرانسیل تشکیل شده توسط ترانزیستورهای Q1-Q4 بر اساس یک آینه جریان بهبود یافته روی ترانزیستورهای Q5...Q7 به بار فعال متصل می شود که جریان سیگنال دیفرانسیل ورودی را به ولتاژ تبدیل می کند و در اینجا از هر دو سیگنال ورودی برای تشکیل استفاده می شود. این ولتاژ، که افزایش قابل توجهی در تقویت می دهد. این با اضافه کردن سیگنال های ورودی با استفاده از آینه های جریان حاصل می شود، در این حالت، کلکتور ترانزیستور Q5 به کلکتور ترانزیستور Q3 (خروجی سمت چپ تقویت کننده دیفرانسیل) و خروجی آینه جریان - کلکتور ترانزیستور متصل می شود. Q6 به خروجی سمت راست تقویت کننده دیفرانسیل - کلکتور ترانزیستور Q4 متصل است. ترانزیستور Q7 با کاهش جریان خروجی از ترانزیستور Q3 برای به حرکت درآوردن پایه های ترانزیستورهای Q5 و Q6، دقت آینه جریان را افزایش می دهد.

عملکرد تقویت کننده عملیاتی

حالت دیفرانسیل

ولتاژهای منابع سیگنال اعمال شده به ورودی ها از طریق دو زنجیره "دیود" تشکیل شده توسط اتصالات پایه-امیتر ترانزیستورهای Q1، Q3 و Q2، Q4 به محل اتصال پایه های ترانزیستورهای Q3، Q4 می گذرد. اگر ولتاژهای ورودی کمی تغییر کند (ولتاژ در یک ورودی افزایش و در دیگری کاهش می یابد)، ولتاژ در پایه های ترانزیستورهای Q3، Q4 به سختی تغییر می کند و کل جریان پایه بدون تغییر باقی می ماند. فقط یک توزیع مجدد جریان ها بین پایه های ترانزیستورهای Q3، Q4 وجود خواهد داشت، کل جریان ساکن ثابت باقی می ماند، جریان های کلکتور به همان نسبت جریان های پایه دوباره توزیع می شوند.

آینه جریان جریان کلکتور را معکوس می کند، سیگنال به پایه ترانزیستور Q4 باز می گردد. در محل اتصال ترانزیستورهای Q4 و Q6، جریان ترانزیستورهای Q3 و Q4 کم می شود. این جریان ها در این حالت (در مورد سیگنال دیفرانسیل) خارج از فاز هستند. بنابراین، در نتیجه کم کردن جریان ها، جریان ها جمع می شوند (ΔI - (-ΔI) = 2ΔI) و تبدیل سیگنال دو فاز به سیگنال تک فاز بدون تلفات اتفاق می افتد. در یک مدار حلقه باز، ولتاژ به دست آمده در محل اتصال ترانزیستورهای Q4 و Q6 با نتیجه تفریق جریان ها و مقاومت کل مدار تعیین می شود (مقاومت های کلکتور موازی ترانزیستورهای Q4 و Q6). از آنجایی که این مقاومت ها برای جریان های سیگنال بالا هستند (ترانزیستورهای Q4 و Q6 مانند ژنراتورهای جریان رفتار می کنند)، بهره این مرحله با یک حلقه بازخورد باز بسیار زیاد خواهد بود.

به عبارت دیگر می توان ترانزیستور Q6 را کپی از ترانزیستور Q3 در نظر گرفت و ترکیب ترانزیستورهای Q4 و Q6 را می توان به عنوان یک تقسیم کننده ولتاژ قابل تنظیم در نظر گرفت که از دو مقاومت کنترل شده با ولتاژ تشکیل شده است. برای ورودی‌های دیفرانسیل، مقاومت‌های این مقاومت‌ها در جهت‌های مخالف بسیار متفاوت خواهد بود، اما مقاومت کلی تقسیم‌کننده ولتاژ یکسان باقی می‌ماند (شبیه به یک پتانسیومتر تماسی متحرک). در نتیجه جریان تغییر نمی کند، اما یک تغییر شدید در ولتاژ در نقطه میانی وجود دارد. از آنجایی که مقاومت ها به طور مساوی اما در جهت مخالف تغییر می کنند، تغییر ولتاژ حاصل دو برابر تغییرات تک ولتاژ خواهد بود.

جریان پایه در ورودی ها صفر نیست و بنابراین امپدانس ورودی موثر آمپلی فایر 741 حدود 2 mΩ است. پین های "تنظیم صفر" را می توان برای اتصال مقاومت های خارجی به موازات مقاومت های داخلی 1 کیلو اهم استفاده کرد (معمولاً یک پتانسیومتر در اینجا وصل می شود) تا جریان ترانزیستورهای Q5، Q6 را متعادل کند، بنابراین به طور غیرمستقیم سیگنال خروجی را هنگامی که سیگنال های صفر اعمال می شود تنظیم می کند. ورودی ها

رد حالت رایج

اگر ولتاژهای ورودی به طور همزمان تغییر کنند، بازخورد منفی ولتاژ پایه ترانزیستورهای Q3، Q4 را مجبور می کند تا تغییرات ولتاژ ورودی را تکرار کند (با یک افست برابر با دو برابر افت ولتاژ در اتصالات پایه-امیتر ترانزیستورها). ترانزیستور خروجی Q10 آینه جریان Q10، Q11 کل جریان عبوری از ترانزیستورهای Q8، Q9 را ثابت و مستقل از تغییرات ولتاژ نگه می دارد. جریان کلکتور ترانزیستورهای Q3، Q4 و بر این اساس، ولتاژ خروجی در نقطه میانی بین ترانزیستورهای Q4 و Q6 بدون تغییر باقی می مانند.

حلقه بازخورد منفی بعدی به طور موثر امپدانس ورودی op-amp را در حالت رد حالت مشترک افزایش می دهد.

آبشار تقویت کننده که در کلاس "A" کار می کند

آبشار، ساخته شده بر روی ترانزیستورهای Q15، Q19 Q22، در کلاس "A" کار می کند. آینه جریان، ساخته شده بر روی ترانزیستورهای Q12، Q13، این مرحله را با جریانی پایدار، مستقل از تغییرات ولتاژ خروجی در محدوده وسیع تغذیه می کند. آبشار مبتنی بر دو ترانزیستور npn Q15 و Q19 است که ترانزیستور مرکب دارلینگتون را تشکیل می دهد که در کلکتور آن از بار دینامیکی به شکل منبع جریان برای بدست آوردن بهره بالا استفاده می شود. ترانزیستور Q22 با شنت کردن پایه ترانزیستور Q15، مرحله تقویت کننده را از اشباع محافظت می کند، یعنی مانند مدار بیکر عمل می کند.

خازن 30 pF در مرحله تقویت کننده، یک مدار بازخورد یکسان سازی انتخابی است که به آپ امپ اجازه می دهد در هنگام کار در مدارهای حلقه بسته تثبیت شود. این راه حل مدار "جبران میلر" نامیده می شود که اصل آن شبیه کار یک انتگرالگر روی یک تقویت کننده عملیاتی است. این طراحی مدار به عنوان "اصلاح قطب غالب" نیز شناخته می شود زیرا یک قطب غالب به پاسخ فرکانسی وارد می شود که وقتی حلقه بازخورد باز است، قطب های دیگر در پاسخ فرکانسی را سرکوب می کند. فرکانس این قطب در تقویت کننده 741 می تواند کمتر از 10 هرتز باشد و در این فرکانس قطب تضعیف -3 دسی بل را در پاسخ فرکانسی حلقه باز وارد می کند. استفاده از این جبران داخلی برای به دست آوردن پایداری مطلق تقویت کننده هنگام کار با بازخورد منفی غیر واکنشی در مواردی که بهره تقویت کننده عملیاتی بزرگتر یا مساوی با واحد باشد، ضروری است. بنابراین، برای اطمینان از پایداری یکسان در حالت های مختلف عملیاتی، که استفاده از تقویت کننده عملیاتی را بسیار ساده می کند، لازم نیست از یک اصلاح خارجی استفاده شود. تقویت کننده های عملیاتی که در آنها اصلاح داخلی وجود ندارد، به عنوان مثال، K140UD1A، ممکن است نیاز به استفاده از اصلاح خارجی یا بهره ای بیشتر از یک با یک حلقه بازخورد بسته داشته باشند.

مدار بایاس مرحله خروجی

ترانزیستور Q16، همراه با دو مقاومت، یک مدار بایاس سطح را تشکیل می دهد که به عنوان "دیود لاستیکی"، "دیود زنر ترانزیستور" یا ضرب کننده ولتاژ اتصال پایه-امیتر (VBE) نیز شناخته می شود. در این مدار، ترانزیستور Q16 به عنوان یک تنظیم کننده ولتاژ عمل می کند، زیرا افت ولتاژ ثابتی را در محل اتصال جمع کننده-امیتر خود برای هر جریانی که از این مرحله می گذرد، فراهم می کند. این با معرفی یک بازخورد منفی بین کلکتور و پایه به شکل یک تقسیم کننده ولتاژ دو مقاومتی با ضریب تقسیم β = 7.5 kΩ / (4.5 kΩ + 7.5 kΩ) = 0.625 به دست می آید. فرض کنید جریان پایه ترانزیستور صفر است، بنابراین بازخورد منفی ترانزیستور را مجبور می کند تا ولتاژ کلکتور-امیتر خود را تا حدود یک ولت افزایش دهد تا زمانی که ولتاژ پایه-امیتر به مقدار ترانزیستور دوقطبی معمولی 0.6 ولت برسد. این مدار برای بایاس ترانزیستورهای خروجی و در عین حال کاهش اعوجاج غیر خطی استفاده می شود. در مدارهای برخی از تقویت کننده های فرکانس پایین، برای این کار از یک جفت دیود متصل به سری استفاده می شود.

این مدار بایاس را می توان به عنوان تقویت کننده فیدبک منفی با ولتاژ ورودی DC 0.625 ولت و ضریب فیدبک 0.625 = β در نظر گرفت (به ترتیب بهره 1/β = 1.6 خواهد بود). مدار مشابه، اما با β = 1، برای تنظیم جریان عملیاتی در مدار آینه جریان ترانزیستور دوقطبی کلاسیک استفاده می شود.

مرحله خروجی

مرحله خروجی (ترانزیستورهای Q14، Q17، Q20) یک دنبال کننده امیتر فشاری است که در کلاس "AB" کار می کند، بایاس این مرحله توسط یک مدار بایاس سطح ساخته شده روی ترانزیستور Q16 و دو مقاومت متصل به پایه آن تنظیم می شود. ترانزیستور سیگنال به ترانزیستورهای خروجی Q14، Q20 از کلکتورهای ترانزیستورهای Q13 و Q19 تامین می شود. تغییرات در ولتاژ بایاس به دلیل تغییرات دما، یا به دلیل تغییر در پارامترهای ترانزیستور، می تواند منجر به اعوجاج غیر خطی و تغییر در جریان ساکن op-amp شود. ولتاژ خروجی تقویت کننده در محدوده حدود یک ولت کمتر از ولتاژهای تغذیه قرار دارد (یعنی V - +1 تا V + -1)، تا حدی توسط ولتاژ پایه-امیتر ترانزیستورهای خروجی Q14 و Q20 تعیین می شود. .

یک مقاومت 25 اهم در مرحله خروجی به عنوان حس جریان عمل می کند تا حداکثر جریان مجاز آن مرحله را محدود کند، در آپمپ 741 این مقاومت جریان خروجی دنبال کننده امیتر Q14 را به 25 میلی آمپر محدود می کند. محدودیت جریان برای دنبال کننده امیتر پایین با استفاده از یک مقاومت 50 اهم نصب شده در مدار امیتر ترانزیستور Q19 اجرا می شود، با استفاده از ترانزیستور Q22، ولتاژ در پایه ترانزیستور Q15 با افزایش افت ولتاژ در مقاومت بالاتر از حد بحرانی کاهش می یابد. آپ آمپرهای مدل بعدی 741 ممکن است از روش کمی متفاوت برای محدود کردن جریان خروجی استفاده کنند.

برخلاف یک آپ امپ ایده آل، امپدانس خروجی مدل 741 صفر نیست، اما با بازخورد منفی در فرکانس های پایین تقریباً صفر می شود.

نظراتی در مورد آمپلی فایر 741

نکته: آپ امپ های مدل 741 در طول تاریخ در کاربردهای صوتی و سایر کاربردهای با حساسیت بالا مورد استفاده قرار می گرفته اند، اما امروزه به دلیل سطح نویز پایین تر مدل های آپ امپ مدرن، از این آمپر به ندرت استفاده می شود. علاوه بر سر و صدای زیاد، 741 و سایر مدل‌های قدیمی‌تر می‌توانند حالت عادی رد شدن ضعیفی داشته باشند و اغلب صدای زمزمه برق و سایر نویزها را دریافت می‌کنند.

آپمپ مدل 741 اغلب به معنای برخی از تقویت کننده های عملیاتی عمومی است (مثلا μA741، LM301، 558، LM324، TBA221، یا مدل های جدیدتر مانند TL071). شرح مرحله خروجی آمپلی فایر 741 تقریباً برای بسیاری از مدل های دیگر (که ممکن است مراحل ورودی کاملاً متفاوتی داشته باشند) یکسان است، به جز:

• برخی از مدل های آپ امپ مانند μA748، LM301، LM308 اصلاح داخلی ندارند و برای عملیات حلقه بسته و بهره کم نیاز به خازن تصحیح خارجی دارند.
• برای برخی از مدل های مدرن تقویت کننده های عملیاتی، ولتاژ خروجی می تواند در محدوده ولتاژ تغذیه تقریبا منفی تا مثبت متفاوت باشد.

طبقه بندی تقویت کننده های عملیاتی

تقویت کننده های عملیاتی را می توان با توجه به نوع طراحی آنها طبقه بندی کرد:

• گسسته - ایجاد شده از ترانزیستورهای جداگانه یا لوله های الکترونیکی.
• تراشه - تقویت کننده های عملیاتی یکپارچه رایج ترین هستند.
• هیبرید - ایجاد شده بر اساس ریز مدارهای هیبریدی با درجه ادغام پایین.

آپ امپ های مجتمع را می توان به روش های مختلفی طبقه بندی کرد، از جمله:

• تقسیم به ریزتراشه های طراحی نظامی، صنعتی یا تجاری، که با قابلیت اطمینان و مقاومت در برابر عوامل خارجی (دما، فشار، تشعشع) و در نتیجه قیمت متمایز می شوند. مثال: آپمپ ژنریک LM301 نسخه تجاری LM101 و LM201 نسخه صنعتی است.
• طبقه بندی بر اساس نوع مورد - مدل های تقویت کننده های عملیاتی در انواع مختلف کیس (پلاستیک، فلز، سرامیک) نیز مقاومت متفاوتی در برابر عوامل خارجی دارند. علاوه بر این، بسته های DIP و نصب سطحی (SMD) وجود دارد.
• طبقه بندی بر اساس وجود یا عدم وجود مدارهای اصلاح داخلی. Op-amp ها می توانند در برخی مدارهای بازخورد منفی ناپایدار شوند، برای جلوگیری از این امر، از یک خازن کوچک برای اصلاح پاسخ دامنه-فرکانس استفاده می شود. تقویت کننده عملیاتی با چنین خازن داخلی، تقویت کننده عملیاتی اصلاح شده داخلی نامیده می شود.
• یک بسته تراشه می تواند حاوی یک، دو یا چهار تقویت کننده عملیاتی باشد.
• محدوده ولتاژ ورودی (و/یا خروجی) از منفی تا ولتاژ تغذیه مثبت - تقویت کننده عملیاتی می تواند با سیگنال هایی کار کند که مقادیر آنها نزدیک به مقادیر ولتاژ تغذیه است.
• آپ امپدانس های CMOS FET (مانند AD8603) امپدانس ورودی بسیار بالایی دارند، بالاتر از آپ امپدانس های FET معمولی، که به نوبه خود امپدانس ورودی بالاتری نسبت به آپ امپدانس های BJT دارند.
• تقویت کننده های عملیاتی به اصطلاح "قابل برنامه ریزی" وجود دارد که در آنها با استفاده از یک مقاومت خارجی می توانید تعدادی پارامتر مانند جریان ساکن، بهره، پهنای باند را تنظیم کنید.
• سازندگان اغلب آپ امپ ها را بر اساس کاربرد دسته بندی می کنند، مانند کم نویز، پری آمپ، برد وسیع و غیره.

استفاده از تقویت کننده های عملیاتی

استفاده در طراحی سیستم های الکترونیکی

تخصیص پین تقویت کننده عملیاتی مدل 741

استفاده از آپ امپ به عنوان بلوک، ایجاد مدارها را ساده می کند و خواندن آنها را آسانتر از استفاده از اجزای گسسته (ترانزیستورها، مقاومت ها، خازن ها) می کند. هنگام طراحی مدارها، آپ امپرها به عنوان اولین تقریب به عنوان اجزای دیفرانسیل ایده آل در نظر گرفته می شوند و تنها در مراحل بعدی تمام عیوب و محدودیت های این دستگاه ها در نظر گرفته می شود.

برای همه مدارها مدار ثابت باقی می ماند. مشخصات هدف مدار و الزامات آن را با تلورانس های مناسب نشان می دهد. به عنوان مثال، افزایش 1000 برابری با تحمل 10٪ و رانش 2٪ در یک محدوده دمایی معین، مقاومت ورودی حداقل 2 mΩ و غیره مورد نیاز است.

شبیه‌سازی کامپیوتری مدارها اغلب در طراحی استفاده می‌شود، مانند برنامه شبیه‌سازی مدار LTSpice، که دارای برخی از مدل‌های op-amps تجاری و اجزای دیگر است. اگر در نتیجه مدل سازی معلوم شد که برخی از پارامترهای مدار طراحی شده قابل پیاده سازی نیستند، در این صورت باید مشخصات را اصلاح کرد.

پس از شبیه سازی کامپیوتری، یک مدار نمونه اولیه مونتاژ و آزمایش می شود و در صورت لزوم تغییراتی در مدار ایجاد می شود تا آن را بهبود بخشد یا اطمینان حاصل شود که مدار مطابق با مشخصات است. مدار همچنین برای کاهش هزینه و بهبود عملکرد بهینه شده است.

استفاده از تقویت کننده های عملیاتی در مدارها بدون استفاده از فیدبک

مقایسه کننده ولتاژ در تقویت کننده عملیاتی 741 در یک مدار با یک منبع تغذیه. V ref \u003d 6.6 V، دامنه سیگنال ورودی V در \u003d 8 V. خازن C1 برای سرکوب تداخل از مدار قدرت است.

در این حالت از تقویت کننده عملیاتی به عنوان مقایسه کننده ولتاژ استفاده می شود. مداری که اساساً برای عملکرد به عنوان مقایسه‌کننده طراحی شده است، زمانی که به سرعت بالا یا محدوده ولتاژ ورودی گسترده نیاز است، استفاده می‌شود، زیرا تقویت‌کننده می‌تواند به سرعت از حالت اشباع خارج شود.

اگر یکی از ورودی های تقویت کننده عملیاتی با ولتاژ V ref نمونه ای تامین شود، یک مدار آشکارساز سطح سیگنال به دست می آید، یعنی تقویت کننده عملیاتی یک سطح سیگنال مثبت را تشخیص می دهد. اگر سیگنال شناسایی شده به یک ورودی مستقیم اعمال شود، یک مدار آشکارساز سطح غیر معکوس به دست می آید - زمانی که ولتاژ ورودی بالاتر از ولتاژ مرجع باشد، حداکثر ولتاژ مثبت در خروجی تنظیم می شود. اگر سیگنال شناسایی شده و ولتاژ مرجع تعویض شوند، در این حالت ولتاژی نزدیک به ولتاژ منبع تغذیه منفی در خروجی تقویت کننده عملیاتی برقرار می شود - یک مدار آشکارساز سطح معکوس به دست می آید.

اگر غیر ولتاژ مثالی در ورودی تقویت‌کننده V ref = 0 V باشد، یک آشکارساز صفر به دست می‌آید که می‌تواند به عنوان مثال، یک سیگنال سینوسی را به یک مستطیل تبدیل کند.

استفاده از تقویت کننده های عملیاتی در مدارها با استفاده از بازخورد مثبت

مولد موج مربعی مبتنی بر تقویت کننده عملیاتی با مدارهای بازخورد مثبت (R1, R3) و منفی (R2, C1). مدار بازخورد مثبت اطراف تقویت کننده آن را به یک ماشه اشمیت تبدیل می کند. فرکانس کاری تقریباً 150 هرتز است.

تقویت کننده های عملیاتی نیز در مدارهای بازخورد مثبت، زمانی که بخشی از سیگنال خروجی به یک ورودی غیر معکوس تغذیه می شود، استفاده می شود. یکی از مدارهای معمولی که از این پیکربندی استفاده می کند، مدار مقایسه کننده هیسترزیس است که اصطلاحاً ماشه اشمیت نامیده می شود. در برخی مدارها، دو نوع بازخورد را می توان به طور همزمان استفاده کرد - هر دو مثبت و منفی، که تقویت کننده یکسانی را پوشش می دهد، این پیکربندی اغلب در مدارهای ژنراتور دندان اره و در مدارهای فیلتر فعال استفاده می شود.

به دلیل سرعت پایین و عدم وجود بازخورد مثبت، پاسخ فرکانسی آشکارساز صفر حلقه باز و آشکارساز سطح سیگنال که در بالا توضیح داده شد فرکانس نسبتاً پایینی خواهد بود، یعنی مدارها فرکانس نسبتاً پایینی خواهند داشت. می توانید سعی کنید مدار را با بازخورد مثبت بپوشانید، اما این به طور قابل توجهی بر دقت عملیات هنگام تشخیص لحظه ای که سیگنال ورودی از صفر عبور می کند تأثیر می گذارد. اگر از تقویت کننده عملیاتی معمولی نوع 741 استفاده می کنید، مبدل سینوسی به موج مربعی به احتمال زیاد فرکانس کاری بیش از 100 هرتز نخواهد داشت.

برای افزایش نرخ چرخش سیگنال در مدارهای مقایسه تخصصی، بازخورد مثبت به مراحل خروجی وارد می شود، بنابراین، توصیه می شود مدارهای آشکارساز سطح را نه بر روی تقویت کننده های عملیاتی، بلکه در ریز مدارها - مقایسه کننده ها انجام دهید.

استفاده از تقویت کننده عملیاتی در مدار بازخورد منفی

در مدار تقویت کننده غیر معکوس، ولتاژ خروجی در همان جهت تغییر می کند (کاهش یا افزایش می یابد) با ولتاژ ورودی.

معادله ای که بهره یک op-amp را تعریف می کند به صورت نوشته شده است

خروجی V / OL (V + - V -)

در این مدار، پارامتر V - تابعی از V out است، زیرا مقاومت‌های R1 و R2 یک مدار بازخورد منفی را تشکیل می‌دهند. علاوه بر این، این مقاومت ها یک تقسیم کننده ولتاژ هستند و از آنجایی که به ورودی V متصل می شود که مقاومت بالایی دارد، تقسیم کننده ولتاژ عملا بارگذاری نمی شود. از این رو:

V - = β * V بیرون

جایی که β = R1 / (R1 + R2)

با جایگزینی این عبارت در معادله بهره تقویت کننده عملیاتی، دریافت می کنیم:

خروجی V \u003d A OL (V در - β * V خارج)

تبدیل عبارت حاصل با توجه به V بیرون، ما گرفتیم:

خروجی V = V در * (1 / (β + 1/A OL))

اگر یک OLبسیار بزرگ است، سپس معادله ساده شده است:

خروجی V ≈ V در / β = V در / (R1 / (R1 + R2)) = V در * (1 + R2/R1)

لطفاً توجه داشته باشید که سیگنال به ورودی مستقیم تقویت کننده عملیاتی نسبت به سیم مشترک اعمال می شود. اگر به دلایلی منبع سیگنال را نتوان به سیم مشترک وصل کرد یا باید به باری با مقاومت معین وصل شود، باید یک مقاومت اضافی بین ورودی مستقیم تقویت کننده عملیاتی و سیم مشترک نصب شود. در هر صورت، مقدار مقاومت‌های فیدبک R1 و R2 باید با در نظر گرفتن مقاومت بار در ورودی مستقیم تقویت‌کننده عملیاتی، تقریباً برابر با مقاومت ورودی باشد، در حالی که مقاومت‌های R1 و R2 باید به‌صورت موازی متصل در نظر گرفته شوند. . یعنی اگر R1 \u003d R2 \u003d 10 کیلو اهم باشد ، منبع سیگنال مقاومت بالایی دارد ، مقاومت اضافی بین ورودی مستقیم و سیم مشترک باید 5 کیلو اهم باشد ، در این مورد ولتاژ بایاس در ورودی ها حداقل خواهد بود.

هنگامی که تقویت کننده عملیاتی در یک مدار معکوس روشن می شود، ولتاژ در خروجی آن در آنتی فاز با ولتاژ ورودی تغییر می کند.

بیایید معادله ای پیدا کنیم که بهره را در هنگام روشن شدن معکوس تقویت کننده عملیاتی توصیف می کند:

خروجی V / OL (V + - V -)

این معادله دقیقاً مشابه معادله تقویت کننده غیر معکوس است. اما در این مورد پارامتر V-به ولتاژ خروجی بستگی دارد. V بیرونو ورودی V در، این به دلیل این واقعیت است که تقسیم کننده ولتاژ توسط مقاومت های متصل به سری تشکیل شده است. RFو R دربین سیگنال ورودی و خروجی تقویت کننده متصل می شود. ورودی معکوس مقاومت بالایی دارد و تقسیم کننده را بار نمی کند، بنابراین:

V - = 1/(R f + R in) * (R f V در + R در V خارج)

با جایگزینی برابری حاصل با معادله بهره، متوجه می‌شویم V بیرون:

خروجی V = -V در * A OL R f / (R f + R in + A OL R in)

اگر ارزش یک OLبسیار بزرگ است، سپس عبارت ساده شده است:

V خارج ≈ V در * R f / R در

اغلب مقاومتی با چنین مقداری بین ورودی غیر معکوس و سیم مشترک قرار می گیرد که هر دو ورودی ولتاژ را از مقاومت های مشابه حذف می کنند. استفاده از این مقاومت باعث کاهش ولتاژ بایاس می شود و در برخی مدل های تقویت کننده های عملیاتی میزان اعوجاج غیر خطی را کاهش می دهد.

اگر نیازی به تقویت ولتاژ DC نیست، آنگاه به صورت سری با مقاومت ورودی R دریک خازن جداکننده را می توان برای مسدود کردن عبور ولتاژ مستقیم از منبع سیگنال به ورودی تقویت کننده عملیاتی نصب کرد.

تقویت کننده فرکانس صوتی در تقویت کننده عملیاتی

در پایان، یک مدار تقویت کننده فرکانس صوتی عملی را در نظر بگیرید که مطابق با یک مدار غیر معکوس با منبع تک قطبی ساخته شده است. استفاده از یک مدار غیر معکوس امپدانس ورودی بالایی تقویت کننده را فراهم می کند که با مقادیر مقاومت های R2 و R3 و همچنین امپدانس ورودی ورودی مستقیم تقویت کننده عملیاتی تعیین می شود (بسیار بالا و می توان نادیده گرفت)، هنگام محاسبه مقاومت های R2، R3 به صورت موازی متصل در نظر گرفته می شوند، بنابراین، تقویت کننده مقاومت ورودی برابر با 100 کیلو اهم خواهد بود.

بهره ولتاژ تقویت کننده با فرمول تعیین می شود R4/R1+1، در این مورد 49/1+1 = 50 بار. ظرفیت خازن C1 باید به گونه ای باشد که راکتانس آن در پایین ترین فرکانس های کاری حداقل ده برابر کمتر از مقاومت کل مقاومت های سری R1 و R4 باشد. خازن های C2، C3 برای جریان مستقیم تقسیم می شوند، پارامترهای آنها به مقاومت منبع سیگنال و بار بستگی دارد. خازن C4 امواج را در مدار قدرت مسدود می کند.

بار تقویت کننده می تواند هدفون های با مقاومت بالا از نوع TON-2 با مقاومت حداقل 1.5 کیلو اهم باشد. برای اتصال هدفون های کم مقاومت یا یک هد پویا، باید یک آبشار از دنبال کننده های امیتر روی ترانزیستورهای KT502 و KT503 به مدار اضافه کنید.

برای کاهش اعوجاج غیر خطی، مقاومت های R6، R7 به مدار اضافه می شوند که جریان ساکن ترانزیستورهای VT1، VT2 را تنظیم می کنند. می توانید از مدار سوئیچینگ ترانزیستور دیگری استفاده کنید، به عنوان مثال، مداری که توضیح داده شد، که سطح اعوجاج غیر خطی کمتری دارد.

معمولاً چیزی از من در مورد الکترونیک آنالوگ سؤال می پرسید. آیا جلسه دانش آموزان توپ ها را گرفتند؟ ;) خوب، وقت آن است که یک برنامه آموزشی کوچک را جابجا کنیم. به ویژه، در مورد عملکرد تقویت کننده های عملیاتی. چیست، با چه چیزی خورده می شود و چگونه محاسبه می شود.

این چیه
Op-amp یک آمپلی فایر دو ورودی است، nevie... ohm... افزایش سیگنال بزرگ و یک خروجی. آن ها ما U را داریم \u003d K * U را وارد می کنیم و K به طور ایده آل برابر با بی نهایت است. البته در عمل اعداد معتدل تری وجود دارد. فرض کنید 1000000. اما حتی چنین اعدادی هنگام تلاش برای اعمال مستقیم آنها مغز را منفجر می کنند. بنابراین، همانطور که در مهد کودک، یک درخت کریسمس، دو، سه، بسیاری از درختان کریسمس - ما در اینجا تقویت زیادی داریم؛) و همین.

و دو ورودی دارد. و یکی از آنها مستقیم است و دیگری معکوس.

علاوه بر این، ورودی ها دارای امپدانس بالا هستند. آن ها امپدانس ورودی آنها در حالت ایده آل بی نهایت و در حالت واقعی بسیار زیاد است. حساب آنجا به صدها مگا اهم و حتی گیگا اهم می رود. آن ها ولتاژ ورودی را اندازه گیری می کند، اما حداقل تحت تأثیر قرار می گیرد. و می توانیم فرض کنیم که جریان در op-amp جریان ندارد.

ولتاژ خروجی در این حالت به صورت زیر محاسبه می شود:

U out \u003d (U 2 -U 1) * K

بدیهی است که اگر ولتاژ در ورودی مستقیم بیشتر از معکوس باشد، خروجی به اضافه بی نهایت است. در غیر این صورت منهای بی نهایت خواهد بود.

البته در مدار واقعی بی نهایت مثبت و منفی وجود نخواهد داشت و با بالاترین و کمترین ولتاژ منبع تغذیه آمپلی فایر جایگزین می شوند. و به دست خواهیم آورد:

مقایسه کننده
دستگاهی که به شما امکان می دهد دو سیگنال آنالوگ را با هم مقایسه کنید و نتیجه بگیرید - کدام یک از سیگنال ها بیشتر است. در حال حاضر جالب است. می توانید برنامه های زیادی برای آن در نظر بگیرید. به هر حال، همان مقایسه کننده در اکثر میکروکنترلرها تعبیه شده است، و من نحوه استفاده از آن را با استفاده از AVR به عنوان مثال در مقالات مربوط به ایجاد نشان دادم. همچنین، مقایسه کننده به طرز شگفت انگیزی برای ایجاد استفاده می شود.

اما موضوع به یک مقایسه محدود نمی شود، زیرا اگر بازخورد ارائه کنید، می توان کارهای زیادی را از آپ امپ انجام داد.

بازخورد
اگر سیگنال را از خروجی بگیریم و مستقیماً به ورودی بفرستیم، بازخورد اتفاق می افتد.

بازخورد مثبت
بیایید سیگنال را مستقیماً از خروجی به ورودی مستقیم هدایت کنیم.

• ولتاژ U1 بزرگتر از صفر است - خروجی 15- ولت است
• ولتاژ U1 کمتر از صفر است - در خروجی +15 ولت

اگر ولتاژ صفر باشد چه اتفاقی می افتد؟ در تئوری، خروجی باید صفر باشد. اما در واقعیت، ولتاژ هرگز صفر نخواهد بود. از این گذشته ، حتی اگر بار سمت راست با یک الکترون از بار سمت چپ بیشتر باشد ، این از قبل کافی است تا پتانسیل را با یک تقویت بی نهایت به خروجی بچرخانید. و در خروجی، یک جهنم شکل آغاز خواهد شد - سیگنال به این طرف و آن طرف با سرعت اختلالات تصادفی ناشی از ورودی های مقایسه کننده می پرد.

هیسترزیس برای حل این مشکل معرفی شده است. آن ها نوعی شکاف بین تغییر از یک حالت به حالت دیگر. برای انجام این کار، بازخورد مثبت را مانند زیر معرفی کنید:

در نظر می گیریم که در ورودی معکوس در این لحظه +10 ولت است. در خروجی آپ امپ، منهای 15 ولت. در ورودی مستقیم، دیگر صفر نیست، بلکه بخش کوچکی از ولتاژ خروجی از تقسیم کننده است. تقریباً 1.4- ولت حالا تا زمانی که ولتاژ ورودی معکوس به زیر 1.4- ولت نرسد، خروجی آپ امپ ولتاژ آن را تغییر نخواهد داد. و به محض اینکه ولتاژ به زیر 1.4- کاهش یابد، خروجی آپ امپ به شدت به 15+ خواهد پرید و از قبل یک بایاس +1.4 ولت در ورودی مستقیم وجود خواهد داشت.

و برای تغییر ولتاژ در خروجی مقایسه کننده، سیگنال U1 باید تا 2.8 ولت افزایش یابد تا به نوار بالایی +1.4 برسد.

نوعی شکاف وجود دارد که در آن حساسیت وجود ندارد، بین 1.4 تا -1.4 ولت. عرض شکاف توسط نسبت مقاومت ها در R1 و R2 کنترل می شود. ولتاژ آستانه به صورت Uout/(R1+R2) محاسبه می شود * R1 فرض کنید 1 تا 100 +/-0.14 ولت می دهد.

با این حال، op-amp بیشتر در حالت بازخورد منفی استفاده می شود.

بازخورد منفی
خوب، اجازه دهید آن را به شکل دیگری بیان کنیم:

در مورد بازخورد منفی، آپ امپ خاصیت جالبی دارد. همیشه سعی می کند ولتاژ خروجی خود را طوری تنظیم کند که ولتاژ ورودی ها برابر باشد و در نتیجه اختلاف صفر شود.
تا زمانی که این را در کتاب بزرگ رفقای هوروویتز و هیل نخواندم، نتوانستم وارد کار OU بشوم. اما همه چیز ساده شد.

تکرار کننده
و ما یک تکرار کننده گرفتیم. آن ها در ورودی U 1 , در ورودی معکوس U out = U 1 . خوب، معلوم می شود که U بیرون \u003d U 1 است.

سوال این است که ما برای چیست چنین خوشبختی؟ امکان پرتاب مستقیم سیم وجود داشت و نیازی به آپ امپ نبود!

ممکن است، اما نه همیشه. چنین وضعیتی را تصور کنید، سنسوری وجود دارد که به شکل یک تقسیم کننده مقاومتی ساخته شده است:

مقاومت کمتر مقدار خود را تغییر می دهد، طرح ولتاژ خروجی از تقسیم کننده تغییر می کند. و باید با یک ولت متر خوانش را از آن بگیریم. اما ولت متر مقاومت داخلی خود را دارد، اگرچه بزرگ است، اما خوانش های سنسور را تغییر می دهد. علاوه بر این، اگر ما یک ولت متر نمی خواهیم، ​​اما یک لامپ برای تغییر روشنایی می خواهیم؟ هیچ راهی برای اتصال لامپ در اینجا وجود ندارد! بنابراین، خروجی توسط یک تقویت کننده عملیاتی بافر می شود. مقاومت ورودی آن بسیار زیاد است و حداقل تأثیر را خواهد داشت و خروجی می تواند جریان کاملاً ملموسی (ده ها میلی آمپر یا حتی صدها) ارائه دهد که برای کارکرد لامپ کاملاً کافی است.
به طور کلی، برنامه های کاربردی برای تکرار کننده را می توان یافت. به خصوص در مدارهای آنالوگ دقیق. یا جایی که مدار یک مرحله می تواند بر عملکرد مرحله دیگر تأثیر بگذارد تا آنها را جدا کند.

تقویت کننده
و حالا بیایید با گوش‌هایمان تظاهر کنیم - بیایید بازخورد خود را بگیریم و آن را از طریق یک تقسیم‌کننده ولتاژ روی زمین بگذاریم:

اکنون نیمی از ولتاژ خروجی به ورودی معکوس اعمال می شود. و تقویت کننده همچنان باید ولتاژهای ورودی خود را برابر کند. او باید چه کار کند؟ درست است - ولتاژ خروجی خود را دو برابر قبل افزایش دهید تا تقسیم کننده ایجاد شده را جبران کنید.

اکنون U 1 در خط مستقیم وجود خواهد داشت. در معکوس U out /2 \u003d U 1 یا U out \u003d 2 * U 1.

بیایید یک مقسوم علیه با نسبت متفاوت قرار دهیم - وضعیت به همین ترتیب تغییر خواهد کرد. برای اینکه فرمول تقسیم کننده ولتاژ در ذهن شما چرخانده نشود، بلافاصله آن را می دهم:

U out \u003d U 1 * (1 + R 1 / R 2)

آنچه را که به موارد بسیار ساده تقسیم می‌شود، به خاطر می‌آوریم:

معلوم می شود که سیگنال ورودی از مدار مقاومت های R 2 ، R 1 در U خارج می شود. در این حالت ورودی مستقیم تقویت کننده روی صفر تنظیم می شود. ما عادات آپ امپ را به یاد می آوریم - سعی می کند با قلاب یا کلاهبرداری مطمئن شود که ولتاژی برابر با ورودی مستقیم در ورودی معکوس آن تشکیل شده است. آن ها صفر تنها راه این است که ولتاژ خروجی را به زیر صفر برسانید تا در نقطه 1 صفر رخ دهد.

بنابراین. تصور کنید که U = 0 باشد. در حالی که برابر با صفر است. و ولتاژ ورودی، برای مثال، 10 ولت نسبت به U out است. مقسوم علیه R 1 و R 2 آن را به نصف تقسیم می کند. بنابراین، در نقطه 1 پنج ولت وجود دارد.

پنج ولت برابر با صفر نیست و آپ امپ خروجی خود را تا زمانی که در نقطه 1 صفر شود کاهش می دهد. برای انجام این کار، خروجی باید (-10) ولت باشد. در این حالت اختلاف نسبت به ورودی 20 ولت خواهد بود و تقسیم کننده دقیقاً 0 را در نقطه 1 به ما ارائه می دهد. ما یک اینورتر گرفتیم.

اما شما می توانید مقاومت های دیگری را نیز انتخاب کنید تا تقسیم کننده ما ضرایب دیگری بدهد!
به طور کلی، فرمول بهره برای چنین تقویت کننده ای به صورت زیر خواهد بود:

U out \u003d - U in * R 1 / R 2

خوب، یک تصویر یادگاری برای به خاطر سپردن سریع xy از xy.

فرض کنید U 2 و U 1 هر کدام 10 ولت خواهند بود. سپس در نقطه 2 5 ولت وجود خواهد داشت. و خروجی باید به گونه ای شود که در نقطه 1 نیز 5 ولت شود. یعنی صفر. بنابراین معلوم می شود که 10 ولت منهای 10 ولت برابر با صفر است. همه چی درسته :)

اگر U 1 20 ولت شود، خروجی باید به -10 ولت کاهش یابد.
خودتان محاسبه کنید - تفاوت بین U 1 و U out 30 ولت خواهد بود. جریان عبوری از مقاومت R4 خواهد بود (U 1 -U out) / (R 3 + R 4) = 30/20000 = 0.0015A، و افت ولتاژ در مقاومت R 4 R 4 * I 4 = 10000 * خواهد بود. 0.0015 = 15 ولت. افت 15 ولت را از ورودی 20 کم کنید و 5 ولت بگیرید.

بنابراین، آپمپ ما مشکل حسابی را از 10 منهای 20 حل کرد و 10- ولت گرفت.

علاوه بر این، در مسئله ضرایبی وجود دارد که توسط مقاومت ها تعیین می شود. فقط برای سادگی، مقدار مقاومت ها یکسان است و بنابراین همه ضرایب برابر با یک هستند. اما در واقع، اگر مقاومت های دلخواه را بگیریم، وابستگی خروجی به ورودی به صورت زیر خواهد بود:

U out \u003d U 2 * K 2 - U 1 * K 1

K 2 \u003d ((R 3 + R 4) * R 6) / (R 6 + R 5) * R 4
K 1 \u003d R 3 / R 4

یادگاری برای حفظ فرمول محاسبه ضریب به شرح زیر است:
مستقیم به نمودار. عدد کسری در بالا است، بنابراین مقاومت های بالایی را در مدار جریان جریان اضافه می کنیم و در پایینی ضرب می کنیم. مخرج در پایین است، بنابراین مقاومت های پایینی را اضافه کنید و در مقاومت بالایی ضرب کنید.

اینجا همه چیز ساده است. زیرا نقطه 1 به طور مداوم به 0 کاهش می یابد، سپس می توانیم فرض کنیم که جریان های وارد شده به آن همیشه برابر با U / R است و جریان های ورودی به گره شماره 1 خلاصه می شود. نسبت مقاومت ورودی به مقاومت فیدبک وزن جریان ورودی را تعیین می کند.

هر تعداد شاخه که دوست دارید می تواند وجود داشته باشد، اما من فقط دو تا را کشیدم.

U out \u003d -1 (R 3 * U 1 / R 1 + R 3 * U 2 / R 2)

مقاومت های ورودی (R 1 , R 2 ) مقدار جریان و در نتیجه وزن کل سیگنال ورودی را تعیین می کنند. اگر تمام مقاومت ها را مانند من برابر کنید، وزن یکسان می شود و ضریب ضرب هر جمله برابر با 1 خواهد بود. و U out = -1 (U 1 + U 2)

جمع کننده غیر معکوس
همه چیز کمی پیچیده تر است، اما به نظر می رسد.

Uout \u003d U 1 * K 1 + U 2 * K 2

K 1 \u003d R 5 / R 1
K 2 \u003d R 5 / R 2

علاوه بر این، مقاومت های بازخورد باید به گونه ای باشد که معادله R 3 / R 4 \u003d K 1 + K 2 مشاهده شود

به طور کلی، در تقویت کننده های عملیاتی، می توانید هر ریاضی را ایجاد کنید، جمع کنید، ضرب کنید، تقسیم کنید، مشتقات و انتگرال ها را بشمارید. و تقریباً بلافاصله. کامپیوترهای آنالوگ در OU ساخته می شوند. من حتی یکی از اینها را در طبقه پنجم SUSU دیدم - یک احمق به اندازه یک طبقه اتاق. چند عدد کابینت فلزی برنامه با اتصال بلوک های مختلف با سیم تایپ می شود :)

تقویت کننده عملیاتی (op-amp) یک تقویت کننده DC با ورودی دیفرانسیل است که ویژگی های آن نزدیک به ویژگی های به اصطلاح "تقویت کننده ایده آل" است. 4 - 10 6)، ورودی بزرگ (R اینچ = 0.1-100 MΩ) و خروجی کم (R در = 10-100 اهم) مقاومت.

در تقویت‌کننده‌های خطی، یک آپمپ فقط با مدارهای بازخورد منفی (NFB) استفاده می‌شود که بهره ولتاژ K را به 1-10 3 کاهش می‌دهد، اما در عین حال وابستگی K به دما، ولتاژ تغذیه، افزایش R را کاهش می‌دهد. .us و R را از .us کاهش می دهد. استفاده از آپ امپ در تقویت کننده های بدون مدارهای بازخورد غیرقابل قبول است، زیرا خطر نقض پایداری آپ امپ افزایش می یابد و مدارهای تصحیح پاسخ فرکانس در یک باند فرکانس وسیع پیچیده تر می شوند.

OU (شکل 15.1.) شامل یک تقویت کننده دیفرانسیل به عنوان مرحله اول است. تقویت کننده دیفرانسیل دارای بهره بالایی برای اختلاف سیگنال های ورودی U 2 - U 1 و بهره کم برای سیگنال های حالت مشترک است. سیگنال های یکسان به طور همزمان به هر دو ورودی اعمال می شود. این امکان کاهش حساسیت به سیگنال های حالت مشترک (تداخل خارجی) و ولتاژ برشی را فراهم می کند که با عدم شناسایی بازوهای op-amp تعیین می شود.

شکل 15.1. ساختار داخلی یک تقویت کننده عملیاتی

مرحله ورودی توسط یک یا چند مرحله میانی دنبال می شود. آنها ولتاژ و جریان لازم را تقویت می کنند.

مرحله خروجی مکمل باید امپدانس خروجی آپ امپ کم و جریان کافی برای تامین بارهای مورد انتظار را فراهم کند. مرحله خروجی معمولاً یک دنبال کننده امیتر ساده یا مکمل است.

برای کاهش حساسیت مدار به سیگنال های حالت مشترک و افزایش مقاومت ورودی، جریان امیتر اولین مرحله دیفرانسیل با استفاده از منبع جریان پایدار تنظیم می شود.

پارامترهای اساسی تقویت کننده های عملیاتی

1. K - بهره خود آپ امپ (بدون بازخورد).

2. U shift - تغییر ولتاژ خروجی. یک ولتاژ کوچک ناشی از عدم تقارن بازوهای op-amp در ولتاژ صفر در هر دو ورودی. معمولاً U shift مقدار 10 - 100 mV دارد.

3. I cm - جریان بایاس ورودی. جریان در ورودی های تقویت کننده مورد نیاز برای عملکرد مرحله ورودی تقویت کننده عملیاتی.

4. I shift - جریان شیفت ورودی (). تفاوت در جریان های بایاس به دلیل تطابق نادرست ترانزیستورهای ورودی ظاهر می شود. .

5. R in - امپدانس ورودی. به عنوان یک قاعده، R in دارای مقدار 1-10 مگا اهم است.

6. R out - امپدانس خروجی. معمولا Rout از صدها اهم تجاوز نمی کند.

7. Koss - ضریب تضعیف سیگنال حالت مشترک. توانایی تضعیف سیگنال های اعمال شده به هر دو ورودی را به طور همزمان مشخص می کند.

8. مصرف جاری. جریان ساکن مصرف شده توسط تقویت کننده عملیاتی.

9. مصرف برق. توان تلف شده توسط تقویت کننده عملیاتی.

10. حداکثر سرعت حرکت (V/µs) .

11. U pet. - ولتاژ تغذیه.

12. پاسخ گذرا. سیگنال در خروجی تقویت کننده هنگامی که یک موج برق به ورودی آن اعمال می شود.

آپ امپ دارای چندین گزینه برای مدارهای سوئیچینگ است که به طور قابل توجهی در ویژگی های آنها متفاوت است.

برای تجزیه و تحلیل کار و محاسبه ویژگی های طرح های مختلف برای روشن کردن سیستم عامل، لازم است به یاد داشته باشید که بر اساس ویژگی های واحد کنترل:

1. اختلاف ولتاژ بین ورودی های آپ امپ بسیار کم است و می توان آن را برابر با صفر گرفت.

2. آپ امپدانس ورودی بالایی دارد، بنابراین جریان ورودی بسیار کمی (تا 10 nA) می کشد.

طرح های اصلی برای روشن کردن سیستم عامل

که در تقویت کننده معکوس(شکل 15.2.)، سیگنال های ورودی و خروجی 180 درجه در فاز جابه جا می شوند. اگر U in مثبت باشد، ولتاژ در نقطه A و از این رو U d نیز مثبت می شود و U out کاهش می یابد که منجر به کاهش در ورودی معکوس به U d = U out / K ≈ 0 می شود.

نقطه A اغلب نامیده می شود زمین مجازی، زیرا پتانسیل آن تقریباً برابر با پتانسیل زمین است ، زیرا U d ، به عنوان یک قاعده ، بسیار کوچک است

برنج. 15.2. تقویت کننده معکوس کننده Op-amp

برای به دست آوردن یک عبارت برای افزایش بازخورد، ما در نظر می گیریم که، از آنجایی که ورودی R تقویت کننده بسیار بزرگ است. از آن زمان و پس از آن .

با فرض U d = 0 (زیرا K → ∞)، دریافت می کنیم. سود بازخورد مدار مورد بررسی است

ولتاژ خروجی معکوس است، همانطور که توسط مقدار منفی K os مشهود است.

از آنجایی که به دلیل بازخورد، تقریباً پتانسیل صفر در نقطه A حفظ می شود، مقاومت ورودی مدار تقویت کننده معکوس R 1 است. مقاومت R 1 باید طوری انتخاب شود که منبع سیگنال ورودی بارگذاری نشود و طبیعتاً R سیستم عامل باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا تقویت کننده عملیاتی بیش از حد بارگذاری نشود.

تقویت کننده غیر معکوسهمچنین می تواند روی یک آپ امپ (شکل 15.3) با امپدانس ورودی بالا پیاده سازی شود که بهره ولتاژ آن را نیز می توان با استفاده از مقاومت های R 1 و R os تنظیم کرد.

مانند قبل، فرض می کنیم که از R در → ∞.

بنابراین ولتاژ در ورودی معکوس تقویت کننده برابر است

15.3. تقویت کننده آپ امپ غیر معکوس

از این رو، .

از آنجایی که U out \u003d U d K و U d \u003d U out / K، به صورت K → ∞ و U d ≈ 0، می توانیم آن را بنویسیم. با حل معادله، یک عبارت برای بهره با بازخورد بسته K os، (15.3) به دست می آوریم.

که تحت شرط К » K os معتبر است.

در طرح دنبال کننده ولتاژ در آپ امپ(شکل 15.4) بازخورد Uout از خروجی تقویت کننده به ورودی معکوس می آید. از آنجایی که اختلاف ولتاژ در ورودی های op-amp - U d تقویت می شود، می توان مشاهده کرد که ولتاژ در خروجی تقویت کننده U خارج \u003d U d K است.

شکل 15.4. دنبال کننده ولتاژ Op-amp

ولتاژ خروجی op-amp U out \u003d U in + U d. از آنجایی که U out \u003d U d K ، ما U d \u003d U out / K را دریافت می کنیم. از این رو، . از آنجایی که K بزرگ است (K → ∞)، پس U out / K به سمت صفر میل می کند و در نتیجه برابری U را در = U خارج می کنیم.

ولتاژ ورودی فقط از طریق امپدانس ورودی تقویت کننده به زمین متصل می شود که بسیار بالا است، بنابراین دنبال کننده می تواند به عنوان یک مرحله تطبیق خوب عمل کند.

تقویت کننده با ورودی دیفرانسیلدارای دو ورودی است و ورودی های معکوس و غیر معکوس تحت ولتاژ یکسانی هستند، در این مورد برابر با U os هستند، زیرا اختلاف ولتاژ بین ورودی های معکوس و غیر معکوس بسیار کوچک است (معمولاً کمتر از 1 میلی ولت).

برنج. 15.5. تقویت کننده با ورودی دیفرانسیل

اگر U 1 روی صفر تنظیم شود و سیگنال ورودی به U 2 اعمال شود، آنگاه تقویت کننده به عنوان یک تقویت کننده غیر معکوس عمل می کند که ولتاژ ورودی آن از تقسیم کننده تشکیل شده توسط مقاومت های R2 و R گرفته شده است؟ سیستم عامل اگر هر دو ولتاژ U 1 و U 2 به طور همزمان به ورودی های مربوطه اعمال شوند، سیگنال در ورودی معکوس باعث تغییر ولتاژ خروجی می شود که ولتاژ در نقطه اتصال مقاومت های R 1 و R os برابر U os می شود که در آن .

چون آمپلی فایر امپدانس ورودی بسیار بالایی دارد،

با حل معادله به دست آمده برای U، داریم:

با جایگزینی عبارت U OS، دریافت می کنیم:

اگر R 1 = R 2 و R oc = R´ oc (متداول ترین وضعیت) قرار دهیم، به دست می آید. قطبیت ولتاژ خروجی با بزرگتر ولتاژ U 1 و U 2 تعیین می شود.

بدیهی است که اگر U 2 در شکل 15.5 صفر باشد، تقویت کننده در رابطه با U 1 به عنوان یک تقویت کننده معکوس عمل می کند.

امپدانس ورودی مدار Op-ampرا می توان به صورت زیر تعریف کرد. یک ولتاژ به مقاومت ورودی دیفرانسیل سیستم عامل r d اعمال می شود. U d. به دلیل وجود بازخورد، این ولتاژ کم است.

U d \u003d U out / K U \u003d U 1 / (1 + K U b)، (15.6)

جایی که b \u003d R 1 / (R 1 + R 2) - ضریب انتقال تقسیم کننده در مدار بازخورد. بنابراین، تنها یک جریان برابر با U 1 / r d (1 + K U b) از این مقاومت عبور می کند. بنابراین، امپدانس ورودی دیفرانسیل، به دلیل عمل بازخورد، در ضریب 1 + K U b ضرب می شود.

مطابق شکل 12، برای مقاومت ورودی مدار حاصل، داریم:

R in = r d (1 + K U b)||r in

این مقدار حتی برای تقویت کننده های عملیاتی با ترانزیستورهای دوقطبی در ورودی ها از 109 اهم تجاوز می کند. با این حال، باید به خاطر داشت که این فقط است مقدار دیفرانسیل; این بدان معنی است که تغییرات در جریان ورودی کوچک است، در حالی که مقدار متوسط ​​جریان ورودی می تواند مقادیر غیرقابل مقایسه بزرگی به خود بگیرد.

برنج. 15.6. طرح تقویت کننده غیر معکوس با در نظر گرفتن مقاومت های خود آپ امپ.

امپدانس خروجی Op-ampیک تقویت کننده عملیاتی که توسط بازخورد پوشش داده نمی شود توسط:

هنگامی که بار وصل می شود، کاهش جزئی در ولتاژ خروجی مدار ایجاد می شود که ناشی از افت ولتاژ در مسیر است که از طریق یک تقسیم کننده ولتاژ R 1 , R 2 به ورودی تقویت کننده منتقل می شود. افزایش ولتاژ دیفرانسیل حاصل، تغییر ولتاژ خروجی را جبران می کند.

به طور کلی، امپدانس خروجی می تواند بسیار زیاد باشد (در برخی موارد از 100 تا 1000 اهم. اتصال مدار سیستم عامل باعث کاهش امپدانس خروجی می شود.

برای تقویت‌کننده‌ای که با بازخورد پوشش داده می‌شود، این فرمول به شکل زیر است:

در این حالت مقدار U d ثابت نمی ماند، بلکه با مقدار تغییر می کند

dU d = - dU n = -bdU بیرون

برای تقویت کننده با مشخصه انتقال خطی، تغییر ولتاژ خروجی است

dU out = K U dU d - r out dI out

بزرگی انشعاب جریان به تقسیم کننده ولتاژ فیدبک در این مورد را می توان نادیده گرفت. با جایگزینی مقدار dU d به آخرین عبارت، نتیجه دلخواه را به دست می آوریم:

اگر به عنوان مثال b \u003d 0.1 که مربوط به تقویت سیگنال ورودی 10 برابر است و K U \u003d 10 5 باشد ، امپدانس خروجی تقویت کننده از 1 کیلو اهم به 0.1 اهم کاهش می یابد. موارد فوق، به طور کلی، در پهنای باند تقویت کننده f p, Hz معتبر است. در فرکانس‌های بالاتر، امپدانس خروجی آپ امپ حلقه بسته افزایش می‌یابد مقدار |K U | با افزایش فرکانس به میزان 20 دسی بل در هر دهه کاهش می یابد (شکل 3 را ببینید). در این حالت، یک کاراکتر القایی به دست می‌آورد و در فرکانس‌های بیشتر از f t، بدون بازخورد برابر با مقدار امپدانس خروجی تقویت‌کننده می‌شود.

پارامترهای دینامیکی سیستم عامل،مشخص کردن سرعت op-amp، می تواند به پارامترهای سیگنال های کوچک و بزرگ تقسیم شود. اولین گروه از پارامترهای پویا شامل پهنای باند f p، فرکانس بهره واحد f t و زمان ته نشینی t y است. این پارامترها سیگنال کم نامیده می شوند، زیرا آنها در حالت خطی عملکرد آبشارهای op-amp اندازه گیری می شوند (DU out< 1В).

گروه دوم شامل نرخ حرکت ولتاژ خروجی r و پهنای باند توان f p است. این پارامترها با سیگنال ورودی دیفرانسیل بزرگ op-amp (بیش از 50 میلی ولت) اندازه گیری می شوند. برخی از این گزینه ها در بالا مورد بحث قرار گرفته است. زمان ته نشینی از لحظه اعمال گام ولتاژ ورودی به ورودی op-amp تا لحظه ای که برابری |U out.set - U out(t) | \u003d d، جایی که U out.set - مقدار ثابت ولتاژ خروجی، d - خطای مجاز.

پهنای باند یا پهنای باند عملیاتیآپمپ با نوع پاسخ فرکانسی که در حداکثر دامنه ممکن سیگنال خروجی تحریف نشده گرفته می شود تعیین می شود. ابتدا، در فرکانس‌های پایین، چنین دامنه‌ای از سیگنال از مولد نوسانات هارمونیک تنظیم می‌شود تا دامنه سیگنال خروجی Uout.max اندکی به مرزهای اشباع تقویت‌کننده نرسد. سپس فرکانس سیگنال ورودی را افزایش دهید. پهنای باند توان f p مطابق با مقدار U vyh.max برابر با 0.707 مقدار اصلی است. مقدار پهنای باند توان با افزایش ظرفیت خازن اصلاح کاهش می یابد.

پارامترهای عملیاتی Op-amps حالت های مجاز عملکرد مدارهای ورودی و خروجی و الزامات منابع تغذیه و همچنین محدوده دمایی تقویت کننده را تعیین می کند. محدودیت‌های پارامترهای عملیاتی به دلیل مقادیر محدود ولتاژهای شکست و جریان‌های مجاز از طریق ترانزیستورهای op-amp است. پارامترهای اصلی عملیاتی عبارتند از: مقدار اسمی ولتاژ تغذیه U p. محدوده مجاز ولتاژهای تغذیه؛ جریان مصرف شده از منبع من عرق می کنم. حداکثر جریان خروجی I vyh.max; حداکثر مقادیر ولتاژ خروجی در منبع تغذیه اسمی؛ حداکثر مجاز ولتاژ ورودی حالت مشترک و دیفرانسیل

پاسخ فرکانستقویت کننده عملیاتی عامل مهمی است که پایداری مدارهای واقعی با چنین تقویت کننده ای به آن بستگی دارد. در اکثر تقویت کننده های عملیاتی، مراحل مجزا توسط کوپلینگ های گالوانیکی توسط جریان مستقیم به یکدیگر متصل می شوند، بنابراین این تقویت کننده ها در ناحیه فرکانس پایین واپاشی بهره ندارند و نیاز به تحلیل واپاشی بهره با افزایش فرکانس دارند.

شکل 15.7 . پاسخ فرکانس تقویت کننده عملیاتی

در شکل 15.7. پاسخ فرکانس معمولی یک تقویت کننده عملیاتی نشان داده شده است.

برنج. 15.8. مدار معادل عملیات آمپر ساده شده

با افزایش فرکانس، ظرفیت خازن کاهش می یابد، که منجر به کاهش ثابت زمانی τ \u003d R n * C می شود. بدیهی است که فرکانس باید وجود داشته باشد که بالاتر از آن ولتاژ در خروجی U کمتر از KU d باشد.

عبارت بهره K در هر فرکانس:

دارای شکل، که در آن K بهره حلقه باز در فرکانس های پایین است. f - فرکانس کاری؛ f 1 - فرکانس قطع یا فرکانس در 3 دسی بل، یعنی. فرکانسی که در آن K(f) 3 دسی بل زیر K یا برابر با 0.707 A است.

اگر، همانطور که معمولاً اتفاق می‌افتد، R n » R بیرون بیاید، پس .

به طور معمول، پاسخ فرکانسی به صورت کلی ارائه می شود. چگونه:

که در آن f فرکانس مورد علاقه ما است، در حالی که f 1 یک فرکانس ثابت است که نامیده می شود فرکانس قطعو مشخصه یک تقویت کننده خاص است. با افزایش فرکانس، بهره ولتاژ کاهش می یابد. علاوه بر این، از عبارت θ می توان دریافت که وقتی فرکانس تغییر می کند، فاز سیگنال خروجی نسبت به فاز ورودی تغییر می کند. - سیگنال خروجی با ورودی خارج از فاز است.

افزودن بازخورد منفی، مانند تقویت کننده معکوس یا غیر معکوس، پهنای باند موثر op-amp را افزایش می دهد.

برای مشاهده این، عبارت بهره حلقه باز تقویت کننده با رول آف 6 دسی بل/اکتاو (زمانی که فرکانس دو برابر می شود) را در نظر بگیرید:

جایی که K(f) بهره حلقه باز در فرکانس f است. A بهره بدون بازخورد در فرکانس های پایین است. f 1 - فرکانس گوشه. با جایگزینی این رابطه به عنوان سود در حضور بازخورد، به دست می آوریم

این عبارت را می توان به صورت , که در آن f 1 oc = f 1 (1 + Аβ) بازنویسی کرد. K 1 - افزایش با بازخورد بسته در فرکانس های پایین. f 1oc - فرکانس قطع در حضور بازخورد.

فرکانس قطع با بازخورد برابر با فرکانس قطع بدون بازخورد ضرب در (1 + Kβ) > 1 است، بنابراین پهنای باند موثر هنگام استفاده از بازخورد افزایش می‌یابد. این پدیده در شکل 8 نشان داده شده است، جایی که f 1oc > f 1 برای تقویت کننده با بهره 40 دسی بل.

اگر نرخ roll-off تقویت کننده 6dB/octave باشد، حاصلضرب پهنای باند افزایش ثابت است: Kf 1 = const. برای مشاهده این، بیایید بهره فرکانس پایین ایده آل را در فرکانس قطع بالای همان تقویت کننده در حضور بازخورد ضرب کنیم.

سپس محصول افزایش پهنای باند را دریافت می کنیم:

جایی که K بهره بدون بازخورد در فرکانس های پایین است.

در حالی که قبلاً نشان داده شده بود که برای افزایش پهنای باند با بازخورد، بهره باید کاهش یابد، اما اکنون رابطه مشتق شده این امکان را فراهم می کند که بفهمیم چه مقدار از سود باید قربانی شود تا پهنای باند مورد نظر به دست آید.

مدار معادل تقویت کننده عملیاتیبه شما امکان می دهد تأثیر غیر ایده آل بودن تقویت کننده را بر روی ویژگی های مدار در نظر بگیرید. برای انجام این کار، نشان دادن تقویت کننده به عنوان یک مدار معادل کامل که حاوی عناصر قابل توجهی از نقص است، راحت است. مدار کامل معادل op-amp برای تغییرات کوچک سیگنال آهسته در شکل نشان داده شده است. 15.9.

برنج. 15.9.. مدار معادل Op-amp برای سیگنال های کوچک

برای تقویت کننده های عملیاتی با ترانزیستورهای دوقطبی در ورودی، امپدانس ورودی برای سیگنال دیفرانسیل r d چندین مگا اهم و امپدانس ورودی برای سیگنال حالت مشترک r in چندین گیگا اهم است. جریان های ورودی تعیین شده توسط این مقاومت ها در حد چند نانو آمپر هستند. مقادیر به طور قابل توجهی بیشتر جریان های مستقیمی هستند که از ورودی های تقویت کننده عملیاتی عبور می کنند و توسط بایاس ترانزیستورهای مرحله دیفرانسیل تعیین می شوند. برای آپامپ های جهانی، جریان های ورودی از 10 nA تا 2 μA متغیر است، و برای تقویت کننده هایی با مراحل ورودی ساخته شده بر روی ترانزیستورهای اثر میدان، کسری از نانو آمپر هستند.

پارامترهای تقویت کننده عملیاتی

از آنجایی که op-amp یک دستگاه جهانی است، تعداد زیادی پارامتر برای توصیف خواص آن استفاده می شود.

1. ضریب بهره K برابر است با نسبت ولتاژ خروجی به سیگنال ورودی دیفرانسیل که باعث این افزایش در غیاب فیدبک شده است (10 3-10 7 است) و در حالت بیکار در خروجی تعیین می شود. به = U out /U in.d.

2. ولتاژ بایاس صفر U cm نشان می دهد که چه ولتاژی باید به ورودی op-amp اعمال شود تا U / 0 در خروجی خارج شود (0.5-0.15 میلی ولت است). این نتیجه تطابق نادرست ولتاژهای پایه امیتر ترانزیستورهای ورودی است.

3. جریان ورودی I در با حالت عادی عملکرد مرحله دیفرانسیل ورودی در ترانزیستورهای دوقطبی تعیین می شود. این جریان پایه ترانزیستور ورودی DU است. اگر از ترانزیستورهای اثر میدانی در مرحله دیفرانسیل استفاده شود، آنگاه اینها جریانهای نشتی هستند.

هنگامی که منابع سیگنال با مقاومت های داخلی متفاوت به ورودی های op-amp متصل می شوند، افت های ولتاژ مختلفی بر روی این مقاومت ها توسط جریان های بایاس ایجاد می شود. سیگنال دیفرانسیل که ظاهر می شود ولتاژ ورودی را تغییر می دهد. برای کاهش آن، مقاومت منابع سیگنال باید یکسان باشد.

4. تفاوت در جریان های ورودی DI در برابر است با تفاوت مقادیر جریان های عبوری از ورودی های op-amp، در یک مقدار معین ولتاژ خروجی، 0.1-200 nA است.

5. مقاومت ورودی Rbx (مقاومت بین پایانه های ورودی) برابر است با نسبت افزایش ولتاژ ورودی به افزایش جریان ورودی در فرکانس سیگنال معین. Rbx برای ناحیه فرکانس پایین تعیین می شود. بسته به ماهیت سیگنال اعمال شده، امپدانس ورودی دیفرانسیل (برای سیگنال دیفرانسیل) و حالت مشترک (برای سیگنال حالت مشترک) است.

امپدانس ورودی دیفرانسیل - این امپدانس ورودی از هر ورودی است، هنگامی که ورودی دیگر به ترمینال مشترک متصل می شود، ده ها کیلو اهم - صدها MΩ است. چنین Rbx بزرگی به دلیل کنترل از راه دور ورودی و منبع ولتاژ DC پایدار به دست می آید. امپدانس ورودی حالت رایج مقاومت بین پایانه های ورودی کوتاه و زمین است. هنگامی که سیگنال حالت مشترک به ورودی ها اعمال می شود، با تغییر در جریان متوسط ​​ورودی مشخص می شود و چندین مرتبه بزرگتر از R در تفاوت است.

6. ضریب تضعیف سیگنال حالت مشترک K osl sf به عنوان نسبت ولتاژ سیگنال حالت مشترک اعمال شده به هر دو ورودی به ولتاژ ورودی دیفرانسیل تعریف می شود که باعث مقدار ولتاژ خروجی نیز می شود. ضریب تضعیف نشان می دهد که چند برابر بهره سیگنال دیفرانسیل بیشتر از بهره سیگنال ورودی حالت رایج است و 60-120 دسی بل است:

با افزایش ضریب تضعیف سیگنال حالت مشترک، تشخیص سیگنال ورودی دیفرانسیل در پس‌زمینه نویز حالت مشترک، دقیق‌تر است و کیفیت Op-amp بهتر است. اندازه گیری ها در محدوده فرکانس پایین انجام می شود.

7. مقاومت خروجی Rout با نسبت افزایش ولتاژ خروجی به افزایش جزء فعال جریان خروجی در مقدار معینی از فرکانس سیگنال تعیین می شود و چند صد اهم است.

8. رانش دمایی ولتاژ بایاس برابر است با نسبت حداکثر تغییر ولتاژ بایاس به تغییر دمایی که باعث آن شده است و بر حسب μV/deg تخمین زده می شود.

دریفت های حرارتی در ولتاژ بایاس و جریان های ورودی باعث ایجاد خطاهای حرارتی در دستگاه های آپ امپ می شود.

9. ضریب تأثیر ناپایداری منبع تغذیه بر روی ولتاژ خروجی، تغییر ولتاژ خروجی را هنگام تغییر ولتاژ تغذیه 1 ولت نشان می دهد و بر حسب μV / V تخمین زده می شود.

10. حداکثر ولتاژ خروجی Uout max توسط مقدار محدود کننده ولتاژ خروجی op-amp برای مقاومت بار معین و ولتاژ سیگنال ورودی تعیین می شود که عملکرد پایدار op-amp و اعوجاج هایی را که از حد مشخص شده تجاوز نمی کند تضمین می کند. ارزش. حداکثر 1-5 ولت کمتر از ولتاژ تغذیه خارج شوید.

11. حداکثر جریان خروجی I out max با جریان مجاز کلکتور مرحله خروجی op-amp محدود می شود.

12. مصرف برق - توان تلف شده توسط سیستم عامل زمانی که بار خاموش است.

13. فرکانس بهره واحد f 1 فرکانس سیگنال ورودی است که در آن بهره آپ امپ برابر با 1 است: |K(f 1)| =l. برای آپ امپ یکپارچه، فرکانس بهره واحد دارای مقدار حدی 1000 مگاهرتز است. ولتاژ خروجی در این فرکانس حدود 30 برابر کمتر از جریان مستقیم است.

14. فرکانس قطع f c OS - فرکانسی که در آن بهره با یک عامل کاهش می یابد. پهنای باند op-amp را تخمین می زند و ده ها مگاهرتز است.

15. حداکثر سرعت چرخش ولتاژ خروجی V max با بالاترین نرخ تغییر در ولتاژ خروجی op-amp تعیین می شود زمانی که یک پالس مستطیلی با دامنه ای برابر با حداکثر مقدار ولتاژ ورودی در ورودی اعمال شود. و در محدوده 0.1-100 V / μs قرار دارد. هنگامی که در معرض حداکثر ولتاژ ورودی قرار می گیرد، مرحله خروجی آپ امپ در هر دو قطبیت به ناحیه اشباع می افتد. این پارامتر برای دستگاه های تقویت کننده عملیات باند پهن و پالسی مشخص شده است و منجر به لبه های خروجی با عرض محدود می شود. V max عملکرد op-amp را در حالت سیگنال بزرگ مشخص می کند.

16. زمان ته نشینی ولتاژ خروجی t yc t (زمان فروپاشی گذرا) زمان لازم برای بازگشت تقویت کننده از حالت اشباع خروجی به حالت خطی است.

زمان ته نشینی زمانی است که در طی آن، پس از افزایش ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی با مقدار حالت پایدار با مقدار خطای نسبی مجاز dU out متفاوت است. در طول زمان استقرار، ولتاژ خروجی op-amp، هنگامی که در معرض ولتاژ ورودی مستطیلی قرار می گیرد، از سطح 0.1 به سطح 0.9 مقدار حالت پایدار تغییر می کند.

17. ولتاژ نویز داده شده به ورودی با مقدار موثر ولتاژ در خروجی تقویت کننده با سیگنال ورودی صفر و مقاومت صفر منبع سیگنال تقسیم بر بهره op-amp تعیین می شود. چگالی طیفی نویز به صورت جذر مربع ولتاژ نویز کاهش یافته تقسیم بر باند فرکانسی که در آن اندازه گیری ولتاژ نویز انجام می شود، تخمین زده می شود. ابعاد این پارامتر در مشخصات آپ امپ، گاهی اوقات رقم نویز (dB) تنظیم می شود که به عنوان نسبت توان نویز کاهش یافته یک تقویت کننده که از منبعی با مقاومت داخلی Rg کار می کند به توان نویز مقاومت فعال تعریف می شود.

که در آن U w - کاهش ولتاژ نویز در Rg = 0.

4kTR r چگالی طیفی نویز حرارتی مقاومت است.

الزامات پارامترهای سیستم عامل به عملکردهایی که انجام می دهد بستگی دارد. در تمام موارد عملی مطلوب است که خطای عملیات انجام شده کاهش یابد، قابلیت اطمینان و سرعت افزایش یابد. بهبود همزمان تمام پارامترها الزامات متناقضی را برای مدار و ساخت آن مطرح می کند. همه اینها با طیف گسترده ای از آپ امپ توضیح داده شده است، که در آنها فقط پارامترهای خاص به هزینه دیگران بهینه می شوند.

بنابراین در تجهیزات اندازه گیری از آپ امپ های دقیق استفاده می شود که دارای بهره زیاد، امپدانس ورودی زیاد، ولتاژ بایاس صفر کم و نویز کم هستند. و آپ امپ های پرسرعت باید دارای سرعت حرکت بالا، پهنای باند زیاد و زمان ته نشینی ولتاژ خروجی کوتاه باشند. چنین آپ امپ هایی در دستگاه های تقویت کننده پالس و باند پهن و در دستگاه های مبدل آنالوگ به دیجیتال کاربرد پیدا کرده اند.

برای ایجاد مقایسه کننده هایی که برای مقایسه مقادیر لحظه ای دو ولتاژ استفاده می شوند، از آپ امپ های پرسرعت که در حالت سوئیچینگ کار می کنند استفاده می شود.