تقویت کننده عملیاتی: مدارهای سوئیچینگ، اصل کار. مدار تقویت کننده روی یک تقویت کننده عملیاتی غیر معکوس. مدار تقویت کننده ولتاژ DC روی یک تقویت کننده عملیاتی. تقویت کننده عملیاتی

از این رو، .

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

که تحت شرط К » K os معتبر است.

در طرح دنبال کننده ولتاژ روی op-amp (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 صفر تمایل دارد و در نتیجه برابری U را در \u003d 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 یک ولتاژ هستند، در این موردبرابر U os است، 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 را برابر صفر قرار دهید و سیگنال ورودی را به ورودی U 2 اعمال کنید، تقویت کننده به عنوان یک تقویت کننده غیر معکوس عمل می کند که در آن ولتاژ ورودی از تقسیم کننده ای که توسط مقاومت های R2 و R تشکیل شده است گرفته می شود. 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 خواهد شد، جایی که
.

چون آمپلی فایر امپدانس ورودی بسیار بالایی دارد،

ما داریم

.

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 توسط بزرگترین 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. با تشکر از حضور بازخورداین 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 حلقه 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 دوقطبیدر ورودی ها بیش از 10 9 اهم است. 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:

(15.7)

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:

(15.8)

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:

(15.9)

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. برای بیشتر فرکانس های بالاامپدانس خروجی op-amp فیدبک افزایش خواهد یافت، زیرا. 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 اندازه گیری می شوند حالت خطیعملکرد مراحل تقویت کننده عملیات (DU out<1В). Ко второй группе относятся скорость нарастания выходного напряжения r и мощностная полоса пропускания f р. Эти параметры измеряются при большом дифференциальном входном сигнале ОУ (более 50 мВ). Некоторые из этих парамеров рассмотрены выше. Время установления отсчитывается от момента подачи на вход ОУ ступеньки входного напряжения до момента, когда в последний раз станет справедливым равенство |U вых.уст - U вых(t) | = d, где U вых.уст - установившееся значение выходного напряжения, d - допустимая ошибка.

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 برای بهره K در هر فرکانس

فرم را دارد
، که در آن K افزایش بدون بازخورد است فرکانس های پایین f فرکانس کاری است. 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:

. (15.10)

که در آن f فرکانس مورد علاقه ما است، در حالی که f 1 یک فرکانس ثابت است که نامیده می شود مرز فرکانسو 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:

، که در آن K(f) بهره حلقه باز در فرکانس f است. A بهره بدون بازخورد در فرکانس های پایین است. f 1 - فرکانس گوشه. جایگزینی این رابطه با بیان سود در حضور بازخورد
، ما گرفتیم

. (15.11)

این عبارت را می توان به صورت بازنویسی کرد
، جایی که f 1 oc \u003d f 1 (1 + Аβ)؛ K 1 - افزایش با بازخورد بسته در فرکانس های پایین. f 1oc - فرکانس قطع در حضور بازخورد.

فرکانس قطع با بازخورد برابر است با فرکانس قطع بدون بازخورد ضرب در (1+Kβ)> 1، 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:

، که در آن K بهره حلقه باز 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.

تقویت کننده های Op-amp از بازخورد منفی (NFB) استفاده می کنند، بنابراین چندین وجود دارد قوانین ساده، که رفتار چنین تقویت کننده ای را تعیین می کند. سه فرض ساده کننده در مورد خواص آپ امپ باید استفاده شود: بهره آپ امپ بدون فیدبک و مقاومت ورودی بی نهایت زیاد است، مقاومت خروجی صفر است.

هنگام تجزیه و تحلیل، به یاد داشته باشید که افزایش ولتاژ زیاد تقویت کننده عملیات باعث تغییر ولتاژ چند کسری میلی ولت بین ورودی ها می شود و باعث می شود ولتاژ خروجی در محدوده کامل خود تغییر کند. قانون اول از این نتیجه می گیرد: op-amp اختلاف ولتاژ بین ورودی ها را تقویت می کند و به دلیل مدار OOS خارجی، ولتاژ را از خروجی به ورودی منتقل می کند به گونه ای که اختلاف ولتاژ بین ورودی ها عملاً صفر شود. .

امپدانس ورودی انواع مختلفآپ امپ از مگااهم تا هزاران مگا اهم، جریان های ورودی - از کسری از نانو آمپر تا پیکوآمپر متغیر است. این زمینه را برای تدوین قانون دوم فراهم می کند: ورودی های تقویت کننده عملیاتی جریان را مصرف نمی کنند. این قوانین مبنای کافی برای تجزیه و تحلیل مدارهای آپ امپ فراهم می کند. مدار تقویت کننده معکوس بر روی op-amp در شکل نشان داده شده است.

برنج. تقویت کننده معکوس کننده Op-amp

با تجزیه و تحلیل این مدار، با در نظر گرفتن قوانین فرموله شده در بالا، می توان نشان داد که وقتی ورودی غیر معکوس op-amp زمین است، ولتاژ در ورودی معکوس نیز صفر است. این بدان معنی است که افت ولتاژ در سراسر ROC UOUT و افت ولتاژ در R1 UIN است. اگر جریان های ورودی op-amp برابر با صفر باشد، UOUT / ROC = -UIN / R1، افزایش ولتاژ KU = UOUT / UIN = -ROC / R1. علامت منفی نشان می دهد که سیگنال خروجی نسبت به ورودی معکوس شده است (180 درجه جابجا شده است).

این مدار یک تقویت کننده است جریان مستقیمدر این مدار، فیدبک ولتاژ موازی اجرا می شود، زیرا سیگنال فیدبک به صورت سری به سیگنال ورودی متصل نیست، بلکه به صورت موازی با آن به همان ورودی تغذیه می شود.

همانطور که می دانید فیدبک موازی امپدانس ورودی تقویت کننده را کاهش می دهد. در مدار، پتانسیل نقطه اتصال R1 و ROC همیشه صفر است و به این نقطه «صفر مجازی» (زمین فرضی) می گویند. بنابراین، امپدانس ورودی مدار RВХ = R1. مقاومت خروجی مدار کوچک و برابر کسری از اهم است. بنابراین، نقطه ضعف مدار مقاومت ورودی کم است، به ویژه برای تقویت کننده های با بهره ولتاژ بالا، که در آن مقاومت R1، به عنوان یک قاعده، کوچک است. مزیت مدار مقدار کم ولتاژ حالت مشترک است که عملاً برابر با صفر است. این واقعیت که بهره فقط با نسبت دو مقاومت تعیین می شود، استفاده از تقویت کننده معکوس را بسیار انعطاف پذیر می کند.

استفاده عملی از تقویت کننده های op-amp دارای تعدادی ویژگی است. سیستم عامل باید داخل باشد حالت فعال، ورودی و خروجی آن نباید بیش از حد بارگذاری شود. به عنوان مثال، اگر سیگنال زیادی را به ورودی تقویت کننده اعمال کنید، این منجر به این واقعیت می شود که سیگنال خروجی برابر با ولتاژ اشباع می شود (معمولا مقدار آن کمتر از ولتاژ تغذیه 2 ولت است).

در مدار آپ امپ باید مدار فیدبک جریان مستقیم ارائه شود در غیر این صورت آپ امپ لزوما به حالت اشباع می رود. بسیاری از آپ امپ دارای محدودیت های ولتاژ ورودی دیفرانسیل نسبتاً پایینی هستند. حداکثر اختلاف ولتاژ بین ورودی‌های معکوس و غیر معکوس می‌تواند برای هر دو قطبی ولتاژ به 5 ولت محدود شود. اگر این شرایط نادیده گرفته شود، جریان های ورودی زیادی رخ می دهد.

به دلیل وجود ولتاژ بایاس ورودی، در ولتاژ صفر در ورودی، ولتاژ خروجی UOUT = KUUCM است. برای تقویت کننده ای با بهره 100 و ولتاژ آفست ورودی 2 میلی ولت، ولتاژ آفست خروجی می تواند تا 0.2 ± ولت باشد. اگر تقویت DC مورد نیاز نباشد، می توان از ظرفیت های جداکننده استفاده کرد مدار سریالانتقال سیگنال ورودی و خروجی

اگر در تقویت کننده معکوس یکی از ورودی ها زمین باشد، حتی اگر تنظیم کامل(UCM = 0)، خروجی تقویت کننده دارای ولتاژ خروجی غیر صفر خواهد بود. این به این دلیل است که جریان بایاس ورودی IBX باعث ایجاد افت ولتاژ در مقاومت ها می شود که سپس توسط مدار تقویت کننده تقویت می شود. در این مدار، مقاومت سمت ورودی معکوس توسط مقاومت‌های R1║ROC تعیین می‌شود، اما جریان بایاس به عنوان یک سیگنال ورودی، مشابه جریان عبوری از R1 درک می‌شود، و بنابراین یک بایاس خروجی UCM \u003d ICMROC ایجاد می‌کند. برای کاهش خطاهای ناشی از جریان بایاس ورودی، از یک مقاومت اضافی بین ورودی غیر معکوس و زمین استفاده کنید. مقدار این مقاومت باید برابر با R2 = R1║ROС باشد. برای مثال داده شده، R1 = 10 kΩ، ROC = 100 kΩ، R2 = 9.1 kΩ.

برنج. تقویت کننده Op-amp با مقاومت جبرانی

به منظور کاهش جریان های بایاس و تغییر دمای آنها به داخل طرح های عملیمقاومت های ورودی معمولا بین 1 تا 100 کیلو اهم هستند.

تقویت کننده غیر معکوس (NU) تقویت کننده ای است که دارای بهره پایدار با اختلاف فاز صفر بین سیگنال های ورودی و خروجی است.

در NU (شکل 5.3) یک OOS متوالی از نظر ولتاژ وجود دارد. با یک آپ امپ ایده آل ( K d = K oc sf = ¥, R IN= ¥ و R EXIT = 0) R EXIT اف\u003d 0 (اتصال و ولتاژ منفی)، R IN. اف= ¥ (OOS متوالی).

, (5.6)

و مطابق شکل 5.4،

با جایگزینی (5.7) به (5.6)، به دست می آوریم

. (5.8)

بهره NU به مقاومت منبع سیگنال بستگی ندارد آر سی، زیرا مقاومت ورودی NU برابر با ¥ و جریان عبوری است آر سیجریان نمی یابد، پس هیچ افت ولتاژی در این مقاومت وجود ندارد و . در آر 2 = 0, آر 1 = ¥ K e F= 1. این بدان معنی است که ولتاژ خروجی به طور کامل ورودی را تکرار می کند (فقط برای بیشتر سطح بالاقدرت). از این رو نام - دنبال کننده ولتاژ

بهره واحد، امپدانس ورودی بی نهایت و خروجی صفر، فالوور را به یک مرحله بافر ایده آل (ترانسفورماتور امپدانس) تبدیل می کند.

روش بالانس مقاومتی این مدار بستگی به شرایط دارد. اگر آر سی= 0، سپس مقاومت متعادل کننده R CMبه صورت سری با ورودی غیر معکوس متصل می شود (شکل 5.5).

در همان زمان D u EXITبا عبارت (5.5) توصیف می شود. غیر صفر، اما شناخته شده و ثابت مقاومت داخلی RCفقط می‌توان با مقاومت‌های سیستم‌عامل متعادل‌سازی کرد، مشروط بر اینکه آر 1 آر 2 /(آر 1 +آر 2)=آرسی. اما در این حالت بهره مدار (5.8) نیز تغییر می کند. مقاومت های ساده تر آر 1 و آر 2 را بر اساس بهره مورد نیاز انتخاب کنید و از تعادل جریان مدار اطمینان حاصل کنید RCMبه صورت سری با ورودی معکوس متصل شده است (شکل 5.6). برای این طرح

. (5.9)

اگر مقدار نامشخص و ناپایدار دارد، بهتر است از یک آپ امپ با مرحله ورودی (دیفرانسیل) روی ترانزیستورهای اثر میدانی استفاده کنید.

پایان کار -

این موضوع متعلق به:

دستگاه های الکترونیکی آنالوگ

آنالوگ لوازم برقی. قسمت دوم. چکیده سخنرانی برای دانشجویان رشته تخصصی "مهندسی رادیو" کلیه اشکال آموزش..

اگر به مطالب اضافی در مورد این موضوع نیاز دارید یا آنچه را که به دنبال آن بودید پیدا نکردید، توصیه می کنیم از جستجو در پایگاه داده آثار ما استفاده کنید:

با مطالب دریافتی چه خواهیم کرد:

اگر این مطالب برای شما مفید بود، می توانید آن را در صفحه خود در شبکه های اجتماعی ذخیره کنید:

تمامی موضوعات این بخش:

هدف، پارامترها
مقایسه کننده ها ساده ترین مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC) هستند. دستگاه هایی که تبدیل می شوند سیگنال پیوستهآنها برای مقایسه سیگنال ورودی طراحی شده اند

ویژگی های استفاده از مقایسه کننده های نیمه هادی
پرمصرف ترین مقایسه کننده ها را می توان به چهار گروه تقسیم کرد: هدف کلی (K521CA2، K521CA5)، دقیق (K521CA3، K597CA3)، پرسرعت (K597CA1، K597CA2) و

مقایسه کننده های تخصصی تقویت کننده های عملیاتی
هنگام مقایسه سیگنال های فرکانس پایینبا دقت بالا (ده ها میکرو ولت) با حداقل مصرف برق، استفاده از مقایسه کننده های آپ امپ اغلب ترجیح داده می شود.

کاربرد عملی تقویت کننده های عملیاتی قسمت اول.

بخش اول.

سلام به همه.
در این مقاله به برخی از جنبه ها می پردازیم کاربرد عملیتقویت کننده های عملیاتی در زندگی روزمره یک آماتور رادیویی
بدون اینکه افکارم را در امتداد درخت پخش کنم و به داخل انبوه بروم مبنای نظریبا عملکرد تقویت کننده فوق، اجازه دهید برخی از اصطلاحات و مفاهیم اساسی را که در آینده با آنها مواجه خواهیم شد، مشخص کنیم.
بنابراین - تقویت کننده عملیاتی. علاوه بر این ما آن را OU می نامیم، در غیر این صورت نوشتن آن به طور کامل هر بار بسیار تنبل است.
بر نمودارهای مدار، اغلب به صورت زیر نشان داده می شود:

شکل سه نتیجه مهم عملیات تقویت کننده - دو ورودی و یک خروجی را نشان می دهد. البته، پین‌های پاور و گاهی اوقات پین‌های تصحیح فرکانس نیز وجود دارد، اگرچه مورد دوم کمتر رایج می‌شود - بیشتر آپمپ‌های مدرن آن را داخلی دارند. دو ورودی op-amp - Inverting و Non-Inverting به دلیل خصوصیات ذاتی آنها به این نام نامگذاری شده اند. اگر سیگنالی را به ورودی Inverting اعمال کنیم، در خروجی یک سیگنال معکوس، یعنی یک سیگنال تغییر فاز 180 درجه - یک تصویر آینه ای دریافت می کنیم. اگر سیگنالی را به ورودی Non-Inverting اعمال کنیم، در خروجی یک سیگنال تغییر فاز دریافت خواهیم کرد.

علاوه بر نتایج اصلی، سه ویژگی اصلی Op-amp نیز وجود دارد - می توانید آنها را TriO (یا OOO - همانطور که دوست دارید) بنامید: مقاومت ورودی بسیار بالا، بهره بسیار بالا (10000 یا بیشتر)، خروجی بسیار کم مقاومت. یکی دیگه خیلی پارامتر مهم Op-amp را نرخ انحراف ولتاژ خروجی می نامند (در زبان بورژوایی نرخ حرکت). در واقع سرعت این آپ امپ را نشان می دهد - با چه سرعتی می تواند ولتاژ خروجی را در هنگام تغییر در ورودی تغییر دهد.
این پارامتر بر حسب ولت بر ثانیه (V/s) اندازه گیری می شود.
این پارامتر در درجه اول برای دوستانی که فرکانس های اولتراسونیک را طراحی می کنند مهم است، زیرا اگر آپ امپ به اندازه کافی سریع نباشد، در فرکانس های بالا با ولتاژ ورودی هماهنگ نخواهد شد و منصفانه خواهد بود. اعوجاج غیر خطی. مدرن ترین سیستم عامل همه منظورهنرخ حرکت سیگنال از 10V/μs و بالاتر. برای آپامپ های پرسرعت، این پارامتر می تواند به مقدار 1000 ولت بر ثانیه برسد.
با استفاده از فرمول می توانید ارزیابی کنید که آیا این یا آن آپ امپ برای اهداف شما از نظر سرعت حرکت سیگنال مناسب است یا خیر:

که در آن، fmax فرکانس سیگنال سینوسی، Vmax نرخ حرکت سیگنال، Vout حداکثر ولتاژ خروجی است.
خب، دیگر از دم گربه نکشیم - برسیم به وظیفه اصلی این اپوس - در واقع این چیزهای باحال را می توان در کجا گیر کرد و از آن چه به دست آورد.

اولین طرح برای روشن کردن سیستم عامل - تقویت کننده معکوس.

محبوب ترین و رایج ترین مدار تقویت کننده آپ امپ. سیگنال ورودی به ورودی معکوس اعمال می شود و ورودی غیر معکوس به زمین متصل می شود.
بهره توسط نسبت مقاومت های R1 و R2 تعیین می شود و با فرمول محاسبه می شود:

چرا "منهای"؟ زیرا همانطور که به یاد داریم، در تقویت کننده معکوس، فاز سیگنال خروجی به فاز ورودی "آینه" است.
مقاومت ورودی توسط مقاومت R1 تعیین می شود. اگر مقاومت آن به عنوان مثال 100 کیلو اهم باشد، امپدانس ورودی تقویت کننده 100 کیلو اهم خواهد بود.

طرح زیر است تقویت کننده معکوس با افزایش امپدانس ورودی.
مدار قبلی برای همه خوب است، به استثنای یک تفاوت ظریف - نسبت مقاومت ورودی و بهره ممکن است برای اجرای هر پروژه خاصی مناسب نباشد. پس از همه، چه اتفاقی می افتد - بیایید بگوییم که به یک تقویت کننده با K = 100 نیاز داریم. سپس، بر اساس این واقعیت که مقادیر مقاومت ها باید در محدوده معقول باشد، R2 \u003d 1MΩ و R1 \u003d 10kΩ می گیریم. یعنی امپدانس ورودی آمپلی فایر 10 کیلو اهم خواهد بود که در برخی موارد کافی نیست.
در همین موارد، طرح زیر را می توان اعمال کرد:

در این حالت، سود با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

یعنی با همان بهره می توان مقاومت R1 را افزایش داد و از این رو امپدانس ورودی تقویت کننده را نیز می توان افزایش داد.

ضریب بهره به صورت زیر تعریف می شود:

در این مورد، همانطور که می بینید، هیچ منفی وجود ندارد - فاز سیگنال در ورودی و خروجی یکسان است.
تفاوت اصلی با تقویت کننده معکوس افزایش مقاومت ورودی است که می تواند به 10 MΩ و بالاتر برسد.
اگر هنگام اجرای این مدار در طرح های عملی، لازم است جداسازی DC از مراحل قبلی - برای نصب خازن جداکننده، فراهم شود، پس باید یک مقاومت با مقاومت حدود 100 کیلو اهم را بین ورودی op-amp وصل کنید. سیم مشترک، همانطور که در شکل نشان داده شده است.

تقویت کننده های قدرت مدارهای خطی در سیستم عامل

Op-amp به طور گسترده ای در دستگاه های الکترونیکی آنالوگ استفاده می شود. در نظر گرفتن توابع پیاده سازی شده توسط CO با OOS راحت است اگر CO را در فرم نشان دهیم مدل ایده آل، که در آن:

1. مقاومت ورودی تقویت کننده عملیاتی برابر با بی نهایت است، جریان الکترودهای ورودی برابر با صفر است (Rin > ∞، i+ = i- = 0).
2. امپدانس خروجی تقویت کننده عملیاتی صفر است، یعنی. آمپ جانبی ورودی است منبع ایده آلولتاژ (Rout = 0).
3. بهره ولتاژ (افزایش ولتاژ سیگنال دیفرانسیل) بی نهایت است و سیگنال دیفرانسیل در حالت بهره صفر است (هیچ کوتاهی پایه های آپ امپ مجاز نیست).
4. در حالت اشباع، ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ تغذیه است و علامت توسط قطبیت ولتاژ ورودی تعیین می شود. توجه به این نکته مفید است که در حالت اشباع سیگنال دیفرانسیل را نمی توان همیشه برابر با صفر در نظر گرفت.
5. سیگنال حالت مشترک روی تقویت کننده عملیاتی عمل نمی کند.
6. ولتاژ افست صفر صفر است.

تقویت کننده معکوس کننده Op-amp

مدار یک تقویت کننده معکوس تحت پوشش فیدبک ولتاژ موازی در شکل ها نشان داده شده است:

OOS با اتصال خروجی تقویت کننده به ورودی با مقاومت R2 پیاده سازی می شود.

در ورودی معکوس کننده آپ امپ، جریان ها جمع می شوند. از آنجایی که جریان ورودی op-amp i- \u003d 0، سپس i1 \u003d i2 است. از آنجایی که i1 = Uin /R1، و i2 = -Uout /R2، پس . Ku = = -R2/R1. علامت "-" نشان می دهد که علامت ولتاژ ورودی معکوس است.

در شکل (ب)، یک مقاومت R3 در مدار ورودی غیر معکوس گنجانده شده است تا تأثیر جریان های ورودی op-amp را کاهش دهد که مقاومت آن از عبارت زیر تعیین می شود:

امپدانس ورودی تقویت کننده در فرکانس های پایین تقریباً Rin.os = ≈ R1 است.

امپدانس خروجی Rout.os = به طور قابل توجهی کمتر از Rout خود آپمپ.

تقویت کننده آپ امپ غیر معکوس

مدار یک تقویت کننده غیر معکوس پوشیده شده توسط یک فیدبک ولتاژ سری در شکل نشان داده شده است:

OOS با استفاده از مقاومت های R1، R2 پیاده سازی می شود.

با استفاده از مفروضات پذیرفته شده قبلی برای مدل ایده آل، به دست می آوریم

امپدانس ورودی: Rin.os → ∞

امپدانس خروجی: Rout.os = → 0

نقطه ضعف تقویت وجود یک سیگنال حالت مشترک در ورودی ها برابر با Uin است.

دنبال کننده ولتاژ Op-amp

مدار پیرو به دست آمده از مدار تقویت کننده غیر معکوس با R1 → ∞, R2 → 0 در شکل نشان داده شده است:

ضریب β = 1، Ku.os = K/1+K ≈ 1، یعنی. ولتاژ ورودی و خروجی op-amp برابر است: Uin \u003d Uout .

جمع کننده ولتاژ Op-amp (جمع کننده معکوس)

معکوس کردن مدار تقویت کننده با اضافی مدارهای ورودیدر شکل نشان داده شده است:

با توجه به اینکه i+ = i- = 0، ioc = - Uout /Ros = Uin1 /R1 + Uin2 /R2 + ... + Uinn /Rn، به دست می آید: Uout = -Ros (Uin1 /R1 + Uin2 /R2 + .. . + Uin /Rn)

اگر Ros = R1 = R2 = ... = Rn، Uout = - (Uin1 + Uin2 + ... + Uinn).

سیستم عامل در حالت خطی کار می کند.

برای کاهش تأثیر جریان های ورودی op-amp، یک مقاومت Re در مدار ورودی غیر معکوس (در شکل نشان داده شده است) با مقاومت: Re = R1//R2//…//Rn گنجانده شده است. //Roc.

تقویت کننده تفریق کننده Op-amp

مدار تقویت کننده با ورودی دیفرانسیل در شکل نشان داده شده است:

آمپلی فایر ترکیبی از تقویت کننده های معکوس و غیر معکوس است. در مورد مورد بررسی، ولتاژ خروجی از عبارت:

Uout = Uin2 R3/(R3+R4) (1+R2/R1) - Uin1 R2/R1

با R1 = R2 = R3 = R4: Uout = Uin2 - Uin1 - i.e. بستگی به تفاوت دارد سیگنال های ورودی.

یکپارچه سازی آمپلی فایر روی op-amp

مدار یکپارچه که در آن یک خازن در مدار OOS نصب شده است در شکل نشان داده شده است:

بگذارید ورودی باشد موج مربعی Uin. در بازه t1...t2، دامنه Uin برابر با U است. از آنجایی که جریان ورودی op-amp صفر است، پس |iin | = |-ic |، iin = Uin /R1، ic = C dUout /dt.

Uin /R1 = C dUout /dt یا

که در آن Uout (0) ولتاژ در خروجی (خازن C) در زمان شروع ادغام (در زمان t1) است.

τ = R1 C ثابت زمان ادغام است، به عنوان مثال. زمانی که در آن Uout با مقدار ΔUout = U تغییر می کند.

بنابراین، ولتاژ خروجی در بازه t1...t2 به صورت خطی تغییر می کند و نشان دهنده انتگرال ولتاژ ورودی است. ثابت زمانی باید به گونه ای باشد که تا پایان ادغام Uout باشد< Eпит .

تقویت کننده دیفرانسیل

با جابجایی R1 و C1 در انتگرال، یک مدار تقویت کننده متمایز دریافت می کنیم:

با قیاس با تقویت کننده یکپارچه، می نویسیم:

Ic = C dUin /dt، IR2 = -Uout /R

زیرا |ic | = |-IR2 |، سپس Uout = - CR dUin /dt

τ = CR ثابت تمایز است.

استفاده از آپ امپ با طرح های فوق به دور از تمام شدن است.

فیلترهای فعال

در الکترونیک، دستگاه به طور گسترده ای برای جداسازی یک سیگنال مفید از تعدادی سیگنال ورودی با یک تضعیف همزمان سیگنال های مزاحم از طریق استفاده از فیلترها استفاده می شود.

فیلترها به غیر منفعل تقسیم می شوند که بر اساس خازن ها، سلف ها و مقاومت ها ساخته می شوند و بر اساس ترانزیستورها و تقویت کننده های عملیاتی فعال هستند.

معمولا در الکترونیک اطلاعات استفاده می شود فیلترهای فعال. اصطلاح "فعال" با گنجاندن در مدار RLC - یک فیلتر عنصر فعال (از ترانزیستور یا آپ امپ) برای جبران تلفات عناصر غیرفعال توضیح داده می شود.

فیلتر وسیله ای است که سیگنال ها را در باند عبور عبور داده و آنها را در بقیه محدوده فرکانسی به تاخیر می اندازد.

بر اساس نوع فیلترهای پاسخ فرکانسیبه فیلترهای کم گذر (LPF) و به فیلترها تقسیم می شود سه برابر شدن(HPF)، فیلترهای باند گذر و فیلترهای ناچ.

نمودار ساده ترین فیلتر پایین گذر و پاسخ فرکانسی آن در شکل نشان داده شده است:

در پهنای باند 0 - fc، سیگنال مفید از فیلتر پایین گذر بدون اعوجاج عبور می کند.

Fc - fz - باند انتقالی،
fз - ∞ – باند توقف،
fs – فرکانس قطع،
fz فرکانس تاخیر است.

HPF سیگنال های فرکانس بالا را ارسال می کند و سیگنال های فرکانس پایین را به تاخیر می اندازد.

فیلتر باند گذر سیگنال های یک باند فرکانسی را که در قسمت داخلی محور فرکانس قرار دارد عبور می دهد.

مدار فیلتر پل وین نامیده می شود. در فرکانس f0 =

پل وین دارای ضریب انتقال β = 1/3 است. برای R1 = R2 = R و C1 = C2 = C

فیلتر ناچ سیگنال هایی را که در یک باند فرکانسی خاص قرار دارند عبور نمی دهد و سیگنال ها را با فرکانس های دیگر عبور می دهد.

مدار فیلتر را پل T دو طرفه یک سر می نامند.

جایی که R1 = R2 = R3 = R، C1 = C2 = C3 = C.

به عنوان مثال، فیلتر پایین گذر فعال دو قطبی (با توجه به تعداد خازن) را در نظر بگیرید.

سیستم عامل در حالت خطی کار می کند. هنگام محاسبه، fc داده می شود. بهره در باند عبور باید شرایط را برآورده کند: K0 ≤ 3.

اگر C1 \u003d C2 \u003d C، R1 \u003d R2 \u003d R را بگیریم، سپس C \u003d 10 / fc، جایی که fc بر حسب هرتز است، C بر حسب μF است،

برای بیشتر تغییر سریعدور از باند عبور شامل مدارهای مشابه به صورت سری است.

با تعویض مقاومت های R1، R2 و خازن های C1، C2، HPF را دریافت می کنیم.

تقویت کننده های انتخابی

تقویت‌کننده‌های انتخابی به شما امکان می‌دهند سیگنال‌ها را در محدوده فرکانس محدود تقویت کنید، سیگنال‌های مفید را برجسته کرده و همه سیگنال‌های دیگر را تضعیف کنید. این امر با استفاده از فیلترهای ویژه در مدار فیدبک تقویت کننده به دست می آید. طرح تقویت کننده انتخابی با پل T شکل دوگانه در مدار بازخورد منفی در شکل نشان داده شده است:

بهره فیلتر (منحنی 3) از 0 به 1 کاهش می یابد. پاسخ فرکانسی تقویت کننده با منحنی 1 نشان داده شده است. در فرکانس شبه تشدید، بهره فیلتر در مدار بازخورد منفی صفر است، Uout حداکثر است. در فرکانس های سمت چپ و راست f0، بهره فیلتر به وحدت و Uout = Uin تمایل دارد. بنابراین، فیلتر پهنای باند Δf را استخراج می کند و تقویت کننده عملیات تقویت آنالوگ را انجام می دهد.

نوسان ساز هارمونیک

سیستم های کنترل از مولدهای سیگنال استفاده می کنند نوع متفاوت. ژنراتور هارمونیک وسیله ای است که یک ولتاژ سینوسی متناوب ایجاد می کند.

بلوک دیاگرام چنین ژنراتوری در شکل نشان داده شده است:

سیگنال ورودی وجود ندارد. Uout \u003d K · Uos.

برای ظهور نوسانات سینوسیشرط خود تحریکی باید فقط برای یک فرکانس برآورده شود:
K · γ = 1 - تعادل دامنه ها،
φ + ψ = 2πn - تعادل فاز،
که در آن K ضریب است بهره تقویت کننده,
γ ضریب انتقال پیوند بازخورد مثبت است،
φ - تغییر فاز برای تقویت کننده،
ψ - تغییر فاز برای مدار بازخورد،
n = 0، 1، ...

مولدهای اصلی سیگنال های سینوسی فیلترها هستند، مانند پل وین. یک ژنراتور مبتنی بر آپمپ حاوی یک پل Wien در شکل نشان داده شده است:

ژنراتور یک سیگنال سینوسی با فرکانس تولید می کند.

در فرکانس f0، بهره فیلتر β = 1/3 است. تقویت کننده باید دارای بهره K ≥ 3 باشد که توسط مقاومت های R1 و R2 تنظیم می شود. یک مشکل مهم تثبیت دامنه Uout است که با حفظ مقاومت R3 و دیودهای زنر VD1 و VD2 تضمین می شود. در Uout کم، ولتاژ VD1 و VD2 کمتر از ولتاژ تثبیت است و R3 توسط دیودهای زنر شنت نمی شود. در این حالت، K > 3 و Uout افزایش می یابد. هنگامی که ولتاژ در دیودهای زنر برابر با ولتاژ تثبیت است، یک یا آن دیود زنر باز می شود و یک جفت دیود زنر مقاومت R3 را شنت می کند. بهره برابر می شود و ولتاژ Uout شروع به کاهش می کند، بهره دوباره از 3 بیشتر می شود و Uout دوباره کاهش می یابد، اما در جهت مخالف. به این ترتیب دیودهای زنر از اشباع جلوگیری می کنند.

هنگام استفاده از این ژنراتور، مطلوب است که بار را از طریق یک مرحله بافر وصل کنید.