Ինչպես է աշխատում օպերացիոն ուժեղացուցիչը: Գործառնական ուժեղացուցիչներ սկսնակների համար

Գործառնական ուժեղացուցիչ (op-amp) Գործառնական ուժեղացուցիչը (OpAmp), որը հանրաճանաչորեն հայտնի է որպես opamp, ուղղակի հոսանքի ուժեղացուցիչ է (OCA), որն ունի շատ բարձր հզորություն: «Dc ուժեղացուցիչ» արտահայտությունը չի նշանակում, որ op-amp-ը կարող է ուժեղացնել միայն ուղղակի հոսանքը: Սա նշանակում է սկսել զրոյական Հերց հաճախականությունից, և սա ուղղակի հոսանքն է:

«Օպերացիոն» տերմինը երկար ժամանակ ամրապնդվել է, քանի որ op-amp-ի առաջին նմուշները օգտագործվել են տարբեր մաթեմատիկական գործողությունների համար, ինչպիսիք են ինտեգրումը, տարբերակումը, գումարումը և այլն: Op-amp-ի շահույթը կախված է դրա տեսակից, նպատակից, կառուցվածքից և կարող է գերազանցել 1 միլիոնը:

Գործառնական ուժեղացուցիչի միացում

Դիագրամներում գործառնական ուժեղացուցիչը նշված է հետևյալ կերպ.

կամ այդպես

Ամենից հաճախ դիագրամների վրա օպերացիոն ուժեղացուցիչները նշվում են առանց հոսանքի լարերի:

Պլյուս նշանով մուտքագրումը կոչվում է ոչ ինվերտացիոն ներածություն, իսկ մինուս նշանով մուտքագրումը կոչվում է շրջվող մուտք: Մի շփոթեք այս երկու նշանները ուժային բևեռականության հետ: Նրանք ՉԵՆ ասում, որ պարտադիր է բացասական բևեռականությամբ ազդանշան կիրառել ինվերտվող մուտքի վրա, բայց ՈՉ ինվերտացիոն ազդանշանի համար դրական բևեռականությամբ, և հետագայում դուք կհասկանաք, թե ինչու:

Գործառնական ուժեղացուցիչների էլեկտրամատակարարում

Եթե ​​հոսանքի ելքերը նշված չեն, ապա համարվում է, որ օպերատորը մատակարարվում է երկբևեռ սնուցմամբ +E և -E վոլտ: Այն նաև պիտակավորված է +U և -U, V CC և V EE, Vc և V E: Ամենից հաճախ դա +15 և -15 վոլտ է: Երկբևեռ սնուցումը կոչվում է նաև երկբևեռ սնուցում: Ինչպե՞ս հասկանալ սա՝ երկբևեռ իշխանություն:

Եկեք պատկերացնենք մարտկոցը

Կարծում եմ՝ բոլորդ էլ գիտեք, որ մարտկոցն ունի «պլյուս» և «մինուս»։ Այս դեպքում մարտկոցների «մինուսը» վերցվում է որպես զրո, և մարտկոցներն արդեն հաշվվում են զրոյի համեմատ: Մեր դեպքում մարտկոցի լարումը 1,5 վոլտ է:

Եվ եկեք վերցնենք ևս մեկ այդպիսի մարտկոց և միացնենք դրանք շարքով.

Այսպիսով, մենք կունենանք 3 վոլտ ընդհանուր լարում, եթե առաջին մարտկոցի մինուսը զրո վերցնենք։

Բայց ի՞նչ կլինի, եթե երկրորդ մարտկոցի մինուսը հասցնենք զրոյի և չափենք դրա նկատմամբ բոլոր լարումները։

Այստեղ մենք հենց նոր ստացանք երկբևեռ էլեկտրամատակարարում:

Գործառնական ուժեղացուցիչի իդեալական և իրական մոդել

ՕՀ-ի շահագործման էությունը հասկանալու համար հաշվի առեք այն իդեալականԵվ իրականմոդելներ.

1) իդեալական op-amp-ը անսահման մեծ է:

Իրական op-amp-ներում մուտքային դիմադրության արժեքը կախված է op-amp-ի նպատակից (ունիվերսալ, վիդեո, ճշգրիտ և այլն), օգտագործվող տրանզիստորների տեսակից և մուտքային փուլի միացումից և կարող է տատանվել հարյուրավոր ohms-ից: մինչև տասնյակ մեգոհմ: Ընդհանուր նշանակության օպերացիոն ուժեղացուցիչի համար բնորոշ արժեքը մի քանի MΩ է:

2) Երկրորդ կանոնը բխում է առաջին կանոնից. Քանի որ իդեալական op-amp-ի մուտքային դիմադրությունը անսահման մեծ է, մուտքը կլինի զրո:

Իրականում, այս ենթադրությունը միանգամայն ճիշտ է մուտքային օպերատորների համար, որոնց մուտքային հոսանքները կարող են պակաս լինել պիկոամպերից: Բայց կա նաև op-amp՝ մուտքով։ Այստեղ մուտքային հոսանքն արդեն կարող է լինել տասնյակ միկրոամպեր:

3) Իդեալական օպերացիոն ուժեղացուցիչի ելքային դիմադրությունը զրո է:

Սա նշանակում է, որ op-amp-ի ելքում լարումը չի փոխվի, երբ բեռնվածքի հոսանքը փոխվի: Իրական ընդհանուր նշանակության օպերացիոն ուժեղացուցիչներում այն ​​կազմում է տասնյակ ohms (սովորաբար 50 ohms):
Բացի այդ, ելքային դիմադրությունը կախված է ազդանշանի հաճախականությունից:

4) Իդեալական op-amp-ում շահույթը անսահման մեծ է: Իրականում այն ​​սահմանափակվում է op-amp-ի ներքին սխեմայով, իսկ ելքային լարումը սահմանափակվում է մատակարարման լարմամբ:

5) Քանի որ շահույթը անսահման մեծ է, հետևաբար, իդեալական op-amp-ի մուտքերի միջև լարման տարբերությունը զրո է: Հակառակ դեպքում, նույնիսկ եթե մեկ մուտքի պոտենցիալը մեծ կամ փոքր է, քան գոնե մեկ էլեկտրոնի լիցքը, ապա ելքը կլինի անսահման մեծ պոտենցիալ:

6) Իդեալական op-amp-ում ուժեղացումը կախված չէ ազդանշանի հաճախականությունից և հաստատուն է բոլոր հաճախականություններում: Իրական օպերացիոն ուժեղացուցիչներում այս պայմանը բավարարվում է միայն ցածր հաճախականություններմինչև ցանկացած անջատման հաճախականություն, որն անհատական ​​է յուրաքանչյուր օպերատորի համար: Սովորաբար, անջատման հաճախականությունը ընդունվում է որպես 3 դԲ ավելացման անկում կամ զրոյական հաճախականությամբ (DC) 0,7-ի չափով:

Տրանզիստորների վրա ամենապարզ op-amp-ի շղթան այսպիսի տեսք ունի.

Գործառնական ուժեղացուցիչի շահագործման սկզբունքը

Եկեք նայենք, թե ինչպես է աշխատում ՕՀ-ն:

OU-ի շահագործման սկզբունքը շատ պարզ է. Այն համեմատում է երկու լարման և ելքի վրա այն արդեն արտադրում է մատակարարման բացասական կամ դրական ներուժ: Ամեն ինչ կախված է նրանից, թե որ ներդրումն է ավելի մեծ: Եթե ​​U1 չշրջվող մուտքի պոտենցիալն ավելի մեծ է, քան շրջվող U2-ում, ապա ելքը կլինի + Upit, եթե ինվերտացիոն U2 մուտքի պոտենցիալն ավելի մեծ է, քան ոչ շրջվող U1-ում, ապա ելքը կլինի - Upit. Սա է ամբողջ սկզբունքը ;-):

Եկեք ուսումնասիրենք այս սկզբունքը Proteus սիմուլյատորում: Դա անելու համար մենք ընտրում ենք ամենապարզ և ամենատարածված գործառնական ուժեղացուցիչը LM358 (անալոգներ 1040UD1, 1053UD2, 1401UD5) և հավաքում ենք պարզունակ միացում, որը ցույց է տալիս գործողության սկզբունքը:

Եկեք կիրառենք 2 վոլտ ՈՉ շրջվող մուտքի վրա, իսկ 1 վոլտ՝ շրջվող մուտքի վրա: Քանի որ պոտենցիալն ավելի մեծ է ոչ շրջվող մուտքում, հետևաբար, մենք պետք է ստանանք + Upit ելքում: Մենք ստացել ենք 13,5 վոլտ, որը մոտ է այս արժեքին:

Բայց ինչու ոչ 15 վոլտ: Ամեն ինչում մեղավոր է op-amp-ի ներքին սխեման: Օպերացիոն ուժեղացուցիչի առավելագույն արժեքը միշտ չէ, որ հավասար է սնուցման դրական կամ բացասական լարմանը: Այն կարող է շեղվել 0,5-ից մինչև 1,5 վոլտ՝ կախված op-amp-ի տեսակից:

Բայց, ինչպես ասում են, ընտանիքն առանց իր հրեշների չէ, և, հետևաբար, շուկայում վաղուց են հայտնվել օպերատիվ ուժեղացուցիչներ, որոնք կարող են արտադրել ընդունելի մատակարարման լարում ելքի վրա, այսինքն, մեր դեպքում, դրանք արժեքներ են: Մոտ +15 և -15 վոլտ: Նման հատկանիշը կոչվում է Rail-to-Rail, որը բառացիորեն թարգմանվում է անգլերենից: «երկաթուղուց երկաթուղի», իսկ էլեկտրոնիկայի լեզվով ասած՝ «մեկ էլեկտրահաղորդման ռելսից մյուսը»։

Հիմա եկեք ավելի շատ ներուժ կիրառենք ինվերտվող մուտքագրման համար, քան ոչ շրջվողի վրա: Մենք 2 վոլտ ենք մատակարարում շրջվողին, իսկ 1 վոլտ՝ ոչ շրջվողին.

Ինչպես տեսնում եք, ներս այս պահինելքը «պառկել» է -Upit-ի վրա, քանի որ ինվերտվող մուտքի պոտենցիալը ավելի մեծ էր, քան ոչ շրջվողի մոտ:

Proteus ծրագրային փաթեթը ևս մեկ անգամ չներբեռնելու համար դուք կարող եք մոդելավորել իդեալական op-amp-ի աշխատանքը առցանց՝ օգտագործելով Falstad ծրագիրը: Դա անելու համար ընտրեք Circuits-Op-Amps->OpAmp ներդիրը: Արդյունքում ձեր էկրանին կհայտնվի հետևյալ դիագրամը.

Աջ կառավարման վահանակի վրա դուք կտեսնեք սահիչներ՝ op-amp մուտքերին լարում ավելացնելու համար, և դուք արդեն կարող եք տեսողականորեն տեսնել, թե ինչ է տեղի ունենում op-amp-ի ելքում, երբ մուտքերի լարումը փոխվում է:

Այսպիսով, մենք դիտարկել ենք այն դեպքը, երբ մուտքերում լարումը կարող է տարբեր լինել: Բայց ի՞նչ կլինի, եթե նրանք հավասար լինեն: Ի՞նչ ցույց կտա մեզ Պրոտեուսն այս դեպքում։ Հմմ, ցույց տվեց + Upit:

Իսկ ի՞նչ ցույց կտա Ֆալստադը։ Զրո վոլտ.

Ո՞ւմ հավատալ. Ոչ ոք! Իրական կյանքում դա անհնար է անել, որպեսզի բացարձակապես հավասար լարումներ տանենք երկու մուտքի: Հետևաբար, op-amp-ի նման վիճակը կլինի անկայուն, և ելքային արժեքները կարող են վերցնել կամ -E Volts կամ +E Volts:

Եկեք 1 վոլտ ամպլիտուդով և 1 կիլոհերց հաճախականությամբ սինուսոիդային ազդանշան կիրառենք չշրջվող մուտքի վրա, իսկ ինվերտացիոն ազդանշանը դնենք գետնին, այսինքն՝ զրոյի։

Տեսնենք, թե ինչ ունենք վիրտուալ օսցիլոսկոպի վրա.

Ի՞նչ կարելի է ասել այս դեպքում։ Երբ սինուսոիդային ազդանշանը բացասական շրջանում է, op-amp-ի ելքում ունենք -Upit, իսկ երբ սինուսոիդային ազդանշանը դրական շրջանում է, ապա ելքում ունենք +Upit: Ուշադրություն դարձրեք նաև այն փաստին, որ op-amp-ի ելքում լարումը չի կարող կտրուկ փոխել իր արժեքը: Հետևաբար, op-amp-ում կա այնպիսի պարամետր, ինչպիսին է ելքային լարման արագությունը V Uout .

Այս պարամետրը ցույց է տալիս, թե որքան արագ կարող է փոխվել op-amp-ի ելքային լարումը իմպուլսային սխեմաներում աշխատելիս: Չափված վոլտ/վրկ. Դե, ինչպես հասկացաք, թե ինչ ավելի արժեքայս պարամետրը, այնքան լավ է պահվում օպերացիոն ուժեղացուցիչը իմպուլսային սխեմաներում: LM358-ի համար այս պարամետրը 0,6 V/µs է:

Jeer-ի մասնակցությամբ

Ես հաճախ եմ հիշում իմ առաջին ծանոթությունը օպերացիոն ուժեղացուցիչի հետ (op-amp): Ես միշտ գիտեի, որ գծապատկերների այս առեղծվածային եռանկյունիներն ինձ կյանքում օգտակար կլինեն։ Սակայն նրանց աշխատանքային սկզբունքն ուսումնասիրելու վրա անցկացրած երկար անքուն գիշերները ոչնչի չհանգեցրին։ Այս թեմայի վերաբերյալ շատ հոդվածներ կան, բայց ինձ թվում է, որ հենց հիմքերն ակնհայտ չեն։ Կփորձեմ մյուս կողմից մի քիչ մոտենալ ու ցրել սարսափելի գաղտնիքներ OU.

Փորձենք պարզել, թե ինչ «գործառնություններ» է ուժեղացնում մեր օպերացիոն ուժեղացուցիչը:

Խնդիր. կա ազդանշանի աղբյուր, ինչպիսին է ազդանշան խոսափողից կամ կիթառի պիկապից: Եթե ​​խոսափողը միացված է անմիջապես ականջակալներին, ապա, ամենայն հավանականությամբ, ոչինչ չեք լսի, լավագույն դեպքում դա կլինի հազիվ ընկալելի ձայն։

Պատկերացրեք՝ խոսափողի փոխարեն մարդ, ով փորձում է ծանր սալաքար բարձրացնել, իհարկե, չի կարող դա անել, ինչպես խոսափողը չի կարողանում ցնցել բարձրախոսը։ Բայց եթե այս անձը քիչ ուժ գործադրի կռունկը գործարկելու համար, ապա նա կկարողանա բարձրացնել ցանկացած բեռ՝ կռունկի հնարավորությունների սահմաններում: Նրանք. կռունկ այս դեպքում ուժեղացուցիչ: Կռունկի բարձրացնող հզորության անալոգը ուժեղացուցիչի հզորությունն է: Շահույթի իմաստը պետք է պարզ լինի նկարից։ Հաճախականությունը և ալիքի ձևը մնում են նույնը, փոխվում է միայն ամպլիտուդը:

Այժմ մենք գիտենք, որ բարձրախոսներից ձայնը լսելու համար անհրաժեշտ է ուժեղացուցիչ։ Թեև մենք չգիտենք, թե ինչպես է այն աշխատում և ինչ կա դրա ներսում, այնուամենայնիվ, մենք արդեն գիտենք, որ պետք է լինեն ոտքեր, որոնց վրա կիրառվում է ազդանշանը, որը մենք ցանկանում ենք ուժեղացնել Uin-ը, ինչպես նաև ոտքեր, որոնցից ուժեղացված ազդանշանը հանվում է Uout-ից: .

Հարցն այն է, թե ինչ լարման կարող է ուժեղացնել ազդանշանը: Դուք կասեք. «Ես ուզում եմ ուժեղացնել 220 Վ-ից մինչև 1000000 Վ», բայց դա հնարավոր չէ, ինչո՞ւ: Քանի որ սկզբնական ազդանշանը ուժեղանում է արտաքին աղբյուրից: Արտաքին աղբյուրը կլինի op-amp-ի մատակարարման լարումը: Նմանապես, կռունկը չի կարող իր բարձրությունից բարձր բեռ բարձրացնել (համաձայն ենք, որ չի կարող :)): Հետեւաբար, op-amp-ի ելքում լարումը չի կարող գերազանցել մատակարարման լարումը: Իրականում այն ​​նույնիսկ մի փոքր պակաս է մատակարարման լարումից: Օրինակ, LM324-ի համար մատակարարման լարումը 3-ից 32 Վ է:

Այժմ մենք գիտենք, որ op-amp-ին անհրաժեշտ է արտաքին ուժ, եկեք նկարենք այս ոտքերը

Ի դեպ, մենք սովոր ենք, որ մեր էլեկտրամատակարարումը միաբևեռ է + 5V և հողային: Ահա մի նուրբ կետ, եթե ցանկանում եք ուժեղացնել բացասական արժեքներ ունեցող ազդանշանը,

ապա դուք պետք է միանաք -Upit-ին, մասնավորապես բացասական լարման աղբյուրին, և ոչ թե հողին: Եթե ​​դուք միացնում եք հողը, ապա պարզվում է, որ լարման աղբյուր չկա, և ազդանշանի «ստորին» (բացասական) մասը չի ուժեղանա, այսինքն. ազդանշանի մի մասը «կկտրվի», այս մասին ավելին օրինակում:

Նմանապես, եթե ազդանշանն ավելի ուժեղացված է, քան մատակարարման լարումը, ապա այն վայրերում, որտեղ ազդանշանը գերազանցում է մատակարարման լարումը, ազդանշանը «կկտրվի», այսինքն. սինուսոիդի փոխարեն մենք կտեսնենք նման բան

Մնում է հիմնական հարցը՝ ինչպե՞ս սահմանել շահույթը։ Շատ պարզ - լարման բաժանարար: Բայց նախ, եկեք անցնենք ավելի իրական նշագրմանը: Ցանկացած օպերատիվ ուժեղացուցիչ ունի առնվազն 5 ոտք՝ 2 հզորություն, որը նշվեց վերևում, շրջված մուտք (-), ոչ շրջված մուտք (+) և ելք:

Հետևաբար, կախված նրանից, թե որ մուտքի վրա է կիրառվում սկզբնական ազդանշանը, առանձնանում են անջատման երկու տեսակ՝ ոչ հակադարձող ուժեղացուցիչ.

Շահույթը, որը հավասար է K=(R4/R3)+1: Այս դեպքում K=4. Այս դեպքում ելքային ալիքի ձևը չի փոխվում:

Եվ շրջվող՝ K=-(R2/R1) շահույթով։ Այս սխեմայի համար K=3. Ելքային ազդանշանը կմտնի մուտքի հետ փուլ:

Խոսքից անցնենք գործի։ Որպես սկզբնական ազդանշան վերցվել է 1 կՀց հաճախականությամբ ոլորապտույտ։ Ազդանշանն ունի և՛ դրական, և՛ բացասական արժեքներ (էկրանի կեսը 0 է): Ազդանշանի ամպլիտուդ 50 մՎ:

Ես միացնում եմ op-amp-ը (L324) ըստ ոչ հակադարձ ուժեղացուցիչի սխեմայի: Սնունդը միաբևեռ է։ Op-amp-ի ելքում՝ նույն ձևի ազդանշան, բայց ավելի մեծ ամպլիտուդով։ Հավանաբար, լիովին պարզ չէ, թե ինչու է ազդանշանը նման ամպլիտուդով և ինչու է այն շարժվել դեպի վեր:

Փորձենք դա պարզել: Սկզբնական ազդանշանի ամպլիտուդը 50 մՎ է, R4=30k, R3=10k, մենք փոխարինում ենք 50*(30/10+1)=200մՎ բանաձևով, որը շատ նման է օսցիլոսկոպին երևացողին: Ինչու՞ ազդանշանը բարձրացավ: Հիշեք միաբևեռ հզորության թերությունը. 0-ից ցածր ցանկացած բան չի կարող ուժեղացվել, ուստի ազդանշանն անջատվում է 0-ով:

Հիմա պատկերացրեք, որ եթե բացասական լարման աղբյուրը միացված լինի հոսանքի պին, ասենք -5V, ապա ազդանշանի ամպլիտուդը կկրկնապատկվի !!! Հետեւաբար, ծավալը նույնպես զգալիորեն կմեծանար։

Իրականում սա փոքրիկ նախաբան է, նախքան OU-ի ուսումնասիրությունը սկսելը, վերը նշված բոլորը պարզապես մի կաթիլ է օվկիանոսում, եթե ձեզ դուր եկավ, գրեք, մենք աստիճանաբար կյուրացնենք OU-ի այլ կիրառությունները, ներառյալ: և գործնական պլաններ։

Էլեկտրոնիկայի դասընթացում շատ կարևոր թեմաներ կան: Այսօր մենք կփորձենք գործ ունենալ օպերացիոն ուժեղացուցիչների հետ:
Վերսկսել. Գործառնական ուժեղացուցիչն այնպիսի «բան» է, որը թույլ է տալիս ամեն կերպ աշխատել անալոգային ազդանշաններով: Ամենապարզն ու հիմնականն են ուժեղացումը, թուլացումը, գումարումը, հանումը և շատ ուրիշներ (օրինակ՝ տարբերակումը կամ լոգարիթմը): Գործառնական ուժեղացուցիչների վրա (այսուհետ՝ օպերատիվ ուժեղացուցիչներ) գործողությունների ճնշող մեծամասնությունը կատարվում է դրական և բացասական արձագանքների միջոցով:
Այս հոդվածում մենք կքննարկենք որոշակի «իդեալական» ՕՀ, քանի որ իմաստ չունի անցնել կոնկրետ մոդելի: Իդեալականը նշանակում է, որ մուտքային դիմադրությունը կձգվի դեպի անսահմանություն (հետևաբար մուտքային հոսանքը կձգտի զրոյի), իսկ ելքային դիմադրությունը, ընդհակառակը, կձգտի զրոյի (ինչը նշանակում է, որ բեռը չպետք է ազդի ելքային լարման վրա): Բացի այդ, ցանկացած իդեալական օպերացիոն ուժեղացուցիչ պետք է ուժեղացնի ցանկացած հաճախականության ազդանշանները: Դե, և ամենակարևորը, առանց հետադարձ կապի շահույթը նույնպես պետք է ձգտի դեպի անսահմանություն:

Անցեք կետին

Շղթաների վրա գործառնական ուժեղացուցիչը շատ հաճախ նշվում է հավասարակողմ եռանկյունով: Ձախ կողմում մուտքերն են, որոնք նշված են «-» և «+», աջ կողմում՝ ելքը: Լարումը կարող է կիրառվել ցանկացած մուտքի վրա, որոնցից մեկը փոխում է լարման բևեռականությունը (դրա համար էլ կոչվում էր ինվերտող), մյուսը չի փոխվում (տրամաբանական է ենթադրել, որ կոչվում է ոչ ինվերտացիոն)։ Op-amp-ի էլեկտրամատակարարումը, ամենից հաճախ, երկբևեռ է: Սովորաբար, դրական և բացասական սնուցման լարումները ունեն նույն արժեքը (բայց տարբեր նշան):
Ամենապարզ դեպքում, դուք կարող եք միացնել լարման աղբյուրները անմիջապես op-amp-ի մուտքերին: Եվ այնուհետև ելքային լարումը կհաշվարկվի բանաձևով.
, որտեղ է լարումը ոչ շրջվող մուտքի մոտ, լարումն է շրջվող մուտքի մոտ, լարումն է ելքի վրա և շահումն է առանց հետադարձ կապի։
Եկեք նայենք իդեալական op-amp-ին Proteus-ի տեսանկյունից:


Առաջարկում եմ խաղալ դրա հետ: Ոչ շրջվող մուտքի վրա կիրառվել է 1 Վ լարում: Շրջող 3 Վ-ի վրա: Մենք օգտագործում ենք «իդեալական» ՕՀ: Այսպիսով, մենք ստանում ենք. Բայց այստեղ մենք ունենք սահմանափակող, քանի որ մենք չենք կարողանա ուժեղացնել ազդանշանը մեր մատակարարման լարման վրա: Այսպիսով, ելքը դեռ կստանա -15 Վ: Արդյունք.


Եկեք փոխենք շահույթը (որ դուք ինձ հավատաք): Թող Voltage Gain պարամետրը հավասար դառնա երկուսի: Նույն խնդիրը հստակ լուծված է։

Op-amp-ի իրական կիրառումը հակադարձող և ոչ ինվերտացնող ուժեղացուցիչների օրինակով

Նման երկուսը կա մայորկանոններ:
Ի. Op-amp-ի ելքը հակված է դարձնելու դիֆերենցիալ լարումը (տարբերությունը լարման ինվերտացիոն և ոչ հակադարձ մուտքերում) հավասարեցնելու զրոյի:
II. Op-amp մուտքերը հոսանք չեն քաշում:
Առաջին կանոնն իրականացվում է հետադարձ կապի միջոցով: Նրանք. լարումը ելքից մուտքագրվում է այնպես, որ պոտենցիալ տարբերությունը դառնում է զրո:
Սրանք, այսպես ասած, «սրբազան կանոններ» են ՕՈՒ-ի թեմայում։
Իսկ հիմա, ավելի կոնկրետ. Inverting ուժեղացուցիչտեսքը հենց այսպիսին է (ուշադրություն դարձրեք, թե ինչպես են տեղադրվում մուտքերը).


Առաջին «կանոնի» հիման վրա մենք ստանում ենք համամասնությունը.
, և ունենալով մի փոքր «շշնջալով» բանաձևը, մենք ստանում ենք շրջվող op-amp-ի շահույթի արժեքը.

Վերևի սքրինշոթը մեկնաբանությունների կարիք չունի: Պարզապես միացրեք ամեն ինչ և ստուգեք այն:

Հաջորդ փուլ - ոչ շրջվողուժեղացուցիչ.
Այստեղ նույնպես ամեն ինչ պարզ է. Լարումը կիրառվում է ուղղակիորեն չշրջվող մուտքի վրա: Հետադարձ կապը կիրառվում է շրջվող մուտքի վրա: Շրջվող մուտքի լարումը կլինի.
, սակայն կիրառելով առաջին կանոնը՝ կարելի է պնդել, որ

Եվ կրկին բարձրագույն մաթեմատիկայի ոլորտում «մեծ» գիտելիքները թույլ են տալիս անցնել բանաձևին.
Ահա ամբողջական սքրինշոթ, որը կարող եք կրկնակի ստուգել, ​​եթե ցանկանում եք.

Վերջապես մի երկու հետաքրքիր սխեման կտամ, որպեսզի տպավորություն չստեղծվի, թե օպերատիվ ուժեղացուցիչները կարող են միայն ուժեղացնել լարումը։

Լարման հետևորդ (բուֆերային ուժեղացուցիչ):Գործողության սկզբունքը նույնն է, ինչ տրանզիստորային կրկնողին: Օգտագործվում է բարձր բեռնվածության սխեմաներում: Նաև նրա օգնությամբ դուք կարող եք լուծել դիմադրողականության համապատասխանության խնդիրը, եթե շղթայում կան անցանկալի լարման բաժանիչներ: Սխեման պարզից հանճարեղ է.

ամփոփիչ ուժեղացուցիչ:Այն կարող է օգտագործվել, եթե ցանկանում եք ավելացնել (հանել) մի քանի ազդանշան: Պարզության համար - դիագրամ (կրկին ուշադրություն դարձրեք մուտքերի գտնվելու վայրին).


Նաև ուշադրություն դարձրեք այն փաստին, որ R1 = R2 = R3 = R4, և R5 = R6: Հաշվարկի բանաձևն այս դեպքում կլինի՝ (ծանոթ, չէ՞):
Այսպիսով, մենք տեսնում ենք, որ լարման արժեքները, որոնք կիրառվում են ոչ շրջվող մուտքի վրա, «ձեռք են բերում» գումարած նշան: Ինվերտացիայի վրա - մինուս:

Եզրակացություն

Գործառնական ուժեղացուցիչների սխեմաները չափազանց բազմազան են: Ավելի բարդ դեպքերում դուք կարող եք գտնել ակտիվ ֆիլտրի սխեմաներ, ADC-ներ և պահեստավորման նմուշառման սարքեր, հզորության ուժեղացուցիչներ, հոսանքի լարման փոխարկիչներ և շատ այլ սխեմաներ:

Աղբյուրների ցանկ

Աղբյուրների կարճ ցուցակ, որոնք կօգնեն ձեզ արագ ընտելանալ ինչպես ՕՀ-ին, այնպես էլ ընդհանրապես էլեկտրոնիկայի.
Վիքիպեդիա
P. Horowitz, W. Hill. «Շրջանառության արվեստը»
Բ. Բեյքեր. «Ինչ պետք է իմանա թվային դիզայները անալոգային էլեկտրոնիկայի մասին»
Դասախոսությունների նշումներ էլեկտրոնիկայի վերաբերյալ (ցանկալի է ձեր սեփականը)
UPD.:Շնորհակալություն ՉԹՕհրավերի համար

Էլեկտրոնիկայի դասընթացում շատ կարևոր թեմաներ կան: Այսօր մենք կփորձենք գործ ունենալ օպերացիոն ուժեղացուցիչների հետ:
Վերսկսել. Գործառնական ուժեղացուցիչն այնպիսի «բան» է, որը թույլ է տալիս ամեն կերպ աշխատել անալոգային ազդանշաններով: Ամենապարզն ու հիմնականն են ուժեղացումը, թուլացումը, գումարումը, հանումը և շատ ուրիշներ (օրինակ՝ տարբերակումը կամ լոգարիթմը): Գործառնական ուժեղացուցիչների վրա (այսուհետ՝ օպերատիվ ուժեղացուցիչներ) գործողությունների ճնշող մեծամասնությունը կատարվում է դրական և բացասական արձագանքների միջոցով:
Այս հոդվածում մենք կքննարկենք որոշակի «իդեալական» ՕՀ, քանի որ իմաստ չունի անցնել կոնկրետ մոդելի: Իդեալականը նշանակում է, որ մուտքային դիմադրությունը կձգվի դեպի անսահմանություն (հետևաբար մուտքային հոսանքը կձգտի զրոյի), իսկ ելքային դիմադրությունը, ընդհակառակը, կձգտի զրոյի (ինչը նշանակում է, որ բեռը չպետք է ազդի ելքային լարման վրա): Բացի այդ, ցանկացած իդեալական օպերացիոն ուժեղացուցիչ պետք է ուժեղացնի ցանկացած հաճախականության ազդանշանները: Դե, և ամենակարևորը, առանց հետադարձ կապի շահույթը նույնպես պետք է ձգտի դեպի անսահմանություն:

Անցեք կետին

Շղթաների վրա գործառնական ուժեղացուցիչը շատ հաճախ նշվում է հավասարակողմ եռանկյունով: Ձախ կողմում մուտքերն են, որոնք նշված են «-» և «+», աջ կողմում՝ ելքը: Լարումը կարող է կիրառվել ցանկացած մուտքի վրա, որոնցից մեկը փոխում է լարման բևեռականությունը (դրա համար էլ կոչվում էր ինվերտող), մյուսը չի փոխվում (տրամաբանական է ենթադրել, որ կոչվում է ոչ ինվերտացիոն)։ Op-amp-ի էլեկտրամատակարարումը, ամենից հաճախ, երկբևեռ է: Սովորաբար, դրական և բացասական սնուցման լարումները ունեն նույն արժեքը (բայց տարբեր նշան):
Ամենապարզ դեպքում, դուք կարող եք միացնել լարման աղբյուրները անմիջապես op-amp-ի մուտքերին: Եվ այնուհետև ելքային լարումը կհաշվարկվի բանաձևով.
, որտեղ է լարումը ոչ շրջվող մուտքի մոտ, լարումն է շրջվող մուտքի մոտ, լարումն է ելքի վրա և շահումն է առանց հետադարձ կապի։
Եկեք նայենք իդեալական op-amp-ին Proteus-ի տեսանկյունից:


Առաջարկում եմ խաղալ դրա հետ: Ոչ շրջվող մուտքի վրա կիրառվել է 1 Վ լարում: Շրջող 3 Վ-ի վրա: Մենք օգտագործում ենք «իդեալական» ՕՀ: Այսպիսով, մենք ստանում ենք. Բայց այստեղ մենք ունենք սահմանափակող, քանի որ մենք չենք կարողանա ուժեղացնել ազդանշանը մեր մատակարարման լարման վրա: Այսպիսով, ելքը դեռ կստանա -15 Վ: Արդյունք.

Եկեք փոխենք շահույթը (որ դուք ինձ հավատաք): Թող Voltage Gain պարամետրը հավասար դառնա երկուսի: Նույն խնդիրը հստակ լուծված է։

Op-amp-ի իրական կիրառումը հակադարձող և ոչ ինվերտացնող ուժեղացուցիչների օրինակով

Նման երկուսը կա մայորկանոններ:
Ի. Op-amp-ի ելքը հակված է դարձնելու դիֆերենցիալ լարումը (տարբերությունը լարման ինվերտացիոն և ոչ հակադարձ մուտքերում) հավասարեցնելու զրոյի:
II. Op-amp մուտքերը հոսանք չեն քաշում:
Առաջին կանոնն իրականացվում է հետադարձ կապի միջոցով: Նրանք. լարումը ելքից մուտքագրվում է այնպես, որ պոտենցիալ տարբերությունը դառնում է զրո:
Սրանք, այսպես ասած, «սրբազան կանոններ» են ՕՈՒ-ի թեմայում։
Իսկ հիմա, ավելի կոնկրետ. Inverting ուժեղացուցիչտեսքը հենց այսպիսին է (ուշադրություն դարձրեք, թե ինչպես են տեղադրվում մուտքերը).


Առաջին «կանոնի» հիման վրա մենք ստանում ենք համամասնությունը.
, և ունենալով մի փոքր «շշնջալով» բանաձևը, մենք ստանում ենք շրջվող op-amp-ի շահույթի արժեքը.

Վերևի սքրինշոթը մեկնաբանությունների կարիք չունի: Պարզապես միացրեք ամեն ինչ և ստուգեք այն:

Հաջորդ փուլ - ոչ շրջվողուժեղացուցիչ.
Այստեղ նույնպես ամեն ինչ պարզ է. Լարումը կիրառվում է ուղղակիորեն չշրջվող մուտքի վրա: Հետադարձ կապը կիրառվում է շրջվող մուտքի վրա: Շրջվող մուտքի լարումը կլինի.
, սակայն կիրառելով առաջին կանոնը՝ կարելի է պնդել, որ

Եվ կրկին բարձրագույն մաթեմատիկայի ոլորտում «մեծ» գիտելիքները թույլ են տալիս անցնել բանաձևին.
Ահա ամբողջական սքրինշոթ, որը կարող եք կրկնակի ստուգել, ​​եթե ցանկանում եք.

Վերջապես մի երկու հետաքրքիր սխեման կտամ, որպեսզի տպավորություն չստեղծվի, թե օպերատիվ ուժեղացուցիչները կարող են միայն ուժեղացնել լարումը։

Լարման հետևորդ (բուֆերային ուժեղացուցիչ):Գործողության սկզբունքը նույնն է, ինչ տրանզիստորային կրկնողին: Օգտագործվում է բարձր բեռնվածության սխեմաներում: Նաև նրա օգնությամբ դուք կարող եք լուծել դիմադրողականության համապատասխանության խնդիրը, եթե շղթայում կան անցանկալի լարման բաժանիչներ: Սխեման պարզից հանճարեղ է.

ամփոփիչ ուժեղացուցիչ:Այն կարող է օգտագործվել, եթե ցանկանում եք ավելացնել (հանել) մի քանի ազդանշան: Պարզության համար - դիագրամ (կրկին ուշադրություն դարձրեք մուտքերի գտնվելու վայրին).


Նաև ուշադրություն դարձրեք այն փաստին, որ R1 = R2 = R3 = R4, և R5 = R6: Հաշվարկի բանաձևն այս դեպքում կլինի՝ (ծանոթ, չէ՞):
Այսպիսով, մենք տեսնում ենք, որ լարման արժեքները, որոնք կիրառվում են ոչ շրջվող մուտքի վրա, «ձեռք են բերում» գումարած նշան: Ինվերտացիայի վրա - մինուս:

Եզրակացություն

Գործառնական ուժեղացուցիչների սխեմաները չափազանց բազմազան են: Ավելի բարդ դեպքերում դուք կարող եք գտնել ակտիվ ֆիլտրի սխեմաներ, ADC-ներ և պահեստավորման նմուշառման սարքեր, հզորության ուժեղացուցիչներ, հոսանքի լարման փոխարկիչներ և շատ այլ սխեմաներ:

Աղբյուրների ցանկ

Աղբյուրների կարճ ցուցակ, որոնք կօգնեն ձեզ արագ ընտելանալ ինչպես ՕՀ-ին, այնպես էլ ընդհանրապես էլեկտրոնիկայի.
Վիքիպեդիա
P. Horowitz, W. Hill. «Շրջանառության արվեստը»
Բ. Բեյքեր. «Ինչ պետք է իմանա թվային դիզայները անալոգային էլեկտրոնիկայի մասին»
Դասախոսությունների նշումներ էլեկտրոնիկայի վերաբերյալ (ցանկալի է ձեր սեփականը)

Պիտակներ՝ գործառնական ուժեղացուցիչներ, օպերացիոն ուժեղացուցիչներ, էլեկտրոնիկա, սկսնակների համար

) մենք կաշխատենք OP97-ի և AD620-ի հետ: Նախ հաշվի առեք AD620-ը: Դրա համար տվյալների թերթիկում նշվում է հետևյալը.

Նկ.2բ

AD620-ը գործիքային օպերացիոն ուժեղացուցիչ է: Գործիքային բառը խոսում է դրա ավելի լավ բնութագրերի մասին՝ համեմատած սովորական օպերատորի հետ: Ուժեղացված ազդանշանը սնվում է +IN և համապատասխանաբար -IN մուտքերին: Այս ուժեղացուցիչի շահույթը սահմանվում է Rg մուտքերին միացված ռեզիստորի միջոցով (համապատասխանաբար երկուսն են՝ թիվ 1 և թիվ 8)։ Ո՞ր ռեզիստորին է համապատասխանում, որին է համապատասխանում - նայեք տվյալների աղյուսակում: AD620 օպերացիոն ուժեղացուցիչի էլեկտրամատակարարումը երկբևեռ է: Սա նշանակում է, որ այն ունի հոսանքի լարեր, որոնք կոչվում են +Vs և -Vs: Իսկ հիմա եթե նրանց միացնենք, օրինակ, 5Վ մարտկոց (ավելին, մարտկոցների մինուսը պետք է միացվի -Vs-ին, իսկ պլյուսը՝ համապատասխանաբար +Vs-ին), և ազդանշանի մուտքերին կիրառենք պոտենցիալ տարբերություն. +IN և, համապատասխանաբար, -IN, որոնք պետք է ուժեղացվեն, այնուհետև ազդանշանը ուժեղացվի K անգամ (որտեղ K-ը Rg-ով սահմանված շահումն է - տես վերևում), մենք կարող ենք հեռացնել այս սարքից՝ միանալով OUTPUT փին և կետի կետին: Շղթա, որը մենք հավաքում ենք, 2,5 Վ պոտենցիալով համեմատաբարմարտկոց մինուս. Մարտկոցի մինուսի նկատմամբ 2,5 Վ պոտենցիալ ունեցող կետը կոչվում է զրոյական կետ: Սա հենց այն զրոյական հարաբերականն է, որի նկատմամբ պոտենցիալը (ուժեղացված ազդանշան) չափվում է ուժեղացուցիչի OUTPUT փինում: Այս կետը կարելի է ձեռք բերել օգտագործելով Fig. 3b ձևի սովորական դիմադրողական բաժանարար:

նկ.3բ

Այսպիսով, ամենապարզ շղթանԱյս op-amp-ի միացումը հետևյալն է.

Այսպիսով, գումարած մարտկոցներ զրոյական կետի համեմատունի +2,5 Վ-ի հավասար պոտենցիալ, իսկ մարտկոցի մինուսը զրոյական կետի նկատմամբ ունի -2,5 Վ պոտենցիալ (տես նկ. 3b): Այսինքն՝ զրոյական կետի պոտենցիալը գտնվում է հենց մեջտեղում՝ մարտկոցի գումարած և մինուս միջև։ Այստեղից էլ անունը այս մեթոդըէլեկտրամատակարարում - երկբևեռ մատակարարում (քանի որ պարզվում է, որ մենք կիրառեցինք մինուս 2,5 Վ ուժեղացուցիչի -Vs ելքի նկատմամբ զրոյական կետի նկատմամբ, և + Vs-ին մենք կիրառեցինք գումարած 2,5 Վ զրոյական կետի նկատմամբ):
Հարկ է նաև նշել, որ ուժեղացուցիչի +IN և –IN մուտքերի վրա կիրառվող պոտենցիալները շղթայի զրոյի նկատմամբ պետք է ունենան արժեք նույն սահմաններում, ինչ սնուցման աղբյուրի պոտենցիալները: Այսինքն, եթե համապատասխանաբար –2.5V և +2.5V կիրառենք –Vs-ին և +Vs-ին, ապա –IN և +IN-ը չեն կարող մատակարարվել, օրինակ՝ համապատասխանաբար 230V և 230.1V: Այս օրինակում պոտենցիալ տարբերությունը 230.1–230=0.1V, թեև փոքր է, բայց չի ուժեղանա։ Ըստ տվյալների թերթիկի՝ անհրաժեշտ է պարզել պոտենցիալների ընդունելի տիրույթը համապատասխան op-amp-ի մուտքերում: Օրինակ, AD620-ի համար, համաձայն իր տվյալների աղյուսակի Մուտքային լարման միջակայքը (մուտքային լարման միջակայք), երբ հոսանք է կիրառվում –2.5V և 2.5V-ից մինչև –Vs և +Vs, լարումը զրոյի նկատմամբ –IN կամ +IN: պետք է լինի ոչ ավելի, քան Vs–1,2V = 2,5–1,2 = 1,3V և ոչ պակաս, քան –Vs+1,9V = –2,5+1,9 = –0,6V: Սա նշանակում է, որ եթե, օրինակ, 0.2V և 0.3V կիրառվեն համապատասխանաբար –IN և +IN-ի վրա, ապա այժմ –IN-ի և +IN-ի միջև պոտենցիալ տարբերությունը նույն 0.1V-ի նկատմամբ արդեն կարող է ուժեղացվել: Էլեկտրասրտագրության միացումում (տես նկ. 5), որպեսզի ուժեղացուցիչի մուտքին մատակարարվող մարդու մարմնի պոտենցիալները լինեն նույն սահմաններում, ինչ սնուցման աղբյուրի պոտենցիալները, միացված է հոսանքի աղբյուրի զրոյական կետը։ օգտագործելով այսպես կոչված հղման էլեկտրոդը հիվանդի աջ ոտքին (նման կապը կոչվում է նաև «աջ ոտքի վարորդ»՝ աջ ոտքի վարորդ): Արդյունքում, մարդու մարմնի պոտենցիալները կտատանվեն ուժեղացուցիչի սնուցման զրոյական կետում, ինչը նշանակում է, որ դրանք կընկնեն Vs–1,2V, –Vs+1,9V միջակայքում։
Կա նաև հետևյալը կարևոր հատկանիշ. Ուժեղացուցիչի ելքային լարումը պետք է չափվի OUTPUT-ի և շղթայի չեզոք լարերի համեմատ, սակայն, գործնականում, երբեմն որոշ օպերատիվ ուժեղացուցիչներ իրենց տեղաշարժը ավելացնում են ելքային ազդանշանին այս կամ այն ​​հաստատուն արժեքով: Հետևաբար, այս հաստատուն արժեքը նման օպերատիվ ուժեղացուցիչներից հեռացնելու համար և, որպես հետեւանք, շղթայի չեզոք մետաղալարի հետ կապված չափումները ճիշտ կլինեն, սովորաբար տրամադրվում է REF ելք (այսպես կոչված՝ հղումային մուտք), որը անհրաժեշտ է կիրառել շղթայի զրոյական ներուժը։ Ավելին, զրոյական պոտենցիալը պետք է մատակարարվի REF ելքին նվազագույն ելքային դիմադրություն ունեցող աղբյուրից, հակառակ դեպքում REF-ին զրոյական ներուժի մատակարարումը չի հասնի ցանկալի էֆեկտի: Այսպիսով, զրոյական պոտենցիալը սովորաբար կիրառվում է REF մուտքի վրա, այսպես կոչված, հետևող օպերատորի միջոցով, որը, ինչպես գիտեք, ունի զրոյին մոտ ելքային դիմադրություն, մինչդեռ մուտքը, ընդհակառակը, ձգտում է հսկայական արժեքի: Կրկնիչի մուտքի վրա կիրառվում է զրոյական պոտենցիալ, որի շահույթը հավասար է մեկի, զրոյական պոտենցիալը հանվում է կրկնակի ելքից և սնվում է REF: Կրկնվող սխեմայի համաձայն միացված op-amp-ը նման է հետևյալին.

նկ.5բ

Այնուհետև REF-ով ուժեղացուցիչի միացման սխեման այսպիսի տեսք կունենա.

նկ.6բ

Մեր էլեկտրասրտագրության միացումում կրկնողիչը, որն արտադրում է AD620 ուժեղացուցիչների համար հղման լարումը, կառուցված է OP97-ի հիման վրա (տես Նկար 8) - այստեղ զրոյական պոտենցիալը կիրառվում է OP97-ի դրական մուտքի վրա, իսկ OP97-ի ելքից՝ Հղման զրոյական պոտենցիալը սնվում է դրա համար հատուկ նախագծված AD620 ուժեղացուցիչների REF ելքերով: OP97-ը նույնպես երկբևեռ է:
Բացի երկբևեռ հզորությամբ օպերացիոն ուժեղացուցիչներից, կան նաև այսպես կոչված միաբևեռներ, օրինակ՝ TLC272։ Նման ուժեղացուցիչների համար ելքային լարումը չափվում է ոչ թե զրոյական կետի, այլ մարտկոցի մինուսի համեմատ, և, համապատասխանաբար, նման օպերատորի սնուցման ելքերը նշանակվում են որպես GND (այստեղ հանած մարտկոցները) և VDD ( գումարած այստեղ):
Դե, երևի այսքանն է: Այս տեղեկատվությունը բավական է հասկանալու համար, թե ինչ կիրառել, որտեղ և ինչ, որտեղ չափել ուժեղացուցիչներով մեր էլեկտրասրտագրության սխեմայի վրա:

Դուք կարող եք նաև ավելին տեսնել գործառնական ուժեղացուցիչների մասին այստեղ.

p.s.Նրանց համար, ովքեր հետաքրքրված են մաթեմատիկայի, ֆիզիկայի, տեխնոլոգիայի հասկացությունների բացատրությամբ, որոնք կոչվում են «մատների վրա», կարող ենք խորհուրդ տալ այս գիրքը և, մասնավորապես, նրա «Մաթեմատիկա», «Ֆիզիկա», «Տեխնոլոգիա» բաժինների գլուխները։ « (Գիրքն ինքնին կամ դրանից առանձին գլուխներ կարող եք գնել):