Kaip veikia operacinis stiprintuvas. Operaciniai stiprintuvai pradedantiesiems

Operacinis stiprintuvas (operacinis stiprintuvas) Operacinis stiprintuvas (OpAmp), liaudiškai žinomas kaip opamp, yra nuolatinės srovės stiprintuvas (OCA), turintis labai didelį stiprinimą. Frazė "nuolatinės srovės stiprintuvas" nereiškia, kad operatyvinis stiprintuvas gali sustiprinti tik nuolatinę srovę. Tai reiškia, kad reikia pradėti nuo nulio hercų dažnio, o tai yra nuolatinė srovė.

Terminas „operacinis“ buvo sustiprintas ilgą laiką, nes pirmieji op-amp pavyzdžiai buvo naudojami įvairioms matematinėms operacijoms, tokioms kaip integravimas, diferenciacija, sumavimas ir pan. Op-amp padidėjimas priklauso nuo jo tipo, paskirties, struktūros ir gali viršyti 1 mln.

Operacinio stiprintuvo grandinė

Diagramose operacinis stiprintuvas nurodomas taip:

arba taip

Dažniausiai operacijos stiprintuvai diagramose nurodomi be maitinimo laidų.

Įvestis su pliuso ženklu vadinama neinvertuojančia įvestimi, o įvestis su minuso ženklu vadinama invertuojamuoju. Nepainiokite šių dviejų ženklų su galios poliškumu! Jie NEsako, kad invertuojančiam įėjimui privaloma taikyti neigiamo poliškumo signalą, o NE invertuojančiam teigiamo poliškumo signalui, ir toliau suprasite kodėl.

Maitinimas operaciniams stiprintuvams

Jei galios išėjimai nenurodyti, laikoma, kad operacinės sistemos stiprintuvas tiekiamas su dvipoliu +E ir -E voltų maitinimu. Jis taip pat žymimas +U ir -U, V CC ir V EE , Vc ir V E . Dažniausiai tai yra +15 ir -15 voltų. Bipolinė mityba taip pat vadinama bipoline mityba. Kaip tai suprasti – bipolinė galia?

Įsivaizduokime bateriją

Manau, visi žinote, kad baterija turi „pliusą“ ir „minusą“. Šiuo atveju baterijų „minusas“ laikomas nuliu, o baterijos jau skaičiuojamos lyginant su nuliu. Mūsų atveju akumuliatoriaus įtampa yra 1,5 volto.

Paimkime dar vieną tokį akumuliatorių ir sujunkite juos nuosekliai:

Taigi, jei pirmosios baterijos minusą laikysime nuliu, bendrą įtampą turėsime 3 voltus.

Bet ką daryti, jei antrosios baterijos minusą paimtume iki nulio ir išmatuotume visas su juo susijusias įtampas?

Čia ką tik gavome bipolinį maitinimo šaltinį.

Idealus ir tikras operacinio stiprintuvo modelis

Norėdami suprasti OS veikimo esmę, apsvarstykite tai idealus Ir tikras modeliai.

1) idealus operatyvinis stiprintuvas yra be galo didelis.

Realiuose operatyviniuose stiprintuvuose įvesties varžos vertė priklauso nuo operatyvinio stiprintuvo paskirties (universalus, vaizdo, tikslumo ir kt.), naudojamų tranzistorių tipo ir įvesties pakopos grandinės ir gali svyruoti nuo šimtų omų. iki dešimčių megaomų. Įprasta bendrosios paskirties operacinės stiprintuvo vertė yra keli MΩ.

2) Antroji taisyklė išplaukia iš pirmosios taisyklės. Kadangi idealaus operatyvinio stiprintuvo įvesties varža yra be galo didelė, įvestis bus lygi nuliui.

Tiesą sakant, ši prielaida visiškai teisinga operatyviniams stiprintuvams su įvestimis, kurių įvesties srovės gali būti mažesnės nei pikoampų. Tačiau yra ir operacinės sistemos stiprintuvas su įėjimu. Čia įėjimo srovė jau gali būti dešimtys mikroamperų.

3) Idealaus operacinės sistemos stiprintuvo išėjimo varža yra lygi nuliui.

Tai reiškia, kad įtampa operatyvinio stiprintuvo išėjime nepasikeis pasikeitus apkrovos srovei. Realiuose bendrosios paskirties operatyviniuose stiprintuvuose tai yra dešimtys omų (dažniausiai 50 omų).
Be to, išėjimo varža priklauso nuo signalo dažnio.

4) Idealaus operatyvinio stiprintuvo stiprinimas yra be galo didelis. Tiesą sakant, jį riboja vidinė operatyvinio stiprintuvo grandinė, o išėjimo įtampą riboja maitinimo įtampa.

5) Kadangi stiprinimas yra be galo didelis, todėl idealaus operatyvinio stiprintuvo įėjimų įtampos skirtumas yra lygus nuliui. Priešingu atveju, net jei vieno įėjimo potencialas yra didesnis arba mažesnis už bent vieno elektrono krūvį, tada išėjimas bus be galo didelis potencialas.

6) Idealaus operatyvinio stiprintuvo stiprinimas nepriklauso nuo signalo dažnio ir yra pastovus visais dažniais. Tikriems operatyviniams stiprintuvams ši sąlyga įvykdoma tik žemi dažniai iki bet kokio ribinio dažnio, kuris yra individualus kiekvienam operatyviniam stiprintuvui. Paprastai ribinis dažnis imamas kaip 3 dB stiprinimo sumažėjimas arba iki 0,7 stiprinimo esant nuliniam dažniui (DC).

Paprasčiausio tranzistorių operatyvinio stiprintuvo grandinė atrodo maždaug taip:

Operacinio stiprintuvo veikimo principas

Pažiūrėkime, kaip veikia OS.

OU veikimo principas yra labai paprastas. Jis lygina dvi įtampas ir išėjime jau sukuria neigiamą arba teigiamą maitinimo potencialą. Viskas priklauso nuo to, kurios įvesties potencialas yra didesnis. Jei potencialas neinvertuojančiame įėjime U1 yra didesnis nei invertuojančiame U2, tada išėjimas bus + Upit, jei potencialas invertuojančiame įėjime U2 yra didesnis nei neinvertuojančiame U1, tada išėjimas bus - Upit. Tai yra visas principas ;-).

Išnagrinėkime šį principą „Proteus“ simuliatoriuje. Norėdami tai padaryti, pasirenkame paprasčiausią ir labiausiai paplitusią operacinį stiprintuvą LM358 (analogai 1040UD1, 1053UD2, 1401UD5) ir surenkame primityvią grandinę, rodančią veikimo principą.

Neinvertuojančiam įėjimui pritaikykime 2 voltus, o invertuojančiam - 1 voltus. Kadangi potencialas yra didesnis neinvertuojančiame įėjime, todėl išvestyje turėtume gauti + Upit. Gavome 13,5 voltų, tai yra arti šios vertės.

Bet kodėl gi ne 15 voltų? Dėl visko kalta vidinė op-amp grandinė. Maksimali operacinės stiprintuvo vertė ne visada gali būti lygi teigiamai arba neigiamai maitinimo įtampai. Priklausomai nuo operatyvinio stiprintuvo tipo, jis gali skirtis nuo 0,5 iki 1,5 volto.

Tačiau, kaip sakoma, šeima neapsieina be keistuolių, todėl rinkoje jau seniai pasirodė operatyviniai stiprintuvai, kurie išėjime gali sukurti priimtiną maitinimo įtampą, tai yra, mūsų atveju, tai yra vertybės\ u200b\u200 arti +15 ir -15 voltų. Tokia funkcija vadinama „Rail-to-Rail“, kuri pažodžiui išversta iš anglų kalbos. „nuo bėgio iki bėgio“, o elektronikos kalba „nuo vieno maitinimo bėgio iki kito“.

Dabar invertuojančiam įėjimui pritaikykime daugiau potencialo nei neinvertuojančiam. Mes tiekiame 2 voltus invertuojančiam, o 1 voltui neinvertuojančiam:

Kaip matote, į Šis momentas išėjimas „nugulė“ ant -Upit, nes potencialas invertuojančiame įėjime buvo didesnis nei neinvertuojančiame.

Kad dar kartą neatsisiųstumėte „Proteus“ programinės įrangos paketo, galite imituoti idealaus operatyvinio stiprintuvo veikimą internetu, naudodami programą „Falstad“. Norėdami tai padaryti, pasirinkite skirtuką Circuits-Op-Amps->OpAmp. Dėl to ekrane pasirodys ši diagrama:

Dešiniajame valdymo skydelyje matysite slankiklius, skirtus pridėti įtampą prie op-amp įėjimų ir jau galite vizualiai matyti, kas vyksta operacinės stiprintuvo išėjime, kai pasikeičia įtampa įėjimuose.

Taigi, mes svarstėme atvejį, kai įtampa įėjimuose gali skirtis. Bet kas atsitiks, jei jie bus lygūs? Ką Protėjas mums parodys šiuo atveju? Hmm, parodė + Upit.

O ką parodys Falstadas? Nulis voltų.

Kam tikėti? Niekas! Realiame gyvenime to padaryti neįmanoma, norint įvesti visiškai vienodą įtampą dviem įėjimais. Todėl tokia operacinės sistemos stiprintuvo būsena bus nestabili, o išvesties vertės gali įgyti arba -E voltus, arba +E voltus.

Neinvertuojančiam įėjimui pritaikykime sinusinį signalą, kurio amplitudė 1 voltas ir dažnis 1 kilohercas, o invertuojantį signalą pastatykime į žemę, tai yra iki nulio.

Pažiūrėkime, ką turime virtualiame osciloskope:

Ką galima pasakyti šiuo atveju? Kai sinusinis signalas yra neigiamoje srityje, operacinės stiprintuvo išvestyje turime -Upit, o kai sinusinis signalas yra teigiamoje srityje, tada išvestyje turime +Upit. Taip pat atkreipkite dėmesį į tai, kad operacinės stiprintuvo išėjimo įtampa negali staigiai pakeisti savo vertės. Todėl op-amp yra toks parametras kaip išėjimo įtampos sukimosi greitis V Uout .

Šis parametras parodo, kaip greitai gali pasikeisti operacinės sistemos stiprintuvo išėjimo įtampa dirbant impulsinėse grandinėse. Matuojama voltais/sek. Na, kaip tu supratai ką daugiau vertėsŠis parametras, tuo geriau operacinės sistemos stiprintuvas veikia impulsinėse grandinėse. LM358 atveju šis parametras yra 0,6 V/µs.

Su Jeer

Dažnai prisimenu savo pirmąją pažintį su operaciniu stiprintuvu (op-amp). Visada žinojau, kad šie paslaptingi trikampiai diagramose man pravers gyvenime. Tačiau ilgos bemiegės naktys, praleistos studijuojant jų darbo principą, nieko neprivedė. Yra daug straipsnių šia tema, bet man atrodo, kad patys pagrindai nėra akivaizdūs. Pabandysiu šiek tiek priartėti iš kitos pusės ir išsisklaidyti baisios paslaptys OU.

Pabandykime išsiaiškinti, kokias „operacijas“ stiprina mūsų operacinis stiprintuvas.

Problema: yra signalo šaltinis, pvz., signalas iš mikrofono arba gitaros pikapo. Jei mikrofonas prijungtas tiesiai prie ausinių, greičiausiai nieko negirdėsite, geriausiu atveju tai bus vos juntamas garsas.

Įsivaizduokite, vietoj mikrofono žmogus, kuris bando pakelti sunkią plokštę, žinoma, negali to padaryti, kaip ir mikrofonas nepajėgia išjudinti garsiakalbio. Bet jei šis asmuo kranui valdyti naudos mažai jėgos, jis galės pakelti bet kokį krano keliamą krovinį. Tie. kranas šiuo atveju stiprintuvas. Krano keliamosios galios analogas yra stiprintuvo galia. Prieaugio prasmė turėtų būti aiški iš paveikslėlio. Dažnis ir bangos forma išlieka tie patys, keičiasi tik amplitudė.

Dabar žinome, kad norint išgirsti garsą iš kolonėlių, reikalingas stiprintuvas. Nors mes nežinome, kaip tai veikia ir kas yra jo viduje, tačiau jau žinome, kad turi būti kojelės, kurioms taikomas signalas, kurį norime sustiprinti Uin, taip pat kojos, iš kurių pašalinamas sustiprintas signalas Uout .

Kyla klausimas, iki kokios įtampos galima sustiprinti signalą? Sakysite: „Noriu sustiprinti 220V į 1000000V“, bet tai neįmanoma, kodėl? Kadangi pradinį signalą sustiprina išorinis šaltinis. Išorinis šaltinis bus operacinės sistemos stiprintuvo maitinimo įtampa. Panašiai ir kranas negali pakelti krovinio virš savo aukščio (sutinkame, kad negali :)). Todėl operacinės stiprintuvo išėjimo įtampa negali viršyti maitinimo įtampos. Realiai ji net šiek tiek mažesnė už maitinimo įtampą. Pavyzdžiui, LM324 maitinimo įtampa yra nuo 3 iki 32 V.

Dabar žinome, kad operatyviniam stiprintuvui reikia išorinės galios, nubrėžkime šias kojeles

Beje, mes įpratę, kad mūsų maitinimas yra vienpolis + 5 V ir įžemintas. Čia yra subtilus dalykas, jei norite sustiprinti signalą, kurio reikšmės yra neigiamos,

tada reikia prisijungti prie -Upit, būtent neigiamos įtampos šaltinio, o ne žemės. Jei prijungiate įžeminimą, pasirodo, kad nėra įtampos šaltinio ir "apatinė" (neigiama) signalo dalis nebus sustiprinta, t.y. dalis signalo bus „nutraukta“, daugiau apie tai pavyzdyje.

Panašiai, jei signalas sustiprinamas daugiau nei maitinimo įtampa, tai tose vietose, kur signalas viršija maitinimo įtampą, signalas „nutrūksta“, t.y. vietoj sinusoidės matysime kažką panašaus

Lieka pagrindinis klausimas, kaip nustatyti pelną? Labai paprasta – įtampos daliklis. Bet pirmiausia pereikime prie tikroviškesnio žymėjimo. Bet kuris operatyvinis stiprintuvas turi mažiausiai 5 kojeles – 2 galias, kaip buvo minėta aukščiau, apverstą įvestį (-), neapverstą įvestį (+) ir išėjimą.

Todėl priklausomai nuo to, į kurią įvestį nukreipiamas pradinis signalas, išskiriami du perjungimo tipai: neinvertuojantis stiprintuvas.

Stiprinimas, kuris lygus K=(R4/R3)+1. Šiuo atveju K=4. Šiuo atveju išėjimo bangos forma nesikeičia.

Ir invertuojant, kai stiprinimas K=-(R2/R1). Šiai schemai K=3. Išėjimo signalas bus fazėje su įėjimu.

Nuo žodžių pereikime prie darbų. Pradiniu signalu buvo paimtas meandras, kurio dažnis yra 1 kHz. Signalas turi ir teigiamas, ir neigiamas vertes (ekrano vidurys yra 0). Signalo amplitudė 50mV.

Op-amp (L324) jungiu pagal neinvertuojančio stiprintuvo schemą. Maistas yra vienpolis. Op-amp išvestyje tos pačios formos, bet didesnės amplitudės signalas. Tikriausiai nėra iki galo aišku, kodėl signalas yra tokios amplitudės ir kodėl jis pasislinko į viršų.

Pabandykime tai išsiaiškinti. Pradinio signalo amplitudė 50mV, R4=30k, R3=10k, pakeičiame į formulę 50*(30/10+1)=200mV, labai panašiai, kaip matosi osciloskope. Kodėl signalas pakilo? Prisiminkite unipolinės galios trūkumą – nieko, kas yra žemiau 0, negalima sustiprinti, todėl signalas nutrūksta esant 0.

Dabar įsivaizduokite, kad jei prie maitinimo kaiščio būtų prijungtas neigiamas įtampos šaltinis, tarkime -5 V, signalo amplitudė padvigubėtų !!! Todėl gerokai padidėtų ir apimtis.

Tiesą sakant, tai yra maža pratarmė, prieš pradedant studijuoti OU, visa tai, kas išdėstyta aukščiau, yra tik lašas jūroje, jei patiko, rašykite, palaipsniui įsisavinsime kitas OU programas, įskaitant. ir praktiniai planai.

Elektronikos kursuose yra daug svarbių temų. Šiandien pabandysime susidoroti su operaciniais stiprintuvais.
Pradėti iš naujo. Operacinis stiprintuvas yra toks „dalykas“, leidžiantis visais įmanomais būdais dirbti su analoginiais signalais. Paprasčiausi ir paprasčiausi yra stiprinimas, slopinimas, sudėjimas, atėmimas ir daugelis kitų (pavyzdžiui, diferenciacija arba logaritmas). Didžioji dauguma operacijų su operaciniais stiprintuvais (toliau – operacijų stiprintuvais) atliekami naudojant teigiamą ir neigiamą grįžtamąjį ryšį.
Šiame straipsnyje mes apsvarstysime tam tikrą "idealią" OS, nes nėra prasmės pereiti prie konkretaus modelio. Idealu reiškia, kad įėjimo varža bus linkusi į begalybę (taigi įvesties srovė bus linkusi į nulį), o išėjimo varža, priešingai, bus linkusi į nulį (tai reiškia, kad apkrova neturėtų turėti įtakos išėjimo įtampai). Be to, bet koks idealus operacinės sistemos stiprintuvas turėtų sustiprinti bet kokio dažnio signalus. Na, ir, svarbiausia, pelnas be grįžtamojo ryšio taip pat turėtų būti begalinis.

Eikite į esmę

Grandinių operacinis stiprintuvas labai dažnai nurodomas lygiakraščiu trikampiu. Kairėje yra įėjimai, kurie pažymėti "-" ir "+", dešinėje - išvestis. Įtampa gali būti taikoma bet kuriam iš įėjimų, kurių vienas keičia įtampos poliškumą (todėl ir buvo vadinamas invertuojančiu), kitas nesikeičia (logiška manyti, kad jis vadinamas neinvertuojančiu). Operatyvinio stiprintuvo maitinimo šaltinis dažniausiai yra dvipolis. Paprastai teigiama ir neigiama maitinimo įtampa turi tą pačią vertę (bet skirtingą ženklą!).
Paprasčiausiu atveju įtampos šaltinius galite prijungti tiesiai prie operacinės stiprintuvo įvesties. Tada išėjimo įtampa bus apskaičiuojama pagal formulę:
, kur yra įtampa neinvertuojančiame įėjime, yra įtampa invertuojančiame įėjime, yra įtampa išėjime ir yra stiprinimas be grįžtamojo ryšio.
Pažvelkime į idealų operacinės sistemos stiprintuvą Proteus požiūriu.


Siūlau žaisti su juo. Neinvertuojančiam įėjimui buvo pritaikyta 1 V įtampa. Ant invertuojamo 3V. Mes naudojame „idealią“ OS. Taigi, gauname: Bet čia mes turime ribotuvą, nes negalėsime sustiprinti signalo, viršijančio mūsų maitinimo įtampą. Taigi, išėjimas vis tiek gaus -15 V. Rezultatas:


Pakeiskime pelną (kad jūs manimi patikėtumėte). Tegul įtampos padidėjimo parametras tampa lygus dviem. Ta pati problema aiškiai išspręsta.

Tikras operatyvinio stiprintuvo pritaikymas invertuojančių ir neinvertuojančių stiprintuvų pavyzdžiu

Yra du tokie majoras taisyklės:
aš. Operatyvinio stiprintuvo išėjimas linkęs padaryti skirtingą įtampą (skirtumą tarp įtampos invertuojančiame ir neinvertuojančiame įėjime) lygi nuliui.
II. Op-amp įėjimai nenaudoja srovės.
Pirmoji taisyklė įgyvendinama per grįžtamąjį ryšį. Tie. įtampa iš išėjimo į įėjimą perduodama taip, kad potencialų skirtumas tampa lygus nuliui.
Tai, galima sakyti, yra „šventieji kanonai“ OU temoje.
O dabar konkrečiau. Invertuojantis stiprintuvas atrodo tiksliai taip (atkreipkite dėmesį į įvesčių vietą):


Remdamiesi pirmuoju „kanonu“, gauname proporciją:
, ir šiek tiek „užburdami“ formulę, gauname invertuojančio operatyvinio stiprintuvo stiprinimo vertę:

Aukščiau esančioje ekrano kopijoje komentarų nereikia. Tiesiog prijunkite viską ir patikrinkite.

Kitas etapas - neapverčiantis stiprintuvas.
Čia taip pat viskas paprasta. Įtampa tiekiama tiesiai į neinvertuojamą įvestį. Grįžtamasis ryšys taikomas invertuojančiam įėjimui. Invertavimo įvesties įtampa bus tokia:
, tačiau taikant pirmąją taisyklę galima teigti, kad

Ir vėl, „didžiosios“ žinios aukštosios matematikos srityje leidžia pereiti prie formulės:
Čia yra visa ekrano kopija, kurią galite dar kartą patikrinti, jei norite:

Galiausiai pateiksiu porą įdomių grandinių, kad nesusidarytų įspūdis, jog operatyviniai stiprintuvai gali tik sustiprinti įtampą.

Įtampos sekiklis (buferinis stiprintuvas). Veikimo principas yra toks pat kaip ir tranzistoriaus kartotuvo. Naudojamas didelės apkrovos grandinėse. Be to, su jo pagalba galite išspręsti impedanso suderinimo problemą, jei grandinėje yra nepageidaujamų įtampos daliklių. Schema yra paprasta ir geniali:

sumavimo stiprintuvas. Jis gali būti naudojamas, jei norite pridėti (atimti) kelis signalus. Aiškumo dėlei - diagrama (dar kartą atkreipkite dėmesį į įvesties vietą):


Taip pat atkreipkite dėmesį į tai, kad R1 = R2 = R3 = R4 ir R5 = R6. Skaičiavimo formulė šiuo atveju bus tokia: (žinoma, ar ne?)
Taigi matome, kad įtampos vertės, kurios taikomos neinvertuojančiam įėjimui, „įgyja“ pliuso ženklą. Ant apvertimo - minusas.

Išvada

Operacinių stiprintuvų grandinės yra labai įvairios. Sudėtingesniais atvejais galite rasti aktyvių filtrų grandinių, ADC ir saugojimo mėginių ėmimo įrenginius, galios stiprintuvus, srovės-įtampos keitiklius ir daugybę kitų grandinių.

Šaltinių sąrašas

Trumpas sąrašas šaltinių, kurie padės greitai priprasti tiek prie OS, tiek prie elektronikos apskritai:
Vikipedija
P. Horowitzas, W. Hillas. "Schemos menas"
B. Bakeris. „Ką skaitmeninis dizaineris turi žinoti apie analoginę elektroniką“
Paskaitų konspektas apie elektroniką (pageidautina savo)
UPD.: Ačiū NSO už kvietimą

Elektronikos kursuose yra daug svarbių temų. Šiandien pabandysime susidoroti su operaciniais stiprintuvais.
Pradėti iš naujo. Operacinis stiprintuvas yra toks „dalykas“, leidžiantis visais įmanomais būdais dirbti su analoginiais signalais. Paprasčiausi ir paprasčiausi yra stiprinimas, slopinimas, sudėjimas, atėmimas ir daugelis kitų (pavyzdžiui, diferenciacija arba logaritmas). Didžioji dauguma operacijų su operaciniais stiprintuvais (toliau – operacijų stiprintuvais) atliekami naudojant teigiamą ir neigiamą grįžtamąjį ryšį.
Šiame straipsnyje mes apsvarstysime tam tikrą "idealią" OS, nes nėra prasmės pereiti prie konkretaus modelio. Idealu reiškia, kad įėjimo varža bus linkusi į begalybę (taigi įvesties srovė bus linkusi į nulį), o išėjimo varža, priešingai, bus linkusi į nulį (tai reiškia, kad apkrova neturėtų turėti įtakos išėjimo įtampai). Be to, bet koks idealus operacinės sistemos stiprintuvas turėtų sustiprinti bet kokio dažnio signalus. Na, ir, svarbiausia, pelnas be grįžtamojo ryšio taip pat turėtų būti begalinis.

Eikite į esmę

Grandinių operacinis stiprintuvas labai dažnai nurodomas lygiakraščiu trikampiu. Kairėje yra įėjimai, kurie pažymėti "-" ir "+", dešinėje - išvestis. Įtampa gali būti taikoma bet kuriam iš įėjimų, kurių vienas keičia įtampos poliškumą (todėl ir buvo vadinamas invertuojančiu), kitas nesikeičia (logiška manyti, kad jis vadinamas neinvertuojančiu). Operatyvinio stiprintuvo maitinimo šaltinis dažniausiai yra dvipolis. Paprastai teigiama ir neigiama maitinimo įtampa turi tą pačią vertę (bet skirtingą ženklą!).
Paprasčiausiu atveju įtampos šaltinius galite prijungti tiesiai prie operacinės stiprintuvo įvesties. Tada išėjimo įtampa bus apskaičiuojama pagal formulę:
, kur yra įtampa neinvertuojančiame įėjime, yra įtampa invertuojančiame įėjime, yra įtampa išėjime ir yra stiprinimas be grįžtamojo ryšio.
Pažvelkime į idealų operacinės sistemos stiprintuvą Proteus požiūriu.


Siūlau žaisti su juo. Neinvertuojančiam įėjimui buvo pritaikyta 1 V įtampa. Ant invertuojamo 3V. Mes naudojame „idealią“ OS. Taigi, gauname: Bet čia mes turime ribotuvą, nes negalėsime sustiprinti signalo, viršijančio mūsų maitinimo įtampą. Taigi, išėjimas vis tiek gaus -15 V. Rezultatas:

Pakeiskime pelną (kad jūs manimi patikėtumėte). Tegul įtampos padidėjimo parametras tampa lygus dviem. Ta pati problema aiškiai išspręsta.

Tikras operatyvinio stiprintuvo pritaikymas invertuojančių ir neinvertuojančių stiprintuvų pavyzdžiu

Yra du tokie majoras taisyklės:
aš. Operatyvinio stiprintuvo išėjimas linkęs padaryti skirtingą įtampą (skirtumą tarp įtampos invertuojančiame ir neinvertuojančiame įėjime) lygi nuliui.
II. Op-amp įėjimai nenaudoja srovės.
Pirmoji taisyklė įgyvendinama per grįžtamąjį ryšį. Tie. įtampa iš išėjimo į įėjimą perduodama taip, kad potencialų skirtumas tampa lygus nuliui.
Tai, galima sakyti, yra „šventieji kanonai“ OU temoje.
O dabar konkrečiau. Invertuojantis stiprintuvas atrodo tiksliai taip (atkreipkite dėmesį į įvesčių vietą):


Remdamiesi pirmuoju „kanonu“, gauname proporciją:
, ir šiek tiek „užburdami“ formulę, gauname invertuojančio operatyvinio stiprintuvo stiprinimo vertę:

Aukščiau esančioje ekrano kopijoje komentarų nereikia. Tiesiog prijunkite viską ir patikrinkite.

Kitas etapas - neapverčiantis stiprintuvas.
Čia taip pat viskas paprasta. Įtampa tiekiama tiesiai į neinvertuojamą įvestį. Grįžtamasis ryšys taikomas invertuojančiam įėjimui. Invertavimo įvesties įtampa bus tokia:
, tačiau taikant pirmąją taisyklę galima teigti, kad

Ir vėl, „didžiosios“ žinios aukštosios matematikos srityje leidžia pereiti prie formulės:
Čia yra visa ekrano kopija, kurią galite dar kartą patikrinti, jei norite:

Galiausiai pateiksiu porą įdomių grandinių, kad nesusidarytų įspūdis, jog operatyviniai stiprintuvai gali tik sustiprinti įtampą.

Įtampos sekiklis (buferinis stiprintuvas). Veikimo principas yra toks pat kaip ir tranzistoriaus kartotuvo. Naudojamas didelės apkrovos grandinėse. Be to, su jo pagalba galite išspręsti impedanso suderinimo problemą, jei grandinėje yra nepageidaujamų įtampos daliklių. Schema yra paprasta ir geniali:

sumavimo stiprintuvas. Jis gali būti naudojamas, jei norite pridėti (atimti) kelis signalus. Aiškumo dėlei - diagrama (dar kartą atkreipkite dėmesį į įvesties vietą):


Taip pat atkreipkite dėmesį į tai, kad R1 = R2 = R3 = R4 ir R5 = R6. Skaičiavimo formulė šiuo atveju bus tokia: (žinoma, ar ne?)
Taigi matome, kad įtampos vertės, kurios taikomos neinvertuojančiam įėjimui, „įgyja“ pliuso ženklą. Ant apvertimo - minusas.

Išvada

Operacinių stiprintuvų grandinės yra labai įvairios. Sudėtingesniais atvejais galite rasti aktyvių filtrų grandinių, ADC ir saugojimo mėginių ėmimo įrenginius, galios stiprintuvus, srovės-įtampos keitiklius ir daugybę kitų grandinių.

Šaltinių sąrašas

Trumpas sąrašas šaltinių, kurie padės greitai priprasti tiek prie OS, tiek prie elektronikos apskritai:
Vikipedija
P. Horowitzas, W. Hillas. "Schemos menas"
B. Bakeris. „Ką skaitmeninis dizaineris turi žinoti apie analoginę elektroniką“
Paskaitų konspektas apie elektroniką (pageidautina savo)

Žymos: operaciniai stiprintuvai, operatyviniai stiprintuvai, elektronika, pradedantiesiems

) dirbsime su OP97 ir AD620. Pirmiausia apsvarstykite AD620. Jo duomenų lape tai nurodyta taip:

2b pav

AD620 yra instrumentinis operacijų stiprintuvas. Žodis instrumentinis kalba apie geresnes jo charakteristikas, palyginti su įprastu operatyviniu stiprintuvu. Sustiprintas signalas tiekiamas į įėjimus +IN ir atitinkamai -IN. Šio stiprintuvo stiprinimas nustatomas naudojant rezistorių, prijungtą prie Rg įėjimų (jų yra atitinkamai du - Nr. 1 ir Nr. 8). Kuris rezistorius, kuris stiprinimas atitinka - žiūrėkite duomenų lape. AD620 operacinės stiprintuvo maitinimas yra dvipolis. Tai reiškia, kad jis turi maitinimo laidus, kurie vadinami +Vs ir -Vs. O dabar jei prie jų prijungsime, pavyzdžiui, 5V bateriją (be to baterijų minusas turi būti prijungtas prie -Vs, o pliusas atitinkamai prie +Vs), o signalo įvadams pritaikome potencialų skirtumą. +IN ir atitinkamai -IN, kurie turi būti sustiprinti, tada signalą, sustiprintą K kartų (kur K yra stiprinimas, nustatytas Rg – žr. aukščiau), galime pašalinti iš šio įrenginio, prijungę prie IŠVESTIES kontakto ir mūsų montuojama grandinė, kurios potencialas yra 2,5 V palyginti akumuliatoriaus minusas. Taškas, kurio potencialas yra 2,5 V, palyginti su akumuliatoriaus minusu, vadinamas nuliniu tašku. Tai yra pats nulis, kurio atžvilgiu potencialas (stiprintas signalas) matuojamas stiprintuvo IŠĖJIMO kontakte. Šį tašką galima gauti naudojant įprastą 3b formos varžinį daliklį.

pav.3b

Taigi, paprasčiausia grandinėšio operatyvinio stiprintuvo prijungimas yra toks:

Taigi plius baterijos nulinio taško atžvilgiu turi potencialą, lygų +2,5V, o baterijos minusas nulinio taško atžvilgiu turi -2,5V potencialą (žr. 3b pav.). Tai reiškia, kad nulinio taško potencialas yra tiksliai viduryje tarp akumuliatoriaus pliuso ir minuso. Iš čia ir pavadinimas šis metodas maitinimas - bipolinis maitinimas (kadangi pasirodo, kad stiprintuvo -Vs išėjimui nulinio taško atžvilgiu pritaikėme minus 2,5V, o prie + Vs pridėjome plius 2,5V nulinio taško atžvilgiu).
Taip pat reikia pažymėti, kad potencialai, taikomi stiprintuvo +IN ir –IN įėjimams, palyginti su grandinės nuliu, turi turėti tokią pat vertę kaip ir maitinimo šaltinio potencialai. Tai yra, jei atitinkamai –2,5V ir +2,5V pritaikytume prie –Vs ir +Vs, tai –IN ir +IN negalima tiekti, pvz., atitinkamai 230V ir 230,1V. Šiame pavyzdyje potencialų skirtumas 230,1–230=0,1 V, nors ir mažas, bet nebus sustiprintas. Pagal duomenų lapą būtina išsiaiškinti priimtiną potencialų diapazoną atitinkamo operatyvinio stiprintuvo įėjimuose. Pavyzdžiui, AD620, pagal jo duomenų lapą Įvesties įtampos diapazonas (įvesties įtampos diapazonas), kai maitinimas tiekiamas į –2,5 V ir 2,5 V į –Vs ir +Vs, įtampa lyginant su nuliu į –IN arba +IN turi būti ne didesnis kaip Vs–1,2 V = 2,5–1,2 = 1,3 V ir ne mažesnis kaip –Vs+1,9 V = –2,5+1,9 = –0,6 V. Tai reiškia, kad jei, pavyzdžiui, 0,2 V ir 0,3 V įtampa atitinkamai –IN ir +IN, tai dabar potencialų skirtumas tarp –IN ir +IN iki to paties 0,1 V jau gali būti padidintas. Elektrokardiografo grandinėje (žr. 5 pav.), kad potencialai iš žmogaus kūno, tiekiami į stiprintuvo įvestį, būtų tose pačiose ribose kaip ir maitinimo šaltinio potencialai, prijungiamas maitinimo šaltinio nulinis taškas. naudojant vadinamąjį atskaitos elektrodą prie paciento dešinės kojos (tokia jungtis dar vadinama „dešinės kojos vairuotoju“ – dešinės kojos vairuotoju). Dėl to žmogaus kūno potencialai svyruos stiprintuvo maitinimo nuliniame taške, o tai reiškia, kad jie pateks į diapazoną Vs–1,2 V, –Vs+1,9 V.
Taip pat yra toks svarbi savybė. Stiprintuvo išėjimo įtampa turi būti matuojama OUTPUT ir grandinės nulinio laido atžvilgiu, tačiau praktiškai kartais kai kurie operatyviniai stiprintuvai prideda savo poslinkį prie išėjimo signalo viena ar kita pastovia verte. Todėl, norint pašalinti šią pastovią vertę iš tokių operatyvinių stiprintuvų ir dėl to matavimai, susiję su nuliniu grandinės laidu, būtų teisingi, paprastai pateikiamas REF išėjimas (vadinamasis atskaitos įėjimas), į kurį būtina pritaikyti grandinės nulinį potencialą. Be to, nulinis potencialas turi būti tiekiamas į REF išėjimą iš šaltinio, kurio išėjimo varža yra minimali, kitaip nulinio potencialo tiekimas į REF nepasieks norimo efekto. Taigi nulinis potencialas dažniausiai taikomas REF įėjimui per vadinamąjį sekėjų operatyvinį stiprintuvą, kurio išėjimo varža, kaip žinote, artima nuliui, o įvestis, priešingai, yra linkusi į didžiulę vertę. Retransliatoriaus įėjimui taikomas nulinis potencialas, kurio stiprinimas lygus vienetui, nulinis potencialas pašalinamas iš kartotuvo išvesties ir tiekiamas į REF. Operatyvinis stiprintuvas, prijungtas pagal kartotuvo grandinę, atrodo taip:

pav.5b

Tada stiprintuvo perjungimo grandinė su REF atrodys taip:

pav.6b

Mūsų elektrokardiografo grandinėje retransliatorius, generuojantis etaloninę įtampą AD620 stiprintuvams, yra pastatytas remiantis OP97 (žr. 8 pav.) - čia nulinis potencialas taikomas teigiamam OP97 įėjimui, o iš OP97 išėjimo atskaitos nulinis potencialas tiekiamas į specialiai tam sukurtų AD620 stiprintuvų REF išėjimus. OP97 taip pat yra dvipolis.
Be operacijų stiprintuvų su bipoline galia, yra ir vadinamųjų vienpolių, pavyzdžiui, TLC272. Tokiems stiprintuvams išėjimo įtampa matuojama ne lyginant su nuliniu tašku, o su akumuliatoriaus minusu, todėl išėjimai, skirti maitinti tokį operatyvinį stiprintuvą, yra žymimi GND (čia atėmus baterijas) ir VDD ( plius čia).
Na, gal ir viskas. Šios informacijos pakanka, kad suprastume, ką kur ir ką taikyti, kur matuoti su mūsų elektrokardiografo grandinės stiprintuvais.

Taip pat daugiau apie operacinius stiprintuvus galite pamatyti čia:

p.s. Tiems, kurie domisi matematikos, fizikos, technologijų, vadinamų „ant pirštų“, sąvokomis, galime rekomenduoti šią knygą, o ypač skyrius iš jos skyrių „Matematika“, „Fizika“, „Technologijos“. “ (galite įsigyti pačią knygą arba atskirus jos skyrius).