Integrēta regulatora tehniskā realizācija, izmantojot operacionālos pastiprinātājus. Urbšanas iekārtu izpildmehānismu elektriskās piedziņas sistēmas ir galvenie regulatoru veidi. Op amp jauda
PWM kontrolleru priekšrocība, kas izmanto darbības pastiprinātājus, ir tāda, ka var izmantot gandrīz jebkuru op-amp (protams, tipiskā komutācijas ķēdē).
Izejas efektīvā sprieguma līmenis tiek regulēts, mainot sprieguma līmeni op-amp neinvertējošā ieejā, kas ļauj ķēdi izmantot kā komponents dažādi sprieguma un strāvas regulatori, kā arī ķēdes ar vienmērīgu kvēlspuldžu aizdedzi un dzēšanu.
Shēma to ir viegli atkārtot, nesatur retus elementus, un, ja elementi ir labā darba kārtībā, tas sāk darboties nekavējoties, bez konfigurācijas. Jaudas lauka tranzistors tiek izvēlēts atbilstoši slodzes strāvai, bet siltuma jaudas izkliedes samazināšanai vēlams izmantot tranzistorus, kas paredzēti lielai strāvai, jo tiem ir vismazākā pretestība, kad tie ir atvērti.
Lauku tranzistora radiatora laukumu pilnībā nosaka tā veida izvēle un slodzes strāva. Ja ķēde tiks izmantota, lai regulētu spriegumu borta tīklos + 24V, lai novērstu lauka tranzistora aizbīdņa pārrāvumu starp tranzistora kolektoru VT1 un aizvars VT2 jums vajadzētu ieslēgt rezistoru ar pretestību 1 K un rezistoru R6 šunts ar jebkuru piemērotu 15 V zenera diodi, pārējie ķēdes elementi nemainās.
Visās iepriekš apspriestajās shēmās tiek izmantots jaudas lauka efekta tranzistors n- kanālu tranzistori, kas ir visizplatītākie un kuriem ir vislabākās īpašības.
Ja nepieciešams regulēt spriegumu slodzei, kuras viens no spailēm ir savienots ar zemi, tad tiek izmantotas ķēdes, kurās n- Kanāla lauka efekta tranzistors ir pievienots kā aizplūšana strāvas avota +, un avota ķēdē tiek ieslēgta slodze.
Lai nodrošinātu iespēju pilnībā atvērt lauka tranzistoru, vadības ķēdē jāietver bloks sprieguma paaugstināšanai vārtu vadības ķēdēs līdz 27 - 30 V, kā tas tiek darīts specializētās mikroshēmās. U 6 080B ... U6084B, L9610, L9611 , tad starp vārtiem un avotu būs vismaz 15 V spriegums. Ja slodzes strāva nepārsniedz 10A, varat izmantot jaudas lauku lpp - kanālu tranzistori, kuru diapazons tehnoloģisku iemeslu dēļ ir daudz šaurāks. Mainās arī tranzistora veids ķēdē VT1 , un regulēšanas raksturlielums R7 apgriež. Ja pirmajā ķēdē vadības sprieguma pieaugums (mainīgā rezistora slīdnis virzās uz barošanas avota “+”) izraisa izejas sprieguma samazināšanos pie slodzes, tad otrajā ķēdē šī attiecība ir pretēja. Ja konkrētai ķēdei nepieciešama apgriezta izejas sprieguma atkarība no ieejas sprieguma no sākotnējās, tad ķēdēs ir jāmaina tranzistoru struktūra VT1, t.i., tranzistors VT1 pirmajā ķēdē jums ir jāpievieno kā VT1 otrajai shēmai un otrādi.
Galvenie regulatoru veidi, ko izmanto vadības sistēmās urbšanas iekārtu izpildmehānismu elektriskajām piedziņām
Analogie regulatori elektrisko piedziņu vergu vadības sistēmās ir veidoti, pamatojoties uz darbības pastiprinātājiem (operācijas pastiprinātājiem) - pastiprinātājiem līdzstrāva ar lielu ieeju un ļoti zemu izejas pretestību. Integrētās shēmas tehnoloģija tagad ļauj ražot augstas kvalitātes un lētus darbības pastiprinātājus. Dažās tā darbības diapazona daļās darbības pastiprinātājs darbojas kā lineārs sprieguma pastiprinātājs ar ļoti lielu pastiprinājumu (10 5 - 10 6). Ja op-amp ķēde nesniedz negatīvu atgriezenisko saiti no izejas uz ieeju, tad lielā pastiprinājuma dēļ tā noteikti nonāks piesātinājuma režīmā. Tāpēc uz op-amp balstītām regulatoru shēmām ir negatīva atgriezeniskā saite.
Operacionālais pastiprinātājs savu nosaukumu ieguvis no tā, ka ar to var veikt dažādas matemātiskas darbības, piemēram, reizināšanu, summēšanu, integrāciju un diferenciāciju. Tipiski regulatori ir veidoti uz invertējošā pastiprinātāja bāzes, un ieejas un izejas ķēdēs papildus pretestībām var būt arī kondensatori.
Tā kā op-amp pastiprinājums ir liels (Ku= = 10 5 +10 6), un izejas spriegumu Uvy ierobežo barošanas spriegums PROCESORS, tad punkta potenciāls A(1. att., a) cpA = = uout/Ku ir tuvu nullei, t.i. punkts A veic šķietamās zemes funkciju (sazemē punktu A tas nav iespējams, pretējā gadījumā ķēde nedarbosies).
Rīsi. 1. Analogā regulatora uzbūve uz operacionālā pastiprinātāja (a). Proporcionālā regulatora ķēde ar kontrolētu izejas signāla ierobežojumu (b). Ieejas-izejas regulatora raksturojums ar kontrolētu izejas signāla ierobežojumu (c)
Dažādu veidu regulatoru shēmas, pārvades funkcijas un pārejas funkcijas ir dotas tabulā.
Dažādu veidu regulatoru ķēdes un dinamiskie raksturlielumi
Lai iegūtu proporcionālo kontrolieri (P-regulatoru), rezistori ir iekļauti op-amp ieejā un atgriezeniskās saites ķēdē; Integrētais regulators (I-regulators) ietver rezistoru ievades ķēdē un kondensatoru atgriezeniskās saites ķēdē; PI kontrolleris satur rezistoru ievades ķēdē un virknē savienotu rezistoru un kondensatoru atgriezeniskās saites ķēdē. PID regulatoru var ieviest vienā pastiprinātājā, izmantojot aktīvās-kapacitatīvās ķēdes ieejā un atgriezeniskās saites ķēdē.
Ražo rūpniecība Dažādi veidi operacionālie pastiprinātāji uz integrālajām shēmām (IC) - gan apaļi, gan taisnstūrveida. Visplašāk izmantotie darbības pastiprinātāju veidi regulatoru konstruēšanai ir K140UD7, K553UD2, K157UD2 utt.
Ir iespējams samazināt elektrisko piedziņu analogo vadības sistēmu ierīču izmērus un palielināt to uzticamību, ieviešot to ražošanā hibrīdtehnoloģiju. Hibrīda integrālo shēmu (HIC) ražošanā uz iespiedshēmas plates cietvielu (neiepakotā) konstrukcijā tiek uzstādīti aktīvie elementi (OA), bet kondensatori un rezistori tiek uzstādīti, izmantojot plēves tehnoloģiju metodi (izsmidzinot vadošas plēves). , pusvadītāji un nevadoši materiāli). Iegūto moduli var piepildīt ar maisījumu vai ievietot korpusā.
Elektriskās piedziņas koordinātu ierobežošana (strāva, ātrums utt.) tiek veikta, iekļaujot ierobežojošās vienības ārējās vadības cilpas regulatora struktūrā. Pēdējais var būt kontrolējams vai nekontrolējams. attēlā, 6
parādīta ķēde proporcionālā regulatora izejas sprieguma ierobežošanai ar atslēgšanas diodēm VD1, VD2 un kontrolētu atsauces spriegumu Vop. Shēma ļauj iegūt ieejas-izejas raksturlielumu, kas ir asimetrisks attiecībā pret koordinātu izcelsmi ar dažādiem ierobežota izejas sprieguma līmeņiem (Zīm.) Iespējamas arī citas op-amp izejas sprieguma vadāmu ierobežošanas ķēžu iespējas, izmantojot tranzistorus.
Vēl nesen sadzīves urbšanas iekārtu izpildmehānismu automatizētajā elektriskajā piedziņā galvenokārt tika izmantota analogā datortehnoloģija. Aiz muguras pēdējie gadi Vairākas projektēšanas un pētniecības organizācijas strādā pie mikroprocesoru vadības sistēmu izveides. Salīdzinot ar analogajām sistēmām, mikroprocesoru sistēmām ir vairākas priekšrocības. Atzīmēsim dažus no tiem.
Elastība. Iespēja, pārprogrammējot, mainīt ne tikai vadības sistēmas parametrus, bet arī algoritmus un pat struktūru. Tajā pašā laikā sistēmas aparatūra paliek nemainīga. Analogajās sistēmās aparatūra būtu jāpārkārto. Programmatūra mikrodatorus var viegli regulēt gan pirmspalaišanas periodā, gan to darbības laikā. Pateicoties tam, tiek samazinātas regulēšanas darbu izmaksas un laiks, kā arī mainās to raksturs, jo nepieciešamos eksperimentus raksturlielumu un parametru noteikšanai, kā arī regulatoru iestatīšanu var veikt automātiski pats mikrodators, izmantojot iepriekš sagatavotu programmu. .
Visu ierobežojumu noņemšana par vadības ierīces uzbūvi un vadības likumiem. Tajā pašā laikā digitālo sistēmu kvalitātes rādītāji var ievērojami pārsniegt nepārtrauktas kontroles sistēmu vadības kvalitātes rādītājus. Ieviešot atbilstošas programmas, var ieviest sarežģītus kontroles likumus (optimizāciju, adaptāciju, prognozēšanu u.c.), arī tādus, kurus ir ļoti grūti īstenot ar analogiem līdzekļiem. Kļūst iespējams atrisināt intelektuālas problēmas, kas nodrošina diriģēšanas precizitāti un efektivitāti tehnoloģiskie procesi. Uz mikrodatora bāzes var uzbūvēt jebkura veida sistēmas, tai skaitā sistēmas ar pakārtotu vadību, daudzdimensiju sistēmas ar šķērssavienojumiem utt.
Pašdiagnostika un pašpārbaude digitālās vadības ierīces. Iespēja pārbaudīt mehānisko piedziņas komponentu, jaudas pārveidotāju, sensoru un citu iekārtu darbspēju procesa pārtraukumos, t.i. automātiska iekārtu stāvokļa diagnostika un savlaicīga brīdināšana par negadījumiem. Šīs iespējas papildina uzlabotas prettraucējumu iespējas. Šeit galvenais ir analogās informācijas pārraides līniju nomaiņa ar digitālajām, kas satur galvanisko izolāciju, optisko šķiedru kanālus un trokšņu izturīgas integrālās shēmas kā pastiprinātājus un slēdžus.
Augstāka precizitāte nulles novirzes trūkuma dēļ, kas raksturīgs analogajām ierīcēm. Tādējādi digitālās elektriskās piedziņas ātruma kontroles sistēmas var nodrošināt vadības precizitātes pieaugumu par divām kārtām, salīdzinot ar analogajām.
Viegli vizualizēt vadības procesa parametrus, izmantojot digitālos indikatorus, indikatoru paneļus un displejus, organizējot interaktīvu informācijas apmaiņas režīmu ar operatoru.
Lielāka uzticamība, mazāki izmēri, svars un izmaksas. Mikrodatoru augsto uzticamību salīdzinājumā ar analogo tehnoloģiju nodrošina lielu integrālo shēmu (LSI) izmantošana, īpašu atmiņas aizsardzības sistēmu klātbūtne, trokšņu noturība un citi līdzekļi. Pateicoties augsts līmenis LSI ražošanas tehnoloģijas samazina elektrisko piedziņu vadības sistēmu ražošanas izmaksas. Šīs priekšrocības ir īpaši acīmredzamas, izmantojot vienas plates un vienas mikroshēmas datorus.
Desmit tūkstošu jūdžu garš ceļojums sākas ar pirmo soli.
(ķīniešu sakāmvārds)
Bija vakars, nebija ko darīt... Un tik pēkšņi sagribējās kaut ko lodēt. Kā... Elektroniska!.. Lodēšana - tā lodēšana. Ir dators un pieslēgts internets. Mēs izvēlamies shēmu. Un pēkšņi izrādās, ka diagrammas paredzētajam priekšmetam ir kariete un mazi ratiņi. Un katrs ir savādāks. Nav pieredzes, nepietiek zināšanu. Kuru izvēlēties? Dažos no tiem ir sava veida taisnstūri un trīsstūri. Pastiprinātāji, un pat operatīvie... Kā tie darbojas, nav skaidrs. Baisi!.. Ja nu sadedzina? Mēs izvēlamies to, kas ir vienkāršāks, izmantojot pazīstamus tranzistorus! Izvēlēts, pielodēts, ieslēgts... PALĪDZĪBA!!! Nestrādā!!! Kāpēc?
Jā, jo “Vienkāršība ir sliktāka par zādzību”! Tas ir kā dators: ātrākais un izsmalcinātākais ir spēļu dators! Un biroja darbam pietiek pat ar visvienkāršāko. Tas pats ir ar tranzistoriem. Ar ķēdes lodēšanu uz tiem nepietiek. Jums joprojām ir jāspēj to konfigurēt. Ir pārāk daudz slazdu un slazdu. Un tas bieži vien prasa pieredzi, kas nav sākuma līmenī. Tātad, kāpēc pamest aizraujošu darbību? Nepavisam! Vienkārši nebaidieties no šiem "trijstūriem-taisnstūriem". Izrādās, ka daudzos gadījumos ar tiem strādāt ir daudz vieglāk nekā ar atsevišķiem tranzistoriem. JA ZIN - KĀ!
Tas ir tas, ar ko mēs tagad nodarbosimies: izpratne par darbības pastiprinātāja (op-amp vai angļu valodā OpAmp) darbību. Tajā pašā laikā mēs uzskatīsim viņa darbu burtiski “uz pirkstiem”, praktiski neizmantojot nekādas formulas, izņemot, iespējams, Oma likumu: “Strāva caur ķēdes posmu ( es) ir tieši proporcionāls spriegumam pāri ( U) un ir apgriezti proporcionāls tā pretestībai ( R)»:
I=U/R. (1)
Sākumā principā nav tik svarīgi, kā tieši op-amp ir sakārtots iekšpusē. Pieņemsim tikai kā pieņēmumu, ka tā ir “melnā kaste” ar kaut kādu pildījumu. Šajā posmā mēs neņemsim vērā tādus darbības pastiprinātāja parametrus kā “novirzes spriegums”, “nobīdes spriegums”, “temperatūras novirze”, “trokšņa raksturlielumi”, “kopējā režīma slāpēšanas pakāpe”, “barošanas sprieguma pulsācijas slāpēšanas pakāpe”, “. joslas platums” un tā tālāk. Visi šie parametri būs svarīgi nākamajā tās izpētes posmā, kad tā darba pamatprincipi “nogulsies” tavā galvā, jo “uz papīra bija gludi, bet par gravām aizmirsa”...
Pagaidām mēs tikai pieņemsim, ka operētājsistēmas pastiprinātāja parametri ir tuvi ideāliem, un ņemsim vērā tikai to, kāds signāls būs tā izejā, ja daži signāli tiks ievadīti tā ieejās.
Tātad darbības pastiprinātājs (operācijas pastiprinātājs) ir līdzstrāvas diferenciālais pastiprinātājs ar divām ieejām (invertējošo un neinvertējošo) un vienu izeju. Papildus tiem op-amp ir jaudas spailes: pozitīvas un negatīvas. Šie pieci secinājumi ir atrodami gandrīz jebkuru op-amp un ir būtiski nepieciešami tā darbībai.
Op-amp ir milzīgs ieguvums, vismaz 50000...100000, bet patiesībā tas ir daudz vairāk. Tāpēc kā pirmo tuvinājumu mēs pat varam pieņemt, ka tas ir vienāds ar bezgalību.
Termins “differential” (“different” no angļu valodas tiek tulkots kā “difference”, “difference”, “difference”) nozīmē, ka operētājsistēmas pastiprinātāja izejas potenciālu ietekmē tikai potenciāla atšķirība starp tā ieejām, neskatoties uz no viņiem absolūts nozīmes un polaritātes.
Termins "pastāvīga strāva" nozīmē, ka darbības pastiprinātājs pastiprina ieejas signālus, sākot ar 0 Hz. Op-amp pastiprināto signālu augšējais frekvenču diapazons (frekvenču diapazons) ir atkarīgs no daudziem iemesliem, piemēram, to tranzistoru frekvences raksturlielumiem, no kuriem tas sastāv, ķēdes pastiprinājuma, kas izveidots, izmantojot op-amp, utt. Bet šis jautājums pārsniedz sākotnējās iepazīšanās ar viņa darbu apjomu un šeit netiks izskatīts.
Op-amp ieejām ir ļoti augsta ieejas pretestība, kas vienāda ar desmitiem/simtiem megaohiem vai pat gigaohiem (un tikai vienmēr atmiņā paliekošajā K140UD1, un pat K140UD5 tā bija tikai 30...50 kOhm). Tik liela ieeju pretestība nozīmē, ka tām praktiski nav ietekmes uz ieejas signālu.
Tāpēc ar augstu tuvināšanas pakāpi teorētiskajam ideālam mēs varam pieņemt, ka strāva neplūst operētājsistēmas pastiprinātāja ieejās . Šis - vispirms svarīgs noteikums, kas tiek piemērots, analizējot operētājsistēmas pastiprinātāja darbību. Lūdzu, labi atcerieties, uz ko tas attiecas tikai pats operācijas pastiprinātājs, bet ne shēmas ar tā lietošanu!
Ko nozīmē termini “apgriezt” un “neapgriezt”? Saistībā ar ko nosaka inversiju un vispār kāds “dzīvnieks” ir signāla inversija?
Tulkojumā no latīņu valodas viena no vārda “inversio” nozīmēm ir “apgriezties”, “apgrozījums”. Citiem vārdiem sakot, inversija ir spoguļattēls ( spoguļošana) signālu attiecībā pret horizontālo X asi(laika ass). Attēlā 1 parāda dažus no daudziem iespējamie varianti signāla inversija, kur sarkans norāda uz tiešo (ieejas) signālu un zils norāda uz apgriezto (izejas) signālu.
Rīsi. 1 Signāla inversijas jēdziens
Īpaši jāatzīmē, ka līdz nulles līnijai (kā 1. att., A, B) signāla inversija nav piesiets! Signāli var būt apgriezti un asimetriski. Piemēram, abi ir tikai pozitīvo vērtību apgabalā (1. att., B), kas ir raksturīgi ciparu signāliem vai ar vienpolāru barošanas avotu (par to tiks runāts vēlāk), vai arī abi ir daļēji pozitīvā un daļēji negatīvajos reģionos (1. att., B, D). Iespējamas arī citas iespējas. Galvenais nosacījums ir viņu savstarpējais spekulācija attiecībā pret kādu patvaļīgi izvēlētu līmeni (piemēram, mākslīgs viduspunkts, kas arī tiks apspriests tālāk). Citiem vārdiem sakot, polaritāte Signāls arī nav noteicošais faktors.
Op-amperi ķēdes shēmās ir attēloti dažādos veidos. Ārzemēs agrāk tika attēloti op-amps, un pat tagad tie ļoti bieži tiek attēloti formā vienādsānu trīsstūris(2. att., A). Invertējošā ievade ir attēlota ar mīnusa simbolu, bet neinvertējošā ievade tiek attēlota ar plus simbolu trīsstūrī. Šie simboli nebūt nenozīmē, ka potenciālam attiecīgajās ieejās jābūt pozitīvākam vai negatīvākam nekā citās. Tie vienkārši norāda, kā izejas potenciāls reaģē uz potenciālu, kas tiek piemērots ievadei. Rezultātā tos var viegli sajaukt ar barošanas tapām, kas var izrādīties negaidīts “grābeklis”, īpaši iesācējiem.
Rīsi. 2 nosacītu grafisko attēlu (CGO) opcijas
operacionālie pastiprinātāji
Iekšzemes parasto grafisko attēlu (UGO) sistēmā pirms GOST 2.759-82 (ST SEV 3336-81) stāšanās spēkā operācijas pastiprinātāji tika attēloti arī trīsstūra formā, tikai invertējošā ieeja - ar inversiju. simbols - aplis izejas krustpunktā ar trīsstūri (2. att., B), un tagad - taisnstūra formā (2. att., C).
Apzīmējot op-amps diagrammās, invertējošās un neinvertējošās ieejas var samainīt, ja tas ir ērtāk, tomēr tradicionāli invertējošā ieeja ir attēlota augšpusē, bet neinvertējošā ieeja - apakšā. Strāvas tapas, kā likums, vienmēr atrodas vienā veidā (pozitīvs augšpusē, negatīvs apakšā).
Darbības pastiprinātājus gandrīz vienmēr izmanto negatīvās atgriezeniskās saites (NFB) ķēdēs.
Atgriezeniskā saite ir pastiprinātāja izejas sprieguma daļas padeves ietekme uz tā ieeju, kur to algebriski (ņemot vērā zīmi) summē ar ieejas spriegumu. Signālu summēšanas princips tiks apspriests turpmāk. Atkarībā no tā, kura operētājsistēmas pastiprinātāja ieeja, invertējošā vai neinvertējošā, tiek nodrošināta atgriezeniskā saite, tiek izšķirta negatīvā atgriezeniskā saite (NFB), kad daļa izejas signāla tiek piegādāta invertējošajai ieejai (3. att., A). ) vai pozitīva atgriezeniskā saite (POF), kad daļa Izejas signāls tiek piegādāts attiecīgi uz neinvertējošu ieeju (3. att., B).
Rīsi. 3 Atgriezeniskās saites ģenerēšanas (FE) princips
Pirmajā gadījumā, tā kā izejas signāls ir apgriezts ieejas signālam, tas tiek atņemts no ieejas signāla. Rezultātā tiek samazināts posma kopējais ieguvums. Otrajā gadījumā tas tiek summēts ar ievadi, kaskādes kopējais ieguvums palielinās.
No pirmā acu uzmetiena var šķist, ka POS ir pozitīva ietekme, un OOS ir pilnīgi bezjēdzīga ideja: kāpēc samazināt peļņu? Tieši tā domāja ASV patentu pārbaudītāji, kad 1928. gadā Harolds S. Bleks mēģinājusi patentēt OOS. Tomēr, upurējot pastiprināšanu, mēs ievērojami uzlabojam citus svarīgus ķēdes parametrus, piemēram, tās linearitāti, frekvenču diapazonu utt. Jo dziļāks ir OOS, jo mazāk visas ķēdes īpašības ir atkarīgas no operētājsistēmas pastiprinātāja īpašībām.
Bet PIC (ņemot vērā tā milzīgo op-amp ieguvumu) ir pretēja ietekme uz ķēdes īpašībām, un visnepatīkamākais ir tas, ka tas izraisa tā paša ierosmi. To, protams, izmanto arī apzināti, piemēram, ģeneratoros, komparatoros ar histerēzi (par to vairāk vēlāk) utt., taču kopumā tā ietekme uz pastiprinātāju ķēžu darbību ar op-ampēriem ir diezgan negatīva un prasa ļoti rūpīgi un saprātīgi analizēt tās piemērošanu.
Tā kā operatīvajam pastiprinātājam ir divas ieejas, ir iespējami šādi tā aktivizēšanas pamatveidi, izmantojot OOS (4. att.):
Rīsi. 4 Pamatshēmas darbības pastiprinātāju pievienošanai
A) apgriežot (4. att., A) - signāls tiek piegādāts invertējošajai ieejai, un neinvertējošā ieeja ir tieši savienota ar atsauces potenciālu (neizmanto);
b) neapgriežot (4. att., B) - signāls tiek piegādāts neinvertējošajai ieejai, un invertējošā ieeja ir tieši savienota ar atsauces potenciālu (neizmanto);
V) diferenciālis (4. att., B) - signāli tiek piegādāti abām ieejām, invertējošām un neinvertējošām.
Lai analizētu šo ķēžu darbību, jāņem vērā otrais vissvarīgākais noteikums, kam ir pakārtota operētājsistēmas pastiprinātāja darbība: Operacionālā pastiprinātāja izeja nodrošina, ka sprieguma starpība starp tā ieejām ir nulle..
Tomēr jebkuram formulējumam jābūt nepieciešams un pietiekams, lai ierobežotu visu to lietu apakškopu, uz kurām tas attiecas. Iepriekš minētais formulējums, neskatoties uz visu savu “klasiskumu”, nesniedz nekādu informāciju par to, kuru no ievadiem izvade “mēģina ietekmēt”. Pamatojoties uz to, izrādās, ka op-amp, šķiet, izlīdzina spriegumus savās ieejās, piegādājot tiem spriegumu no kaut kurienes “no iekšpuses”.
Ja rūpīgi izpētīsit diagrammas attēlā. 4, jūs varat redzēt, ka OOS (caur Rooos) visos gadījumos tiek palaists no izejas tikai uz apgriezto ievadi, kas dod mums iemeslu šo noteikumu pārformulēt šādi: Spriegums plkst operētājsistēmas pastiprinātāja izeja, uz kuru attiecas OOS, nodrošina, ka potenciāls pie invertējošās ieejas ir vienāds ar potenciālu pie neinvertējošās ieejas.
Pamatojoties uz šo definīciju, “galvenais”, kad ir ieslēgts jebkurš operācijas pastiprinātājs ar OOS, ir neinvertējošā ieeja, un “pakalpojums” ir invertējošā ieeja.
Aprakstot operētājsistēmas pastiprinātāja darbību, potenciālu tā invertējošā ieejā bieži sauc par “virtuālo nulli” vai “virtuālo viduspunktu”. Latīņu vārda "virtus" tulkojums nozīmē "iedomāts", "iedomāts". Virtuālais objekts uzvedas tuvu līdzīgu materiālās realitātes objektu uzvedībai, t.i., ieejas signāliem (sakarā ar atgriezeniskās saites cilpas darbību) var uzskatīt, ka invertējošā ieeja ir tieši saistīta ar to pašu potenciālu, kuram neinvertējošā ieeja ir savienots. Tomēr “virtuālā nulle” ir tikai īpašs gadījums, kas notiek tikai ar bipolāru op-amp padevi. Izmantojot unipolāru barošanas avotu (kas tiks apspriests tālāk) un daudzās citās komutācijas shēmās, nulles nebūs ne invertējošās, ne invertējošās ieejās. Tāpēc vienosimies, ka šo terminu neizmantosim, jo tas traucē sākotnējai izpratnei par op-amp darbības principiem.
No šī viedokļa mēs analizēsim diagrammas, kas parādītas attēlā. 4. Tajā pašā laikā, lai vienkāršotu analīzi, pieņemsim, ka barošanas spriegumi joprojām ir bipolāri, vienādi viens ar otru pēc vērtības (teiksim, ± 15 V), ar viduspunktu (kopējo kopni vai “zemējumu”), relatīvi. uz kuriem mēs saskaitīsim ieejas un izejas spriegumus. Turklāt analīze tiks veikta, izmantojot līdzstrāvu, jo mainīgu maiņstrāvas signālu katrā laika momentā var attēlot arī kā līdzstrāvas vērtību paraugu. Visos gadījumos atgriezeniskā saite caur Rooc tiek uzsākta no operētājsistēmas pastiprinātāja izejas uz tā invertējošo ieeju. Vienīgā atšķirība ir tā, kura no ieejām tiek piegādāta ar ieejas spriegumu.
A) Apgriežot ieslēgšana (5. att.).
Rīsi. 5 Op-amp darbības princips invertējošā savienojumā
Potenciāls pie neinvertējošās ieejas ir nulle, jo tas ir savienots ar viduspunktu ("zeme"). Ievades signāls, kas vienāds ar +1 V attiecībā pret viduspunktu (no GB), tiek pievadīts uz ieejas rezistora Rin kreiso spaili. Pieņemsim, ka pretestības Rooc un Rin ir vienādas viena ar otru un ir 1 kOhm (kopumā to pretestība ir 2 kOhm).
Saskaņā ar 2. noteikumu invertējošajai ieejai ir jābūt tādam pašam potenciālam kā neinvertējošai ieejai, t.i., 0 V. Tāpēc Rin tiek pielikts +1 V spriegums. Saskaņā ar Oma likumu caur to plūst strāva esievade= 1 V / 1000 omi = 0,001 A (1 mA). Šīs strāvas plūsmas virzienu parāda bultiņa.
Tā kā Rooc un Rin ir iekļauti dalītājā un saskaņā ar 1. noteikumu op-amp ieejas nepatērē strāvu, tad, lai spriegums šī dalītāja viduspunktā būtu 0 V, ir jāpieliek spriegums labā Rooka tapa mīnus 1 V, un caur to plūstošā strāva esoos arī jābūt vienādam ar 1 mA. Citiem vārdiem sakot, starp kreiso spaili Rin un labo spaili Rooc tiek pielikts 2 V spriegums, un strāva, kas plūst caur šo dalītāju, ir 1 mA (2 V / (1 kOhm + 1 kOhm) = 1 mA), t.i. es ievade = es oos .
Ja ieejai tiek pielikts negatīvas polaritātes spriegums, operētājsistēmas pastiprinātāja izeja būs pozitīvas polaritātes spriegums. Viss ir tas pats, tikai bultiņas, kas rāda strāvas plūsmu caur Rooku un Rinu, būs vērstas pretējā virzienā.
Tādējādi, ja reitingi Rooc un Rin ir vienādi, spriegums operētājsistēmas pastiprinātāja izejā būs vienāds ar spriegumu tā ieejā pēc lieluma, bet apgriezta polaritāte. Un mēs saņēmām apgriežot atkārtotājs . Šo shēmu bieži izmanto, ja ir nepieciešams invertēt signālu, kas iegūts, izmantojot shēmas, kas būtībā ir invertori. Piemēram, logaritmiskie pastiprinātāji.
Tagad, saglabājot Rin vērtību vienādu ar 1 kOhm, palielināsim Rooc pretestību līdz 2 kOhm ar tādu pašu ieejas signālu +1 V. Rooc + Rin dalītāja kopējā pretestība ir palielinājusies līdz 3 kOhm. Lai 0 V potenciāls paliktu tā viduspunktā (vienāds ar neinvertējošās ieejas potenciālu), caur Rooc jāplūst tai pašai strāvai (1 mA) kā caur Rin. Tāpēc sprieguma kritumam pāri Rooc (spriegumam pie operētājsistēmas pastiprinātāja izejas) jau jābūt 2 V. Operētājsistēmas pastiprinātāja izejā spriegums ir mīnus 2 V.
Palielināsim Rooc reitingu līdz 10 kOhm. Tagad spriegums pie op-amp izejas tādos pašos citos apstākļos būs jau 10 V. Oho! Beidzot saņēmām apgriežot pastiprinātājs
! Tā izejas spriegums ir lielāks par ieejas spriegumu (citiem vārdiem sakot, pastiprinājums Ku) tik reižu, cik pretestība Rooc ir lielāka par pretestību Rin. Neatkarīgi no tā, cik ļoti es zvērēju neizmantot formulas, tomēr parādīsim to vienādojuma veidā:
Ku = – Uout / Uin = – Roos / Rin. (2)
Mīnusa zīme daļskaitļa priekšā vienādojuma labajā pusē nozīmē tikai to, ka izejas signāls ir apgriezts attiecībā pret ieeju. Un nekas vairāk!
Tagad palielināsim Rooc pretestību līdz 20 kOhm un analizēsim, kas notiek. Saskaņā ar formulu (2) ar Ku = 20 un ieejas signālu 1 V, izejā jābūt 20 V spriegumam. Bet tas tā nav! Iepriekš mēs pieņēmām pieņēmumu, ka mūsu op-amp barošanas spriegums ir tikai ± 15 V. Bet pat 15 V nevar iegūt (kāpēc tas tā ir - nedaudz zemāks). "Jūs nevarat lēkt virs galvas (barošanas spriegums)!" Šādas ķēdes reitingu ļaunprātīgas izmantošanas rezultātā operētājsistēmas pastiprinātāja izejas spriegums “atpūšas” pret barošanas spriegumu (operētājsistēmas pastiprinātāja izeja nonāk piesātinājumā). Strāvas vienlīdzības līdzsvars caur dalītāju RoocRin ( esievade = esoos) tiek pārkāpts, invertējošā ieejā parādās potenciāls, kas atšķiras no potenciāla neinvertējošajā ieejā. 2. noteikums vairs nav spēkā.
Ievade pretestība invertējošais pastiprinātājs ir vienāds ar pretestību Rin, jo visa strāva no ieejas signāla avota (GB) plūst caur to.
Tagad aizstāsim nemainīgo Rooc ar mainīgo, ar nominālvērtību, teiksim, 10 kOhm (6. att.).
Rīsi. 6 Mainīga pastiprinājuma invertējošā pastiprinātāja ķēde
Ar tā slīdņa labo (saskaņā ar diagrammu) pozīciju pastiprinājums būs Rooc / Rin = 10 kOhm / 1 kOhm = 10. Pārvietojot Roos slīdni pa kreisi (samazinot tā pretestību), ķēdes pastiprinājums būs samazināsies un, visbeidzot, pašā kreisajā pozīcijā tas kļūs vienāds ar nulli, jo skaitītājs iepriekš minētajā formulā kļūs nulle, kad jebkura saucēja vērtība. Izvade būs arī nulle jebkurai ieejas signāla vērtībai un polaritātei. Šo shēmu bieži izmanto audio pastiprināšanas shēmās, piemēram, mikseros, kur pastiprinājums ir jāregulē no nulles.
B) Neapgriežot ieslēgšana (7. att.).
Rīsi. 7 Op-amp darbības princips neinvertējošā savienojumā
Kreisā Rin tapa ir savienota ar vidējo punktu (“zeme”), un +1 V ieejas signāls tiek pievadīts tieši neinvertējošajai ieejai. Tā kā iepriekš ir “košļātas” analīzes nianses, šeit mēs pievērsīsim uzmanību tikai būtiskām atšķirībām.
Pirmajā analīzes posmā mēs ņemsim arī pretestības Rooc un Rin, kas ir vienādas viena ar otru un komponentes 1 kOhm. Jo pie neinvertējošās ieejas potenciāls ir +1 V, tad saskaņā ar 2. noteikumu tādam pašam potenciālam (+1 V) jābūt pie invertējošās ieejas (parādīts attēlā). Lai to izdarītu, rezistora Rooc labajā spailē (operācijas pastiprinātāja izeja) ir jābūt spriegumam +2 V esievade Un esoos, vienāds ar 1 mA, tagad plūst caur rezistoriem Rooc un Rin pretējā virzienā (parādīts ar bultiņām). Mēs to izdarījām neapgriežot pastiprinātājs ar pastiprinājumu 2, jo +1 V ieejas signāls rada +2 V izejas signālu.
Dīvaini, vai ne? Vērtības ir tādas pašas kā invertējošā savienojumā (vienīgā atšķirība ir tā, ka signāls tiek pielietots citai ieejai), un pastiprinājums ir acīmredzams. Mēs to izskatīsim nedaudz vēlāk.
Tagad mēs palielinām Rooc reitingu līdz 2 kOhm. Lai saglabātu strāvu līdzsvaru esievade = esoos un invertējošās ieejas potenciāls ir +1 V, op-amp izejai jau jābūt +3 V. Ku = 3 V / 1 V = 3!
Ja salīdzinām Ku vērtības neinvertējošam savienojumam ar invertējošu savienojumu ar vienādiem vērtējumiem Rooc un Rin, izrādās, ka ieguvums visos gadījumos ir par vienu lielāku. Mēs iegūstam formulu:
Ku = Uout / Uin + 1 = (Roos / Rin) + 1 (3)
Kāpēc tas notiek? Jā, ļoti vienkārši! OOS darbojas tieši tāpat kā ar invertējošu savienojumu, taču saskaņā ar 2. noteikumu neinvertējošās ieejas potenciāls vienmēr tiek pievienots invertējošās ieejas potenciālam neinvertējošā savienojumā.
Tātad, izmantojot neinvertējošu savienojumu, jūs nevarat iegūt pieaugumu 1? Kāpēc gan nevar – tas ir iespējams. Samazināsim Rooc vērtējumu, līdzīgi tam, kā mēs analizējām att. 6. Kad tā vērtība ir nulle - īssavienojot izeju ar invertējošo ieeju (8. att., A), saskaņā ar 2. noteikumu izejai būs tāds spriegums, ka invertējošās ieejas potenciāls ir vienāds ar invertējošās ieejas potenciālu. neinvertējošā ieeja, t.i., +1 V. Iegūstam: Ku = 1 V / 1 V = 1 (!) Nu, tā kā invertējošā ieeja nepatērē strāvu un starp to un izeju nav potenciālu starpības, tad šajā ķēdē strāva neplūst.
Rīsi. 8 Shēma operētājsistēmas pastiprinātāja kā sprieguma sekotāja pievienošanai
Rins kļūst pilnīgi lieks, jo tas ir savienots paralēli slodzei, kurai jādarbojas op-amp izejai, un tā izejas strāva plūdīs caur to pilnīgi veltīgi. Kas notiek, ja atstājat Rooku, bet noņemat Rinu (8. att., B)? Tad pastiprinājuma formulā Ku = Rooc / Rin + 1 pretestība Rin teorētiski kļūst tuvu bezgalībai (patiesībā, protams, nē, jo uz tāfeles ir noplūdes, un operētājsistēmas pastiprinātāja ieejas strāva, kaut arī niecīga , joprojām ir nulle, nav vienāds), un attiecība Rooc / Rin ir vienāda ar nulli. Formulā paliek tikai viens: Ku = + 1. Pastiprinājums mazāk par vienu vai es varu to iegūt šai shēmai? Nē, mazāk nekādos apstākļos nederēs. Jūs nevarat apiet "papildu" vienību pastiprinājuma formulā uz greizas kazas...
Kad esam noņēmuši visus “papildus” rezistorus, mēs iegūstam ķēdi neapgriežot atkārtotājs , parādīts attēlā. 8, V.
No pirmā acu uzmetiena šādai shēmai nav praktiskas nozīmes: kāpēc mums ir vajadzīgs viens un pat neapgriezts “pastiprinājums” - ko, jūs nevarat vienkārši nosūtīt signālu tālāk??? Tomēr šādas shēmas tiek izmantotas diezgan bieži, un lūk, kāpēc. Saskaņā ar 1. noteikumu strāva neplūst operētājsistēmas pastiprinātāja ieejās, t.i., ieejas pretestība Neinvertējošais sekotājs ir ļoti liels - tie paši desmiti, simti un pat tūkstoši MOhmu (tas pats attiecas uz ķēdi 7. attēlā)! Bet izejas pretestība ir ļoti zema (Oma daļas!). Operētājsistēmas pastiprinātāja izeja “pūš no visa spēka”, cenšoties saskaņā ar 2. noteikumu saglabāt tādu pašu potenciālu pie invertējošās ieejas kā pie neinvertējošās ieejas. Vienīgais ierobežojums ir operētājsistēmas pastiprinātāja pieļaujamā izejas strāva.
Bet no šī brīža mēs nedaudz novirzīsimies uz sāniem un sīkāk apsvērsim op-amp izejas strāvu jautājumu.
Visplašāk izmantotajiem darbības pastiprinātājiem tehniskie parametri norāda, ka to izejai pievienotajai slodzes pretestībai nevajadzētu būt mazāk 2 kOhm. Vairāk - cik vēlaties. Daudz mazākam skaitlim tas ir 1 kOhm (K140UD...). Tas nozīmē, ka sliktākajos apstākļos: maksimālais barošanas spriegums (piemēram, ±16 V vai kopā 32 V), slodze, kas savienota starp izeju un vienu no jaudas sliedēm, un maksimālais izejas spriegums ar pretēju polaritāti, slodzei tiks piemērots aptuveni 30 V spriegums. Šajā gadījumā strāva caur to būs: 30 V / 2000 omi = 0,015 A (15 mA). Ne pārāk maz, bet arī ne pārāk daudz. Par laimi, lielākajai daļai darbības pastiprinātāju ir iebūvēta izejas strāvas aizsardzība - tipiskā maksimālā izejas strāva ir 25 mA. Aizsardzība novērš operētājsistēmas pastiprinātāja pārkaršanu un atteici.
Ja barošanas spriegumi nav maksimāli pieļaujamie, tad minimālo slodzes pretestību var proporcionāli samazināt. Teiksim, pie barošanas avota 7,5...8 V (kopā 15...16 V), tas var būt 1 kOhm.
IN) Diferenciāls ieslēgšana (9. att.).
Rīsi. 9 Op-amp darbības princips diferenciālā savienojumā
Tātad, pieņemsim, ka ar vienādām vērtībām Rin un Rooc, kas vienādas ar 1 kOhm, abām ķēdes ieejām tiek pielikts vienāds spriegums, kas vienāds ar +1 V (9. att., A). Tā kā potenciāli abās rezistora Rin pusēs ir vienādi (spriegums pāri rezistoram ir 0), tad caur to neplūst strāva. Tas nozīmē, ka strāva caur rezistoru Rooc arī ir nulle. Tas ir, šie divi rezistori nepilda nekādas funkcijas. Būtībā mums faktiski ir neapgriežošs sekotājs (sal. ar 8. att.). Attiecīgi izejā iegūsim tādu pašu spriegumu kā pie neinvertējošās ieejas, t.i., +1 V. Mainīsim ieejas signāla polaritāti pie ķēdes invertējošās ieejas (apgriezīsim GB1 otrādi) un pieliksim mīnus 1 V. (9. att., B). Tagad starp Rin tapām tiek pielikts 2 V spriegums, un caur to plūst strāva esievade= 2 mA (es ceru, ka vairs nav nepieciešams detalizēti aprakstīt, kāpēc tas tā ir?). Lai šo strāvu kompensētu, caur Rooku jāplūst arī 2 mA strāvai. Un šim nolūkam operētājsistēmas pastiprinātāja izvadei jābūt +3 V spriegumam.
Šeit parādījās papildu vienības ļaunprātīgais “smīns” neinvertējošā pastiprinātāja pastiprinājuma formulā. Izrādās, ka ar šo vienkāršots Diferenciālajā komutācijā pastiprinājuma atšķirība pastāvīgi novirza izejas signālu par potenciāla daudzumu neinvertējošā ieejā. Problēma ar! Tomēr "pat ja jūs esat apēsts, jums joprojām ir vismaz divas iespējas." Tas nozīmē, ka mums kaut kādā veidā ir jāsalīdzina invertējošo un neapgriežamo ieslēgumu ieguvumi, lai “neitralizētu” šo papildu.
Lai to izdarītu, mēs pieliksim ieejas signālu neinvertējošajai ieejai nevis tieši, bet caur dalītāju Rin2, R1 (9. att., B). Pieņemsim arī to vērtības 1 kOhm. Tagad pie op-amp neinvertējošās (tātad arī invertējošās) ieejas būs +0,5 V potenciāls, caur to plūdīs strāva (un Rooc) esievade = esoos= 0,5 mA, lai nodrošinātu, ka operētājsistēmas pastiprinātāja izejai ir jābūt 0 V spriegumam. Sasniedzām to, ko gribējām! Ja signāli abās ķēdes ieejās ir vienādi pēc lieluma un polaritātes (šajā gadījumā +1 V, bet tas pats attiecas uz mīnus 1 V un citām digitālajām vērtībām), operētājsistēmas pastiprinātāja izeja saglabās nulli. spriegums vienāds ar ieejas signālu starpību.
Pārbaudīsim šo argumentāciju, pieliekot invertējošajai ieejai negatīvas polaritātes signālu mīnus 1 V (9. att., D). Kurā esievade = esoos= 2 mA, kam izejai jābūt +2 V. Viss tika apstiprināts! Izejas signāla līmenis atbilst starpībai starp ieejām.
Protams, ja Rin1 un Rooc (attiecīgi Rin2 un R1) ir vienādi, ieguvumu mēs nesaņemsim. Lai to izdarītu, jums ir jāpalielina Rooc un R1 reitingi, kā tas tika darīts, analizējot iepriekšējo op-amp ieslēgšanas gadījumu (es neatkārtošos), un tam vajadzētu stingri tiek novērota šāda attiecība:
Rooc / Rin1 = R1 / Rin2. (4)
Kādus praktiskus ieguvumus mēs gūstam no šādas iekļaušanas? Un mēs iegūstam ievērojamu īpašību: izejas spriegums nav atkarīgs no ieejas signālu absolūtajām vērtībām, ja tie ir vienādi viens ar otru pēc lieluma un polaritātes. Uz izeju tiek nosūtīts tikai atšķirības (diferenciālais) signāls. Tas ļauj pastiprināt ļoti mazus signālus uz traucējumu fona, kas vienādi ietekmē abas ieejas. Piemēram, signāls no dinamiskā mikrofona uz traucējumu fona no rūpnieciskā frekvences tīkla 50 Hz.
Tomēr šajā medus mucā, diemžēl, ir muša. Pirmkārt, vienlīdzība (4) ir jāievēro ļoti stingri (līdz procenta desmitdaļām un dažreiz simtdaļām!). Pretējā gadījumā radīsies ķēdē darbojošos strāvu nelīdzsvarotība, un tāpēc papildus atšķirības (“pretfāzes”) signāliem tiks pastiprināti arī kombinētie (“fāzes”) signāli.
Izpratīsim šo terminu būtību (10. att.).
Rīsi. 10 Signāla fāzes nobīde
Signāla fāze ir vērtība, kas raksturo signāla perioda atskaites punkta nobīdi attiecībā pret laika atskaites punktu. Tā kā gan laika izcelsme, gan perioda izcelsme tiek izvēlēta patvaļīgi, viena fāze periodiski Signālam nav fiziskas nozīmes. Tomēr fāzes atšķirība starp abiem periodiski signāli ir lielums, kam ir fiziska nozīme, tas atspoguļo viena signāla aizkavi attiecībā pret otru. Kas tiek uzskatīts par perioda sākumu, nav nozīmes. Perioda sākumpunktu var uzskatīt par nulles vērtību ar pozitīvu slīpumu. Tas ir iespējams - maksimāli. Viss ir mūsu spēkos.
Attēlā 9 sarkans norāda sākotnējo signālu, zaļš - nobīdīts par ¼ periodu attiecībā pret oriģinālo un zils - par ½ periodu. Ja salīdzinām sarkanās un zilās līknes ar līknēm attēlā. 2, B, tad jūs varat redzēt, ka tie ir savstarpēji saistīti apgriezti. Tādējādi “fāzes signāli” ir signāli, kas sakrīt viens ar otru katrā punktā, un “pretfāzes signāli” ir apgriezti viens otru attiecībā pret otru.
Tajā pašā laikā koncepcija inversijas plašāks par jēdzienu fāzes, jo pēdējais attiecas tikai uz regulāri atkārtotiem, periodiskiem signāliem. Un koncepcija inversijas attiecas uz jebkuriem signāliem, tostarp neperiodiskiem, piemēram, skaņas signālam, ciparu secībai vai pastāvīgam spriegumam. Uz fāze bija konsekvents lielums, signālam jābūt periodiskam vismaz noteiktā intervālā. Pretējā gadījumā gan fāze, gan periods pārvēršas matemātiskās abstrakcijās.
Otrkārt, invertējošām un neinvertējošām ieejām diferenciālā savienojumā ar vienādiem vērtējumiem Rooc = R1 un Rin1 = Rin2 būs atšķirīga ieejas pretestība. Ja invertējošās ieejas ieejas pretestību nosaka tikai reitings Rin1, tad neinvertējošo ieeju nosaka vērtējumi secīgi Rin2 un R1 ieslēgti (vai esat aizmirsis, ka op-amp ieejas nepatērē strāvu?). Iepriekš minētajā piemērā tie būs attiecīgi 1 un 2 kOhm. Un, ja mēs palielināsim Rooc un R1, lai iegūtu pilnvērtīgu pastiprinātāja pakāpi, tad atšķirība palielināsies vēl būtiskāk: ar Ku = 10 - attiecīgi līdz tam pašam 1 kOhm un pat 11 kOhm!
Diemžēl praksē viņi parasti nosaka vērtējumus Rin1 = Rin2 un Rooc = R1. Tomēr tas ir pieņemams tikai tad, ja signāla avoti abām ieejām ir ļoti zemi izejas pretestība. Pretējā gadījumā tas veido dalītāju ar noteiktā pastiprinātāja posma ieejas pretestību, un, tā kā šādu “dalītāju” dalījuma koeficients būs atšķirīgs, rezultāts ir acīmredzams: diferenciālais pastiprinātājs ar šādām rezistoru vērtībām nepildīs savu funkciju. nomācot kopējā režīma (kombinētos) signālus vai slikti pildīs šo funkciju.
Viens no veidiem, kā atrisināt šo problēmu, var būt rezistoru vērtību nevienlīdzība, kas savienota ar op-amp invertējošām un neinvertējošām ieejām. Proti, lai Rin2 + R1 = Rin1. Vēl viens svarīgs punkts ir panākt precīzu vienlīdzības ievērošanu (4). Parasti to panāk, sadalot R1 divos rezistoros - konstantā, parasti 90% no vēlamās vērtības, un mainīgajā (R2), kura pretestība ir 20% no vēlamās vērtības (11. att., A) .
Rīsi. 11 Diferenciālā pastiprinātāja balansēšanas iespējas
Ceļš ir vispārpieņemts, bet atkal ar šo balansēšanas metodi, kaut arī nedaudz, mainās neinvertējošās ieejas ieejas pretestība. Opcija ar regulēšanas rezistora (R5) iekļaušanu virknē ar Rooc (11. att., B) ir daudz stabilāka, jo Rooc nepiedalās invertējošās ieejas ieejas pretestības veidošanā. Galvenais ir saglabāt to nominālu attiecību, līdzīgi kā variantā “A” (Rooc / Rin1 = R1 / Rin2).
Tā kā mēs sākām runāt par diferenciālo komutāciju un pieminējām atkārtotājus, es gribētu aprakstīt vienu interesantu shēmu (12. att.).
Rīsi. 12 Pārslēdzama invertējoša/neinvertējoša sekotāja ķēde
Ieejas signāls tiek pielietots vienlaikus abām ķēdes ieejām (invertējošām un neinvertējošām). Visu rezistoru (Rin1, Rin2 un Rooc) vērtības ir vienādas (šajā gadījumā ņemsim to reālās vērtības: 10...100 kOhm). Operētājsistēmas pastiprinātāja neinvertējošo ieeju var savienot ar kopējo kopni, izmantojot SA slēdzi.
Atslēgas aizvērtā stāvoklī (12. att., A) rezistors Rin2 nepiedalās ķēdes darbībā (strāva tikai "bezjēdzīgi" plūst caur to esvx2 no signāla avota uz kopējo kopni). Mēs saņemam invertējošais atkārtotājs ar pastiprinājumu, kas vienāds ar mīnus 1 (sk. 6. att.). Bet ar atvērtu atslēgu SA (12. att., B) mēs iegūstam neinvertējošs atkārtotājs ar pieaugumu, kas vienāds ar +1.
Šīs ķēdes darbības principu var izteikt nedaudz savādāk. Kad slēdzis SA ir aizvērts, tas darbojas kā invertējošais pastiprinātājs ar pastiprinājumu, kas vienāds ar mīnus 1, un, kad tas ir atvērts - vienlaikus(!) gan kā invertējošais pastiprinātājs ar pastiprinājumu mīnus 1, gan kā neinvertējošs pastiprinātājs ar pastiprinājumu +2, no kurienes: Ku = +2 + (–1) = +1.
Šajā formā šo shēmu var izmantot, ja, piemēram, projektēšanas stadijā ieejas signāla polaritāte nav zināma (teiksim, no sensora, kuram pirms ierīces iestatīšanas nav piekļuves). Ja kā atslēgu izmantojat tranzistoru (piemēram, lauka efekta tranzistoru), ko kontrolē no ieejas signāla, izmantojot salīdzinātājs(mēs to apspriedīsim tālāk), mēs saņemam sinhronais detektors(sinhronais taisngriezis). Šādas shēmas īpašā ieviešana, protams, pārsniedz sākotnējās iepazīšanās ar op-amp darbību jomu, un mēs to atkal šeit sīkāk neapskatīsim.
Tagad apskatīsim ieejas signālu summēšanas principu (13. att., A), un tajā pašā laikā izdomāsim, kādām rezistoru Rin un Rooc vērtībām vajadzētu būt patiesībā.
Rīsi. 13 Invertējošā summatora darbības princips
Par pamatu ņemam jau iepriekš apskatīto invertējošo pastiprinātāju (5. att.), tikai pie op-amp ieejas pievienojam nevis vienu, bet divus ieejas rezistorus Rin1 un Rin2. Pagaidām "apmācības" nolūkos mēs pieņemam visu rezistoru, ieskaitot Rooc, pretestību kā 1 kOhm. Mēs pielietojam ieejas signālus, kas vienādi ar +1 V uz kreisajiem spailēm Rin1 un Rin2. Caur šiem rezistoriem plūst strāvas, kas vienādas ar 1 mA (parādītas ar bultiņām, kas vērstas no kreisās puses uz labo). Lai saglabātu tādu pašu potenciālu pie invertējošās ieejas kā pie neinvertējošās ieejas (0 V), caur rezistoru Rooc jāplūst strāvai, kas ir vienāda ar ieejas strāvu summu (1 mA + 1 mA = 2 mA), kas parādīta bultiņa, kas vērsta pretējā virzienā (no labās uz kreiso), kurai operētājsistēmas pastiprinātāja izejas spriegumam jābūt mīnus 2 V.
Tādu pašu rezultātu (izejas spriegums mīnus 2 V) var iegūt, ja invertējošā pastiprinātāja ieejā tiek pielikts spriegums +2 V (5. att.), vai Rin reitings tiek samazināts uz pusi, t.i. līdz 500 omiem. Palielināsim rezistoram Rin2 pievadīto spriegumu līdz +2 V (13. att., B). Izejā mēs iegūstam spriegumu mīnus 3 V, kas ir vienāds ar ieejas spriegumu summu.
Var būt ne divas ievades, bet tik daudz, cik vēlaties. Šīs ķēdes darbības princips no tā nemainīsies: izejas spriegums jebkurā gadījumā būs tieši proporcionāls strāvu algebriskajai summai (ņemot vērā zīmi!), kas iet caur rezistoriem, kas savienoti ar op invertējošo ieeju. -amp (apgriezti proporcionāls to reitingiem), neatkarīgi no to skaita.
Ja tomēr uz invertējošā summatora ieejām tiek pievadīti signāli, kas vienādi ar +1 V un mīnus 1 V (13. att., B), tad caur tām plūstošās strāvas būs dažādos virzienos, tās tiks savstarpēji kompensētas un izeja būs 0 V. Caur rezistoru Rooc šajā gadījumā strāva neplūst. Citiem vārdiem sakot, strāva, kas plūst caur Rooku, tiek algebriski summēta ar ievade straumes.
No tā izriet arī svarīgs aspekts: kamēr mēs darbojāmies ar maziem ieejas spriegumiem (1...3 V), plaši izmantotā op-amp izeja varēja nodrošināt tādu strāvu (1...3 mA) Rookam. un vēl kaut kas palika pāri slodzei, kas savienota ar op-amp izeju. Bet, ja ieejas signāla spriegumi tiek palielināti līdz maksimāli pieļaujamam (tuvu barošanas spriegumam), tad izrādās, ka visa izejas strāva nonāks Rooc. Kravai nekas nepaliks. Un kam ir vajadzīga pastiprinātāja stadija, kas darbojas "pašam"? Turklāt ieejas rezistoru vērtībām, kas vienādas tikai ar 1 kOhm (attiecīgi, nosakot invertējošā pastiprinātāja posma ieejas pretestību), ir nepieciešamas pārmērīgi lielas strāvas, kas plūst caur tām, stipri noslogojot signāla avotu. Tāpēc reālās shēmās pretestība Rin ir izvēlēta ne mazāka par 10 kOhm, bet vēlams ne lielāka par 100 kOhm, lai Rooc nenoteiktu vērtību, kas ir pārāk augsta konkrētajam pastiprinājumam. Lai gan šīs vērtības nav absolūtas, bet tikai aptuvenas, kā saka, "kā pirmais tuvinājums" - viss ir atkarīgs no konkrētās shēmas. Jebkurā gadījumā nav vēlams, lai caur Rooc plūst strāva, kas pārsniedz 5...10% no šī konkrētā op-amp maksimālās izejas strāvas.
Summēšanas signālus var piegādāt arī neinvertējošai ieejai. Izrādās neinvertējošs summators. Principā šāda ķēde darbosies tieši tāpat kā invertējošais summators, kura izeja būs signāls, kas ir tieši proporcionāls ieejas spriegumiem un apgriezti proporcionāls ieejas rezistoru vērtībām. Tomēr praksē to lieto daudz retāk, jo satur "grābekļus", kas jāņem vērā.
Tā kā 2. noteikums attiecas tikai uz invertējošo ieeju, kas ir pakļauta “virtuālajam nulles potenciālam”, tad neinvertējošajai ieejai būs potenciāls, kas vienāds ar ieejas spriegumu algebrisko summu. Tāpēc ieejas spriegums, kas atrodas vienā no ieejām, ietekmēs spriegumu, kas tiek piegādāts citām ieejām. Neinvertējošā ieejā nav “virtuālā potenciāla”! Tā rezultātā ir nepieciešams izmantot papildu shēmas projektēšanas trikus.
Līdz šim mēs esam apsvēruši shēmas, kuru pamatā ir darbības pastiprinātāji ar OOS. Kas notiek, ja atsauksmes tiek noņemtas pavisam? Šajā gadījumā mēs saņemam salīdzinātājs(14. att.), t.i., ierīce, kas savās ieejās salīdzina divu potenciālu absolūto vērtību (no angļu valodas vārda salīdzināt- salīdzināt). Tā izeja būs spriegums, kas tuvojas vienam no barošanas spriegumiem, atkarībā no tā, kurš signāls ir lielāks par otru. Parasti ieejas signāls tiek pievadīts vienai no ieejām, bet otrs ir nemainīgs spriegums, ar kuru to salīdzina (tā sauktais “atsauces spriegums”). Tas var būt jebkas, tostarp vienāds ar nulles potenciālu (14. att., B).
Rīsi. 14 Shēmas shēma operētājsistēmas pastiprinātāja pievienošanai kā salīdzinājumam
Tomēr ne viss ir tik labi “Dānijas karalistē”... Kas notiek, ja spriegums starp ieejām ir nulle? Teorētiski izvadei vajadzētu būt arī nullei, bet patiesībā - nekad. Ja potenciāls vienā no ieejām kaut nedaudz atsver otras potenciālu, tad ar to jau pietiks, lai izejā rastos haotiski sprieguma pārspriegumi nejaušu traucējumu dēļ, kas rodas salīdzinājuma ieejās.
Patiesībā jebkurš signāls ir “trokšņains”, jo ideāls nevar būt pēc definīcijas. Un apgabalā, kas atrodas tuvu ieeju vienāda potenciāla punktam, viena skaidra pārslēgšanās vietā komparatora izejā parādīsies izejas signālu kaudze. Lai cīnītos pret šo parādību, bieži tiek ieviesta salīdzinājuma ķēde histerēze izveidojot vāju pozitīvu PIC no izejas uz neinvertējošu ieeju (15. att.).
Rīsi. 15 Histerēzes darbības princips komparatorā PIC dēļ
Analizēsim šīs shēmas darbību. Tās barošanas spriegums ir ±10 V (labam mērījumam). Pretestība Rin ir 1 kOhm, un Rpos ir 10 kOhm. Viduspunkta potenciāls tiek izvēlēts kā atsauces spriegums, kas tiek piegādāts invertējošajai ieejai. Sarkanā līkne parāda ieejas signālu, kas nonāk kreisajā tapā Rin (ieeja shēma salīdzinājums), zils - potenciāls op-amp neinvertējošā ieejā un zaļš - izejas signāls.
Kamēr ieejas signālam ir negatīva polaritāte, izvadei ir negatīvs spriegums, kas caur Rpos tiek summēts ar ieejas spriegumu apgriezti proporcionāli atbilstošo rezistoru vērtībām. Rezultātā neinvertējošās ieejas potenciāls visā negatīvo vērtību diapazonā ir par 1 V (absolūtā vērtībā) augstāks nekā ieejas signāla līmenis. Tiklīdz neinvertējošās ieejas potenciāls ir vienāds ar invertējošās ieejas potenciālu (ieejas signālam tas būs + 1 V), spriegums operētājsistēmas pastiprinātāja izejā sāks pārslēgties no negatīvas polaritātes. uz pozitīvu. Sāksies kopējais potenciāls pie neinvertējošās ieejas lavīnai līdzīgs kļūt vēl pozitīvāki, atbalstot šādas maiņas procesu. Rezultātā komparators vienkārši “nepamanīs” nelielas trokšņu svārstības ieejas un atsauces signālos, jo to amplitūda būs par daudzām kārtām mazāka nekā aprakstītais potenciāla “solis” neinvertējošā ieejā pārslēgšanas laikā.
Kad ieejas signāls samazinās, salīdzinājuma izejas signāla reversā pārslēgšana notiks pie ieejas sprieguma mīnus 1 V. Šī starpība starp ieejas signāla līmeņiem, kas noved pie salīdzinājuma izejas pārslēgšanas, mūsu gadījumā ir vienāda ar kopējo spriegumu 2 V, tiek saukts histerēze. Jo lielāka ir pretestība Rpos attiecībā pret Rin (jo mazāks ir POS dziļums), jo zemāka ir pārslēgšanas histerēze. Tātad pie Rpos = 100 kOhm tas būs tikai 0,2 V, un pie Rpos = 1 Mohm - 0,02 V (20 mV). Histerēze (PIC dziļums) tiek izvēlēta, pamatojoties uz salīdzinājuma faktiskajiem darbības apstākļiem noteiktā ķēdē. Dažos gadījumos būs daudz 10 mV, un dažos gadījumos nepietiek ar 2 V.
Diemžēl ne katru op-amp un ne visos gadījumos var izmantot kā salīdzinājumu. Tiek ražotas specializētas komparatora mikroshēmas analogo un digitālo signālu saskaņošanai. Daži no tiem ir specializēti pieslēgšanai digitālajām TTL mikroshēmām (597CA2), daži - digitālajām ESL mikroshēmām (597CA1), bet lielākā daļa ir t.s. “Salīdzinājumi plašam pielietojumam” (LM393/LM339/K554CA3/K597CA3). To galvenā atšķirība no op-ampēriem ir īpašais izejas posma dizains, kas izgatavots uz atvērta kolektora tranzistora (16. att.).
Rīsi. 16 Plaši izmantoto komparatoru izejas stadija
un tā savienojums ar slodzes rezistoru
Tas prasa obligātu ārējo izmantošanu slodzes rezistors(R1), bez kura izejas signāls vienkārši fiziski nespēj veidot augstu (pozitīvu) izejas līmeni. Spriegums +U2, kuram ir pievienots slodzes rezistors, var atšķirties no pašas salīdzinājuma mikroshēmas barošanas sprieguma +U1. Tas ļauj ar vienkāršiem līdzekļiem nodrošināt izejas signālu vēlamajā līmenī - vai tas būtu TTL vai CMOS.
Piezīme Lielākajā daļā komparatoru, kuru piemērs var būt duālais LM393 (LM193/LM293) vai tieši tāds pats shēmas dizains, bet četrstūris LM339 (LM139/LM239), izejas stadijas tranzistora emitētājs ir savienots ar negatīvās jaudas spaili, kas nedaudz ierobežo to piemērošanas jomu. Šajā sakarā vēlos pievērst uzmanību salīdzinājumam LM31 (LM111/LM211), kura analogs ir iekšzemes 521/554CA3, kurā ir atsevišķi savienots gan izejas tranzistora kolektors, gan emitētājs, ko var pieslēgt. uz spriegumiem, kas nav paša salīdzinājuma barošanas spriegums. Tās vienīgais un relatīvais trūkums ir tas, ka 8 kontaktu (dažreiz 14 kontaktu) iepakojumā ir tikai viens. |
Līdz šim mēs esam apsvēruši shēmas, kurās ievades signāls tika piegādāts ieejai(-ām) caur Rin, t.i. viņi visi bija pārveidotāji ievade spriegums iekšā brīvdiena spriegums tas pats. Šajā gadījumā ieejas strāva plūda caur Rin. Kas notiek, ja tā pretestību pieņem vienādu ar nulli? Ķēde darbosies tieši tāpat kā iepriekš apspriestais invertējošais pastiprinātājs, tikai signāla avota izejas pretestība (Rout) kalpos kā Rin, un mēs iegūsim pārveidotājs ievade strāva V brīvdiena spriegums(17. att.).
Rīsi. 17 Strāvas-sprieguma pārveidotāja ķēde operācijas pastiprinātājā
Tā kā potenciāls pie invertējošās ieejas ir tāds pats kā neinvertējošajā ieejā (šajā gadījumā vienāds ar “virtuālo nulli”), visa ieejas strāva ( esievade) plūdīs caur Rooc starp signāla avota izeju (G) un operētājsistēmas pastiprinātāja izeju. Šādas ķēdes ieejas pretestība ir tuvu nullei, kas ļauj uz tās bāzes uzbūvēt mikro/milimetrus, kas praktiski neietekmē strāvu, kas plūst caur mērīto ķēdi. Varbūt vienīgais ierobežojums ir pieļaujamais op-amp ieejas spriegumu diapazons, ko nedrīkst pārsniegt. Ar tā palīdzību var izveidot arī, piemēram, lineāro fotodiodes strāvas-sprieguma pārveidotāju un daudzas citas shēmas.
Mēs pārbaudījām operētājsistēmas pastiprinātāja darbības pamatprincipus dažādās shēmās tā iekļaušanai. Paliek viens svarīgs jautājums: viņu uzturs.
Kā minēts iepriekš, operācijas pastiprinātājam parasti ir tikai 5 kontakti: divas ieejas, izeja un divas barošanas tapas, pozitīvas un negatīvas. Vispārīgā gadījumā tiek izmantota bipolārā jauda, tas ir, strāvas avotam ir trīs spailes ar potenciālu: +U; 0; – U.
Vēlreiz rūpīgi apsveriet visus iepriekš minētos skaitļus un redziet, ka darbības pastiprinātājā ir atsevišķa viduspunkta izvade NĒ ! Tas vienkārši nav vajadzīgs to iekšējo shēmu darbībai. Dažās shēmās viduspunktam tika pievienota neinvertējoša ieeja, tomēr tas nav noteikums.
Tāpēc milzīgs vairums mūsdienu operācijas pastiprinātāji ir paredzēti barošanai UNIPOLĀRA spriedze! Rodas loģisks jautājums: “Kāpēc tad mums ir vajadzīgs bipolārs uzturs”, ja mēs tik spītīgi un ar apskaužamu konsekvenci to attēlojām zīmējumos?
Izrādās, tas ir vienkārši ļoti ērti praktiskiem nolūkiem saskaņā ar šādus iemeslus:
A) Lai nodrošinātu pietiekamu strāvas un izejas sprieguma svārstības caur slodzi (18. att.).
Rīsi. 18 Izejas strāvas plūsma caur slodzi dažādām op-amp jaudas opcijām
Pagaidām mēs neņemsim vērā attēlā parādīto ķēžu ievades (un OOS) shēmas (“melnā kaste”). Uzskatīsim par pašsaprotamu, ka ieejai tiek piegādāts kaut kāds ieejas sinusoidāls signāls (grafikos melns sinusoidāls), un izeja rada tādu pašu sinusoidālu signālu, kas tiek pastiprināts attiecībā pret ieejas krāsaino sinusoīdu grafikos.
Pievienojot slodzi Rload. starp operētājsistēmas pastiprinātāja izeju un barošanas avotu (GB1 un GB2) savienojuma vidējo punktu - att. 18, A, strāva caur slodzi plūst simetriski attiecībā pret viduspunktu (attiecīgi sarkanie un zilie pusviļņi), un tās amplitūda ir maksimālā un sprieguma amplitūda pie Rslodzes. ir arī maksimāli iespējamais - tas var sasniegt gandrīz barošanas spriegumus. Strāva no atbilstošās polaritātes barošanas avota tiek aizvērta caur op-amp, Rload. un barošanas avots (sarkanas un zilas līnijas, kas parāda strāvas plūsmu attiecīgajā virzienā).
Tā kā op-amp barošanas bloku iekšējā pretestība ir ļoti zema, strāvu, kas iet caur slodzi, ierobežo tikai tās pretestība un operētājsistēmas pastiprinātāja maksimālā izejas strāva, kas parasti ir 25 mA.
Pieslēdzot op-amp ar unipolāru spriegumu kā kopīgs autobuss Parasti tiek izvēlēts strāvas avota negatīvais (mīnus) pols, kuram ir pievienots otrais slodzes spaile (18. att., B). Tagad strāva caur slodzi var plūst tikai vienā virzienā (to parāda sarkanā līnija), otrajam virzienam vienkārši nav no kurienes nākt. Citiem vārdiem sakot, strāva caur slodzi kļūst asimetriska (pulsējoša).
Nevar viennozīmīgi teikt, ka šī iespēja ir slikta. Ja slodze ir, teiksim, dinamiska galva, tad tas noteikti ir par sliktu. Tomēr ir daudz lietojumprogrammu, kur slodzes pievienošana starp operētājsistēmas pastiprinātāja izeju un vienu no barošanas sliedēm (parasti negatīva polaritāte) ir ne tikai pieņemama, bet arī vienīgā iespējamā.
Ja joprojām ir jānodrošina strāvas plūsmas simetrija caur slodzi ar unipolāru barošanu, tad tas ir galvaniski jāizolē no operētājsistēmas pastiprinātāja izejas, izmantojot kondensatoru C1 (18. att., B).
B) Nodrošināt nepieciešamo strāvu invertējošajai ieejai, kā arī stiprinājumi ievades signālus dažiem patvaļīgi atlasīts līmenis, pieņemts atsaucei (nullei) - op-amp darbības režīma iestatīšana līdzstrāvai (19. att.).
Rīsi. 19 Ieejas signāla avota pievienošana dažādām op-amp barošanas iespējām
Tagad mēs apsvērsim iespējas pievienot ieejas signāla avotus, izslēdzot slodzes savienojumu.
Analizējot iepriekš uzrādītās shēmas, tika apsvērta invertējošās un neinvertējošās ieejas pieslēgšana barošanas bloku pieslēguma viduspunktam (19. att., A). Ja neinvertējošā ieeja nepatērē strāvu un vienkārši pieņem viduspunkta potenciālu, tad strāva plūst caur signāla avotu (G) un virknē savienotu Rin, noslēdzoties caur atbilstošo barošanas avotu! Un tā kā to iekšējās pretestības ir niecīgas salīdzinājumā ar ieejas strāvu (par daudzām kārtām mazākas nekā Rin), tas praktiski neietekmē barošanas spriegumu.
Tādējādi, izmantojot op-amp unipolāru barošanas avotu, jūs varat diezgan viegli izveidot potenciālu, kas tiek piegādāts tā neinvertējošajai ieejai, izmantojot dalītāju R1R2 (19. att., B, C). Šī dalītāja tipiskās rezistoru vērtības ir 10...100 kOhm, un ļoti vēlams apakšējo (savienotu ar kopējo negatīvo kopni) šuntēt ar 10...22 µF kondensatoru, lai būtiski samazinātu ietekmi. barošanas sprieguma pulsāciju uz potenciālu tādu mākslīgs viduspunkts.
Bet ir ārkārtīgi nevēlami savienot signāla avotu (G) ar šo mākslīgo viduspunktu vienas un tās pašas ieejas strāvas dēļ. Izdomāsim. Pat ar dalītāju R1R2 = 10 kOhm un Rin = 10...100 kOhm, ieejas strāva esievade labākajā gadījumā būs 1/10, bet sliktākajā gadījumā - līdz 100% no strāvas, kas iet caur dalītāju. Līdz ar to potenciāls pie neinvertējošās ieejas “peldēs” par tādu pašu daudzumu kombinācijā (fāzē) ar ieejas signālu.
Lai novērstu ieeju savstarpējo ietekmi uz otru, kad ar šo savienojumu tiek pastiprināti līdzstrāvas signāli, signāla avotam jāorganizē atsevišķs mākslīgais viduspunkta potenciāls, ko veido rezistori R3R4 (19. att., B), vai, ja maiņstrāva signāls tiek pastiprināts, signāla avots ir galvaniski izolēts no invertējošās ieejas ar kondensatoru C2 (19. att., B).
Jāņem vērā, ka iepriekš minētajās shēmās (18., 19. att.) esam izdarījuši noklusējuma pieņēmumu, ka izejas signālam jābūt simetriskam vai nu barošanas bloku viduspunktam, vai mākslīgam viduspunktam. Patiesībā tas ne vienmēr ir nepieciešams. Diezgan bieži vēlaties, lai izejas signālam pārsvarā būtu pozitīva vai negatīva polaritāte. Tāpēc nav nepieciešams, lai barošanas avota pozitīvā un negatīvā polaritāte absolūtā vērtībā būtu vienāda. Viens no tiem var būt ievērojami mazāks absolūtā vērtībā nekā otrs - tikai tāds, lai nodrošinātu operētājsistēmas normālu darbību.
Rodas dabisks jautājums: "Kurš tieši?" Lai uz to atbildētu, īsi apsveriet op-amp ieejas un izejas signālu pieļaujamos sprieguma diapazonus.
Jebkuram darbības pastiprinātājam izejas potenciāls nevar būt lielāks par pozitīvās jaudas kopnes potenciālu un zemāks par negatīvās jaudas kopnes potenciālu. Citiem vārdiem sakot, izejas spriegums nevar pārsniegt barošanas spriegumu. Piemēram, OPA277 darbības pastiprinātājam izejas spriegums pie slodzes pretestības 10 kOhm ir par 2 V mazāks nekā pozitīvā barošanas sliedes spriegums un par 0,5 V mazāks nekā negatīvais barošanas sliedes spriegums. Šo “mirušo zonu” platums izejas spriegums, kuru darbības pastiprinātāja izeja nevar sasniegt, ir atkarīgs no sērijas faktoriem, piemēram, izejas stadijas ķēdes konstrukcijas, slodzes pretestības utt.). Ir darbības pastiprinātāji, kuriem ir minimālas mirušās zonas, piemēram, 50 mV pirms barošanas sliedes sprieguma pie 10 kOhm slodzes (OPA340), šo darbības pastiprinātāja funkciju sauc par “sliežu ceļu” (R2R).
No otras puses, operāciju pastiprinātājiem ar plašu pielietojumu arī ieejas signāli nedrīkst pārsniegt barošanas spriegumu, un dažiem jābūt par 1,5...2 V mazākiem (piemēram, tas pats LM358/LM324) , kas var darboties ne tikai no negatīva barošanas līmeņa, bet pat “mīnus” par 0,3 V, kas ievērojami atvieglo to lietošanu ar vienpola barošanu ar kopējo negatīvo kopni.
Beidzot apskatīsim un pieskaramies šīm "zirnekļa kļūdām". Jūs pat varat to šņaukt un laizīt. Es to pieļauju. Apskatīsim to visizplatītākās iespējas, kas pieejamas iesācējiem radioamatieriem. Turklāt, ja jums ir jāatlodē operācijas pastiprinātāji no vecās iekārtas.
Vecākiem op-amp dizainiem, kuriem frekvences korekcijai obligāti bija nepieciešamas ārējās shēmas, lai novērstu pašizrašanos, bija raksturīgas papildu tapu klātbūtne. Šī iemesla dēļ daži darbības pastiprinātāji pat “neietilpa” 8 kontaktu korpusā (20. att., A) un tika ražoti 12 kontaktu apaļajos metāla stikla avotos, piemēram, K140UD1, K140UD2, K140UD5 (att. 20, B) vai 14 kontaktu DIP pakotnes, piemēram, K140UD20, K157UD2 (20. att., B). Saīsinājums DIP ir saīsinājums vārdam Izteiciens angļu valodā“Dual In line Package” un tulko kā “korpuss ar abpusējām spraudēm”.
Apaļais metāla-stikla korpuss (20. att., A, B) tika izmantots kā galvenais importētajiem operācijas pastiprinātājiem līdz aptuveni 70. gadu vidum un vietējiem operācijas pastiprinātājiem līdz 80. gadu vidum, un tagad to izmanto ts. “militārie” pieteikumi (“5.pieņemšana”).
Dažkārt pašmāju op-amps tika ievietoti iepakojumos, kas šobrīd ir diezgan “eksotiski”: 15 kontaktu taisnstūrveida metāla-stikla komplekts hibrīdam K284UD1 (20. att., D), kurā atslēga ir papildu 15. tapa no lieta un citi. Tiesa, es personīgi neesmu redzējis planārus 14 kontaktu iepakojumus (20. att., D) op-ampu ievietošanai tajos. Tie tika izmantoti digitālajām mikroshēmām.
Rīsi. 20 Sadzīves darbības pastiprinātāju gadījumi
Mūsdienu operācijas pastiprinātāji pārsvarā satur korekcijas shēmas tieši mikroshēmā, kas ļauj iztikt ar minimālu kontaktu skaitu (piemēram, 5 kontaktu SOT23-5 vienam operācijas pastiprinātājam - 23. att.). Tas ļāva vienā iepakojumā ievietot divus līdz četrus pilnīgi neatkarīgus (izņemot parastos barošanas tapas) operācijas pastiprinātājus, kas ražoti vienā mikroshēmā.
Rīsi. 21 Modernu op-ampu divrindu plastmasas korpusi izejas montāžai (DIP)
Dažreiz jūs varat atrast op-amps, kas ievietoti vienas rindas 8 kontaktu (22. att.) vai 9 kontaktu pakotnēs (SIP) - K1005UD1. Saīsinājums SIP ir angļu valodas izteiciena “Single In line Package” saīsinājums, un tas tiek tulkots kā “vienpusēja pakete”.
Rīsi. 22 Vienrindas plastmasas korpuss ar diviem darbības pastiprinātājiem izejas montāžai (SIP-8)
Tie tika izstrādāti tā, lai līdz minimumam samazinātu uz tāfeles aizņemto vietu, taču diemžēl tie bija “novēloti”: līdz tam laikam bija plaši izplatītas virsmas montāžas paketes (SMD — Surface Mounting Device), pielodējot tieši pie dēļa pēdām (att. 23). Tomēr iesācējiem to lietošana rada ievērojamas grūtības.
Rīsi. 23 modernu importētu virsmas montāžas operāciju pastiprinātāju (SMD) korpusi
Ļoti bieži vienu un to pašu mikroshēmu ražotājs var “iepakot” dažādos iepakojumos (24. att.).
Rīsi. 24 Iespējas vienas mikroshēmas ievietošanai dažādos korpusos
Visu mikroshēmu tapas ir numurētas secīgi, skaitot no t.s. “atslēga”, kas norāda tapas numura 1 atrašanās vietu. (25. att.). IN jebkura gadījumā, ja korpuss ir novietots ar vadiem Spiediet, to numerācija ir augošā secībā pret pulksteņrādītāja virzienā!
Rīsi. 25 Operacionālā pastiprinātāja kontaktligzdas
dažādos korpusos (pinout), skats no augšas;
numerācijas virziens ir norādīts ar bultiņām
Apaļos metāla-stikla korpusos atslēgai ir sānu izvirzījuma izskats (25. att., A, B). Ar šīs atslēgas atrašanās vietu ir iespējami milzīgi “grābekļi”! Iekšzemes 8 tapu korpusos (302.8) atslēga atrodas pretī pirmajai tapai (25. att., A), bet importētajā TO-5 - pretī astotajai tapai (25. att., B). 12-pin iepakojumos, gan vietējā (302.12), gan importētajā, atslēga atrodas starp pirmais un 12. secinājums.
Parasti invertējošā ieeja gan apaļā metāla-stikla, gan DIP paketē ir savienota ar 2. tapu, neinvertējošā - 3., izeja - 6., mīnus jauda - 4. un plus jauda - 7. Tomēr ir izņēmumi (cits iespējamais "grābeklis"!) OU K140UD8, K574UD1 spraudnī. Tajos tapas numerācija ir nobīdīta par vienu pretēji pulksteņrādītāja virzienam, salīdzinot ar to, kas vispārpieņemts lielākajai daļai citu veidu, t.i. Tie ir savienoti ar spailēm, tāpat kā importētos gadījumos (25. att., B), un numerācija atbilst vietējiem (25. att., A).
Pēdējos gados lielāko daļu “sadzīves” darbības pastiprinātāju sāka ievietot plastmasas korpusos (21., 25. att., B-D). Šādos gadījumos atslēga ir vai nu padziļinājums (punkts) pretī pirmajai tapai, vai izgriezums korpusa galā starp pirmo un 8. (DIP-8) vai 14. (DIP-14) tapu, vai arī slīpums gar to. pirmo pusi tapas (21. att., vidū). Arī tapu numerācija šajos gadījumos ir pret pulksteņrādītāja virzienā skatoties no augšas (ar secinājumiem no sevis).
Kā minēts iepriekš, iekšēji koriģētajiem darbības pastiprinātājiem ir tikai pieci kontakti, no kuriem tikai trīs (divas ieejas un izeja) pieder katram atsevišķam darbības pastiprinātājam. Tas ļāva novietot divus pilnīgi neatkarīgus darbības pastiprinātājus uz viena kristāla vienā 8 kontaktu komplektā (izņemot plus un mīnus barošanas bloku, kam nepieciešami vēl divi kontakti) (25. att., D), un pat četrus. 14 tapu iepakojumā (25. att., D). Rezultātā lielākā daļa operētājsistēmu pašlaik tiek ražoti vismaz kā duālie, piemēram, TL062, TL072, TL082, lēti un vienkārši LM358 utt. Iekšējā struktūrā tieši tādi paši, bet četrkārši - attiecīgi TL064, TL074, TL084 un LM324.
Saistībā ar vietējo LM324 analogu (K1401UD2) ir vēl viens “grābeklis”: ja LM324 barošanas avota pluss ir savienots ar 4. kontaktu, bet mīnuss - ar 11., tad K1401UD2 tas ir otrādi: barošanas avota pluss ir pievienots 11. kontaktdakšai, un mīnuss - 4. kontaktdakšai. Tomēr šī atšķirība nerada grūtības ar elektroinstalāciju. Tā kā op-amp tapu kontaktdakša ir pilnīgi simetriska (25. att., D), jums vienkārši jāpagriež korpuss par 180 grādiem, lai 1. tapa ieņem 8. tapas vietu. Tas ir viss.
Daži vārdi par importēto darbības pastiprinātāju (un ne tikai operācijas pastiprinātāju) marķēšanu. Vairākām pirmo 300 digitālo apzīmējumu izstrādēm kvalitātes grupu bija ierasts apzīmēt ar digitālā koda pirmo ciparu. Piemēram, op-amps LM158/LM258/LM358, komparatori LM193/LM293/LM393, regulējami trīs spaiļu stabilizatori TL117/TL217/TL317 u.c. ir pilnīgi identiski pēc iekšējās struktūras, taču atšķiras temperatūras darbības diapazonā. LM158 (TL117) darba temperatūras diapazons ir no mīnus 55 līdz +125...150 grādiem pēc Celsija (tā sauktais “kaujas” jeb militārais diapazons), LM258 (TL217) - no mīnus 40 līdz +85 grādiem (“ rūpnieciskais” diapazons) un LM358 (TL317) - no 0 līdz +70 grādiem (“sadzīves” diapazons). Turklāt to cena var būt pilnīgi neatbilstoša šādai gradācijai vai ļoti nedaudz atšķirties ( noslēpumaini cenu noteikšanas veidi!). Tātad jūs varat iegādāties tos ar jebkuru marķējumu, kas ir pieejams iesācējam, īpaši necenšoties pēc pirmajiem “trīs”.
Pēc tam, kad bija izsmelti pirmie trīs simti digitālo marķējumu, uzticamības grupas sāka apzīmēt ar burtiem, kuru nozīme ir atšifrēta šo komponentu datu lapās (Datasheet burtiski tulko kā “datu tabula”).
Secinājums
Tāpēc mēs pētījām op-amp darbības “ABC”, aptverot nelielus salīdzinājumus. Tālāk jums jāiemācās no šiem "burtiem" ievietot vārdus, teikumus un veselas jēgpilnas "esejas" (praktiskās shēmas).
Diemžēl "nav iespējams aptvert bezgalīgumu." Ja šajā rakstā sniegtais materiāls palīdzēja saprast, kā šīs “melnās kastes” darbojas, tad tālāka iedziļināšanās to “pildījuma”, ievades, izvades un pārejošo raksturlielumu ietekmes analīzē ir progresīvāka pētījuma uzdevums. Informācija par to ir sniegta detalizēti un rūpīgi dažādās esošajā literatūrā. Kā mēdza teikt vectēvs Viljams no Okhemas: “Senitātes nedrīkst pavairot, pārsniedzot nepieciešamo.” Nav nepieciešams atkārtot to, kas jau ir labi aprakstīts. Jums vienkārši nav jābūt slinkam un jāizlasa.
11. http://www.texnic.ru/tools/lekcii/electronika/l6/lek_6.html
Tāpēc atļaujiet man paņemt atvaļinājumu, ar cieņu utt., autor Aleksejs Sokoļuks ()
Regulatoru mērķis ir iestatīt un uzturēt noteiktā līmenī (iestatītajā parametrā) noteiktu fizisko lielumu X (kontrolējamo daudzumu). Lai to izdarītu, regulatoram noteiktā veidā ir jānovērš traucējumu ietekme.
Vienkāršas vadības cilpas shematiska blokshēma ir parādīta attēlā. 26.1. Regulators ar vadības darbību ietekmē vadāmo mainīgo X, lai vadības novirze būtu pēc iespējas mazāka. Traucējumus, kas ietekmē vadības objektu, var formāli attēlot ar traucējumu lielumu, kas papildus tiek uzklāts uz iestatījuma parametru. Tālāk mēs turpināsim pieņēmumu, ka kontrolējamais lielums ir elektriskais spriegums un ka objekts tiek regulēts elektriski. Tāpēc var izmantot elektronisko regulatoru.
Vienkāršākais šāda regulatora piemērs ir pastiprinātājs, kura ieeja tiek piegādāta ar vadāmā mainīgā novirzi Ja vadāmais mainīgais X pārsniedz noteikto vērtību, starpība kļūst negatīva. Sakarā ar to Y regulējošā ietekme samazinās attiecīgi palielinātā mērogā. Šis samazinājums kompensē atšķirību. Stabilā stāvoklī, jo lielāks kontroliera pastiprinājums, jo mazāka ir atlikušā neatbilstība. Lineārajai sistēmai, kas parādīta attēlā. 26.1, attiecības ir spēkā
Rīsi. 26.1. Vadības cilpas blokshēma.
No šejienes mēs iegūstam izteiksmi kontrolētā mainīgā noteikšanai
Ir skaidrs, ka sistēmas spēja sekot iestatījuma parametra izmaiņām ir tuvāk 1, jo lielāks ir atgriezeniskās saites ķēdes pastiprinājums:
Pārejoša reakcija traucējumu laikā ir tuvāk nullei, jo lielāks ir kontroliera pastiprinājums. Tomēr jāņem vērā fakts, ka atgriezeniskās saites ķēdes pastiprinājumu nevar padarīt tik lielu, cik vēlams, jo tad neizbēgamā fāzes nobīde vadības cilpā radīs svārstības. Mēs jau esam saskārušies ar līdzīgu problēmu, apsverot jautājumus par darbības pastiprinātāju frekvences reakcijas koriģēšanu. Regulēšanas mērķis ir nodrošināt, neskatoties uz šiem ierobežojumiem, mazāko iespējamo kontroles neatbilstību un labu pārejošu reakciju. Šim nolūkam lineārajam pastiprinātājam tiek pievienots integrators un diferenciators un tādējādi proporcionālā regulatora vietā tiek iegūts PI vai PID regulators. Nākamās sadaļas ir veltītas šāda regulatora ieviešanai, izmantojot elektroniskās shēmas.
Lai vienkāršotu darbības pastiprinātāju strāvas regulatora konstruēšanas procesu, mēs pārveidojam tā PF (8) šādi:
(8")
Pirmais termins (8") ir izodromisko un aperiodisko saišu reizinājums, otrais ir aperiodiskā saite, trešais ir inerciālā diferencējošā saite. No Elektronikas kursa jūs zināt, kā šīs saites montēt uz darbības pastiprinātājiem.
10. attēls. Strāvas regulators uz darbības pastiprinātājiem
Ķēde, kā redzams, sastāv no trim paralēliem atzariem, kurus aizver izejas uz operacionālā pastiprinātāja invertējošā summa, tātad izejas signāls u 2
tiks apgriezts attiecībā pret ievadi u 1
. Ja nepieciešams apstiprinājums u 1
Un u 2
Pie summatora izejas būs nepieciešams uzstādīt papildu invertoru. Šis paņēmiens tika izmantots ķēdes vidējā atzarā, jo aperiodiskā saite ir veidota uz invertējoša darbības pastiprinātāja. Augšējā filiāle ir atbildīga par PF
. Izodromisko un aperiodisko saišu reizinājums tiek izgatavots, savienojot to ķēdes virknē uz invertējošiem darbības pastiprinātājiem, un, tā kā katra saite invertē signālu, augšējā atzara ieejas un izejas saskaņošana nav nepieciešama. Apakšējā filiāle, kas īsteno inerciālo dinamisko saiti, neapgriež ieejas signālu.
Aprēķināsim ķēdes parametrus. Ir zināms, ka
Pajautājis R 1 =R 3 =R 5 = R 8 =R 12 =R 17 =R 18 = 500 omi, R 13 = 300 omi, R 14 = 50 omi, mēs to iegūstam AR 1 ==
= 240 µF, AR 2 =AR 3 ==
= 10 µF, AR 4 =
=
= 40 µF, R 2 = =
= 380 omi, R 4 =R 6 =R 9 =R 10 =R 11 =R 16 = 500 omi, R 7 = 110 omi, R 15 =
=
=
= 310 omi.
2.3AmLahx - programma asimptotisko parametru konstruēšanai un kontrolleru sintezēšanai, izmantojot vēlamo parametru metodi
2.3.1. Vispārīga informācija par programmu
AmLAHX programma ir paredzēta darbam MatLab6.0 vai jaunākā vidē un nodrošina lietotājam šādas iespējas:
ir GUI interfeiss;
konstruē nodošanas funkciju veidā norādīto dinamisko objektu asimptotiskās LFC;
interaktīvi veido vēlamo atvērtā cikla sistēmas LFC pēc noteiktiem kvalitātes kritērijiem, tajā skaitā, programma ļauj lietotājam izvēlēties pārošanās sekcijas (to slīpumus) atkarībā no vadības objekta LFC veida;
nodrošina automātisku atņemšanu no vadības objekta LFC atvērtās cilpas sistēmas LFC un tādējādi konstruējot kontroliera LFC, atgriež asimptotu konjugētās frekvences un slīpumus, kas ļauj diezgan viegli pierakstīt tās pārsūtīšanas funkciju, izmantojot kontroliera LFC (nākamajās versijās programma to darīs automātiski);
Visi LFC ir attēloti, norādot asimptotu slīpumus, lietotājs var noteikt katra LFC krāsas atsevišķi, kā arī uzrakstu formātu grafikos (biezums, augstums).
2.3.2 Programmas komandrinda
Pilnīga komandrinda programmas palaišanai ir:
yy=amlahx( nr,den, karogs, param),
Kur nr Un den- attiecīgi kontroles objekta PF skaitītājs un saucējs, nr Un den jābūt vektoriem, kas rakstīti MatLab formātā (skat. piemēru zemāk);
karogs- darbības režīms (1 (noklusējums) vai 2);
param- 6 elementu (skaitļu) vektors, attiecīgi 1, 2 un 3 elementi, ir OU, RS un CU LFC biezums, 4, 5 un 6 ir šo LFC krāsas (pēc noklusējuma biezums no visiem LFC ir 1, krāsas ir attiecīgi sarkana, zila un zaļa).
AmLAHX bez parametriem darbojas demonstrācijas režīmā, šajā gadījumā
nr= ,den = ,karogs= 2.