Realizacja techniczna integralnego regulatora na wzmacniaczach operacyjnych. Głównymi typami regulatorów są układy napędów elektrycznych mechanizmów wykonawczych wiertnic. Moc wzmacniacza operacyjnego
Zaletą sterowników PWM wykorzystujących wzmacniacze operacyjne jest to, że można zastosować prawie każdy wzmacniacz operacyjny (oczywiście w typowym obwodzie przełączającym).
Efektywny poziom napięcia wyjściowego jest regulowany przez zmianę poziomu napięcia na wejściu nieodwracającym wzmacniacza operacyjnego, co umożliwia wykorzystanie obwodu jako część składowa różne regulatory napięcia i prądu, a także obwody z płynnym zapłonem i gaszeniem żarówek.
Schematłatwy do powtórzenia, nie zawiera rzadkich elementów, a dzięki sprawnym elementom zaczyna działać natychmiast, bez regulacji. Tranzystor polowy mocy jest wybierany zgodnie z prądem obciążenia, ale w celu zmniejszenia rozpraszania mocy cieplnej pożądane jest stosowanie tranzystorów zaprojektowanych na wysokie natężenie prądu, ponieważ. mają najmniejszy otwarty opór.
Powierzchnia radiatora tranzystora polowego jest całkowicie określona przez wybór jego typu i prądu obciążenia. Jeżeli układ będzie używany do regulacji napięcia w sieciach pokładowych +24V, aby zapobiec przebiciu bramki tranzystora polowego, między kolektorem tranzystora VT1 i roleta VT2 należy dołączyć rezystor 1K i rezystor R6 bocznik z dowolną odpowiednią diodą Zenera 15 V, pozostałe elementy obwodu nie zmieniają się.
We wszystkich dotychczas rozważanych obwodach, jako tranzystor polowy mocy, n- tranzystory kanałowe, jako najpopularniejsze i posiadające najlepsze właściwości.
Jeśli wymagana jest regulacja napięcia na obciążeniu, którego jedno z wyjść jest podłączone do „masy”, stosuje się obwody, w których n- Tranzystor polowy kanału jest podłączony przez dren do + źródła zasilania, a obciążenie jest włączane w obwodzie źródłowym.
Aby zapewnić pełne otwarcie tranzystora polowego, obwód sterujący musi zawierać węzeł do zwiększania napięcia w obwodach sterujących bramką do 27 - 30 V, jak to ma miejsce w wyspecjalizowanych mikroukładach U 6 080B ... U6084B , L9610, L9611 , wtedy pomiędzy bramką a źródłem będzie napięcie co najmniej 15 V. Jeżeli prąd obciążenia nie przekracza 10A można zastosować pole zasilające p - tranzystory kanałowe, których zakres jest znacznie węższy ze względów technologicznych. Rodzaj tranzystora również zmienia się w obwodzie VT1 i charakterystyka sterowania R7 zmiany na odwrotne. Jeżeli dla pierwszego obwodu wzrost napięcia sterującego (suwak rezystora zmiennego przesuwa się na „+” źródła zasilania) powoduje spadek napięcia wyjściowego na obciążeniu, to dla drugiego obwodu zależność ta jest odwrotna. Jeżeli dany obwód wymaga odwrotnej zależności napięcia wyjściowego od napięcia wejściowego od oryginału, to w obwodach konieczna jest zmiana struktury tranzystorów VT1, czyli tranzystor VT1 w pierwszym obwodzie trzeba podłączyć jak VT1 drugi schemat i odwrotnie.
Główne typy regulatorów stosowanych w układach sterowania napędów elektrycznych siłowników wiertnic
Sterowniki analogowe w układach podrzędnego sterowania napędami elektrycznymi zbudowane są w oparciu o wzmacniacze operacyjne (op-ampy) - wzmacniacze prąd stały z wysoką impedancją wejściową i bardzo niską impedancją wyjściową. Technologia układów scalonych umożliwia obecnie produkcję wysokiej jakości i niedrogich wzmacniaczy operacyjnych. W pewnej części swojego zakresu pracy wzmacniacz operacyjny zachowuje się jak liniowy wzmacniacz napięciowy o bardzo wysokim wzmocnieniu (10 5 - 10 6). Jeśli obwód wzmacniacza operacyjnego nie zapewnia ujemnego sprzężenia zwrotnego z wyjścia na wejście, to ze względu na wysokie wzmocnienie koniecznie przejdzie w tryb nasycenia. Dlatego obwody kontrolera oparte na wzmacniaczu operacyjnym zawierają ujemne sprzężenie zwrotne.
Wzmacniacz operacyjny zawdzięcza swoją nazwę temu, że może wykonywać różne operacje matematyczne, takie jak mnożenie, sumowanie, całkowanie i różniczkowanie. Typowe regulatory zbudowane są na bazie wzmacniacza odwracającego, a obwody wejściowe i wyjściowe oprócz rezystancji mogą zawierać pojemności.
Ponieważ wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego jest wysokie (Ku= = 10 5 +10 6), a napięcie wyjściowe Uout jest ograniczone napięciem zasilania PROCESOR, to potencjał punktu ALE(Rys. 1, a) cpA = wout/Ku jest bliskie zeru, tj. kropka ALE pełni funkcję pozornej ziemi (do uziemienia punktu) ALE niemożliwe, w przeciwnym razie obwód przestanie działać).
Ryż. Rys. 1. Budowa regulatora analogowego opartego na wzmacniaczu operacyjnym (a). Schemat regulatora proporcjonalnego z kontrolowanym ograniczeniem sygnału wyjściowego (b). Charakterystyka wejścia-wyjścia regulatora z kontrolowanym ograniczeniem sygnału wyjściowego (c)
Schematy, transmitancje i funkcje przejścia regulatorów różnych typów podano w tabeli.
Schematy i charakterystyki dynamiczne różnych typów regulatorów
Aby uzyskać regulator proporcjonalny (regulator P), rezystory są zawarte na wejściu i w obwodzie sprzężenia zwrotnego systemu operacyjnego; zintegrowany regulator (regulator I) zawiera rezystor w obwodzie wejściowym i kondensator w obwodzie sprzężenia zwrotnego; Regulator PI do obwodu wejściowego-rezystor, a do obwodu sprzężenia zwrotnego - rezystor połączony szeregowo i kondensator. Regulator PID może być zaimplementowany na pojedynczym wzmacniaczu z wykorzystaniem obwodów aktywno-pojemnościowych na wejściu oraz w obwodzie sprzężenia zwrotnego.
Przemysł produkuje różne rodzaje wzmacniacze operacyjne na układach scalonych (IC) - zarówno okrągłe jak i prostokątne. Najbardziej rozpowszechnione do budowy regulatorów były wzmacniacze operacyjne typu K140UD7, K553UD2, K157UD2 itp.
Możliwe jest zmniejszenie gabarytów i zwiększenie niezawodności urządzeń analogowych układów sterowania napędem elektrycznym poprzez wprowadzenie hybrydowej technologii ich wytwarzania. W produkcji hybrydowych układów scalonych (HIC) elementy aktywne (OC) są instalowane na płytce drukowanej w postaci półprzewodnikowej (nieopakowanej), a kondensatory i rezystory są instalowane w technologii folii (napylające folie z przewodzących, pół- materiały przewodzące i nieprzewodzące). Powstały moduł można wypełnić masą lub umieścić w obudowie.
Ograniczenie współrzędnych napędu elektrycznego (prądu, prędkości itp.) realizowane jest poprzez uwzględnienie węzłów ograniczających w strukturze regulatora zewnętrznej pętli sterowania. Te ostatnie mogą być zarządzane i niezarządzane. Na rys., 6
przedstawia schemat ograniczenia napięcia wyjściowego regulatora proporcjonalnego z diodami odcinającymi VD1, VD2 i sterowanym napięciem odniesienia Vop. Obwód pozwala uzyskać charakterystykę wejścia-wyjścia, która jest asymetryczna względem źródła przy różnym poziomie ograniczonego napięcia wyjściowego (rys.). Istnieją inne opcje kontrolowanego ograniczania napięcia wyjściowego wzmacniacza operacyjnego za pomocą tranzystorów.
Do niedawna w zautomatyzowanym napędzie elektrycznym siłowników krajowych wiertnic wykorzystywano głównie analogową technologię komputerową. Za ostatnie lata szereg organizacji projektowych i badawczych pracuje nad stworzeniem mikroprocesorowych systemów sterowania. W porównaniu z systemami analogowymi, systemy mikroprocesorowe mają szereg zalet. Zwróćmy uwagę na niektóre z nich.
Elastyczność. Możliwość poprzez przeprogramowanie zmiany nie tylko parametrów układu sterowania, ale także algorytmów, a nawet struktury. Jednocześnie sprzęt systemu pozostaje niezmieniony. W systemach analogowych wymagana byłaby zmiana konfiguracji sprzętu. Oprogramowanie mikrokomputera można łatwo dostosować zarówno w okresie przed uruchomieniem, jak i podczas ich działania. Dzięki temu zmniejszają się koszty i terminy prac regulacyjnych, a ich charakter ulega zmianie, gdyż niezbędne eksperymenty w celu określenia charakterystyk i parametrów, a także regulacji sterowników, mogą być wykonywane automatycznie przez sam mikrokomputer według wcześniej przygotowanego program.
Usunięcie wszelkich ograniczeń o strukturze urządzenia sterującego i prawach kontrolnych. Jednocześnie wskaźniki jakości systemów cyfrowych mogą znacznie przewyższać wskaźniki jakości kontroli systemów ciągłej kontroli. Wprowadzając odpowiednie programy, można wdrażać złożone prawa sterowania (optymalizacja, adaptacja, prognozowanie itp.), także te, które są bardzo trudne do zrealizowania za pomocą narzędzi analogowych. Staje się możliwe rozwiązywanie problemów intelektualnych, które zapewniają poprawność i wydajność procesów technologicznych. Na bazie mikrokomputera można budować systemy dowolnego typu, w tym systemy ze sterowaniem podrzędnym, systemy wielowymiarowe z połączeniami skrośnymi itp.
Autodiagnoza i autotest cyfrowe urządzenia sterujące. Możliwość sprawdzenia sprawności mechanicznych zespołów napędowych, przekształtników, czujników i innych urządzeń podczas przerw technologicznych tj. automatyczna diagnostyka stanu sprzętu i wczesne ostrzeganie o wypadkach. Te możliwości uzupełniają zaawansowane narzędzia przeciwzakłóceniowe. Chodzi tu przede wszystkim o zastąpienie analogowych linii transmisji danych liniami cyfrowymi zawierającymi izolację galwaniczną, kanały światłowodowe, odporne na zakłócenia układy scalone, takie jak wzmacniacze i przełączniki.
Wyższa dokładność ze względu na brak charakterystyki dryfu zerowego urządzeń analogowych. Tak więc cyfrowe systemy sterowania prędkością napędu elektrycznego mogą zapewnić zwiększenie dokładności regulacji o dwa rzędy wielkości w porównaniu z analogowymi.
Łatwość wizualizacji parametry procesu sterowania za pomocą wskaźników cyfrowych, paneli wskaźnikowych i wyświetlaczy, organizując interaktywny tryb wymiany informacji z operatorem.
Większa niezawodność, mniejsze wymiary, waga i koszt. Wysoką niezawodność mikrokomputerów w porównaniu z technologią analogową zapewnia zastosowanie dużych układów scalonych (LSI), obecność specjalnych systemów ochrony pamięci, odporność na zakłócenia i inne środki. Dzięki wysoki poziom Technologie produkcyjne LSI obniżają koszty wytwarzania systemów sterowania do napędów elektrycznych. Te zalety są szczególnie widoczne w przypadku korzystania z komputerów jednopłytkowych i jednoukładowych.
Podróż dziesięciu tysięcy mil zaczyna się od pierwszego kroku.
(Chińskie przysłowie)
Było wieczorem, nie było co robić... I tak nagle chciałem coś wlutować. Rodzaj... Elektroniczne!.. Lutowane - czyli lutowane. Komputer jest dostępny, internet jest podłączony. Wybieramy schemat. I nagle okazuje się, że schematy na poczęty temat to wóz i mały wózek. I każdy jest inny. Brak doświadczenia, mała wiedza. Który wybrać? Niektóre z nich zawierają jakieś prostokąty, trójkąty. Wzmacniacze, a nawet operacyjne… Nie jest jasne, jak działają. Stra-a-ashno!.. A jeśli spłonie? Wybieramy to, co prostsze, na znanych tranzystorach! Wybrany, przylutowany, włączony... POMOC !!! Nie działa!!! Czemu?
Tak, ponieważ „Prostota jest gorsza niż kradzież”! Jest jak komputer: najszybszy i najbardziej wyrafinowany - gra! A do pracy biurowej wystarczy najprostszy. Tak samo jest z tranzystorami. Lutowanie na nich obwodu nie wystarczy. Nadal musisz wiedzieć, jak to skonfigurować. Zbyt wiele „pułapek” i „prowizji”. A to często wymaga doświadczenia, które w żadnym wypadku nie jest poziomem podstawowym. Co z tego, rzucić ekscytującą aktywność? W żaden sposób! Tylko nie bój się tych „trójkątów-prostokątów”. Okazuje się, że w wielu przypadkach dużo łatwiej z nimi pracować niż z pojedynczymi tranzystorami. JEŚLI WIESZ - JAK!
Oto jesteśmy: zrozumieniem, jak działa wzmacniacz operacyjny (op-amp lub po angielsku OpAmp), zajmiemy się teraz. Jednocześnie rozważymy jego pracę dosłownie „na palcach”, praktycznie bez użycia żadnych formuł, z wyjątkiem być może z wyjątkiem prawa dziadka Ohma: „Prąd przez sekcję obwodu ( I) jest wprost proporcjonalna do napięcia na nim ( U) i odwrotnie proporcjonalna do jego oporu ( R)»:
I=U/R. (1)
Na początek w zasadzie nie jest tak ważne, jak dokładnie ułożony jest we wnętrzu wzmacniacz operacyjny. Załóżmy, że jest to „czarna skrzynka” z jakimś nadzieniem. Na tym etapie nie będziemy brać pod uwagę takich parametrów wzmacniacza jak „napięcie polaryzacji”, „napięcie przesunięcia”, „dryf temperaturowy”, „charakterystyka szumów”, „współczynnik tłumienia sygnału wspólnego”, „współczynnik tłumienia tętnień napięcia zasilającego”. ”, „przepustowość” itp. Wszystkie te parametry będą miały znaczenie na kolejnym etapie jego badań, kiedy podstawowe zasady jego pracy „ustabilizują się” w głowie, bo „było gładko na papierze, ale zapomniało o wąwozach”…
Na razie załóżmy, że parametry wzmacniacza operacyjnego są bliskie ideału i rozważmy tylko, jaki sygnał będzie na jego wyjściu, jeśli jakieś sygnały zostaną podane na jego wejścia.
Tak więc wzmacniacz operacyjny (wzmacniacz operacyjny) jest wzmacniaczem różnicowym prądu stałego z dwoma wejściami (odwracającym i nieodwracającym) i jednym wyjściem. Oprócz nich wzmacniacz operacyjny posiada wyprowadzenia zasilania: dodatni i ujemny. Tych pięć wniosków można znaleźć w: prawie dowolny system operacyjny i są zasadniczo niezbędne do jego działania.
Wzmacniacz operacyjny ma ogromne wzmocnienie, co najmniej 50 000 ... 100 000, ale w rzeczywistości - znacznie więcej. Dlatego jako pierwsze przybliżenie możemy nawet założyć, że jest równe nieskończoności.
Termin „różnicowy” („różny” jest tłumaczony z angielskiego jako „różnica”, „różnica”, „różnica”) oznacza, że na potencjał wyjściowy wzmacniacza operacyjnego wpływa wyłącznie różnica potencjałów między jego wejściami, bez względu od nich absolutny znaczenie i biegunowość.
Termin „DC” oznacza, że wzmacniacz operacyjny wzmacnia sygnały wejściowe od 0 Hz. Górny zakres częstotliwości (zakres częstotliwości) sygnałów wzmacnianych przez wzmacniacz operacyjny zależy od wielu czynników, takich jak charakterystyka częstotliwościowa tranzystorów, z których się składa, wzmocnienie obwodu zbudowanego z wykorzystaniem wzmacniacza operacyjnego itp. Ale ta kwestia jest już poza zakresem wstępnej znajomości jego pracy i nie będzie tutaj rozważana.
Wejścia wzmacniaczy operacyjnych mają bardzo wysoką impedancję wejściową, równą dziesiątkom/setkom megaomów, a nawet gigaomów (i tylko w pamiętnym K140UD1, a nawet w K140UD5 wynosiła tylko 30...50 kOhm). Tak wysoka impedancja wejść powoduje, że nie mają one prawie żadnego wpływu na sygnał wejściowy.
Dlatego przy wysokim stopniu zbliżenia do ideału teoretycznego możemy założyć, że obecny nie wpływa na wejścia wzmacniacza operacyjnego . To - pierwszy ważna zasada stosowana w analizie działania systemu operacyjnego. Proszę dobrze zapamiętaj, o co chodzi tylko sama jednostka organizacyjna, ale nie schematy z jego użyciem!
Co oznaczają terminy „odwracający” i „nieodwracający”? W związku z czym określa się inwersję i ogólnie, jakie to jest „zwierzę” - inwersja sygnału?
W tłumaczeniu z łaciny jedno ze znaczeń słowa „inversio” to „opakowanie”, „przewrót”. Innymi słowy, inwersja jest odbiciem lustrzanym ( dublowanie) sygnał względem osi poziomej X(oś czasu). Na ryc. 1 przedstawia kilka z wielu opcje inwersja sygnału, gdzie sygnał bezpośredni (wejściowy) jest zaznaczony na czerwono, a sygnał odwrócony (wyjściowy) na niebiesko.
Ryż. 1 Pojęcie inwersji sygnału
Należy szczególnie zauważyć, że do linii zerowej (jak na rys. 1, A, B) inwersja sygnału nie związany! Sygnały mogą być odwrócone i asymetryczne. Np. obydwa znajdują się tylko w obszarze wartości dodatnich (rys. 1, B), co jest typowe dla sygnałów cyfrowych lub przy zasilaniu unipolarnym (o tym później), albo obydwa są częściowo w zakresie dodatnim, a częściowo w regionach ujemnych (ryc. 1, B, D). Możliwe są również inne opcje. Głównym warunkiem jest ich wzajemność specularity względem jakiegoś arbitralnie wybranego poziomu (na przykład sztucznego punktu środkowego, który również zostanie omówiony później). Innymi słowy, biegunowość sygnał również nie jest czynnikiem decydującym.
Przedstaw jednostkę organizacyjną na schematach obwodów na różne sposoby. Za granicą OS były wcześniej przedstawiane, a nawet teraz są bardzo często przedstawiane w postaci trójkąta równoramiennego (ryc. 2, A). Wejście odwracające jest oznaczone symbolem minusa, a wejście nieodwracające jest oznaczone symbolem plusa w trójkącie. Te symbole wcale nie oznaczają, że potencjał na odpowiednich wejściach musi być bardziej dodatni lub bardziej ujemny niż na drugim. Po prostu wskazują, jak potencjał wyjściowy reaguje na potencjały przyłożone do wejść. W rezultacie łatwo je pomylić z przewodami zasilającymi, co może być nieoczekiwanym „prowizji”, szczególnie dla początkujących.
Ryż. 2 Warianty warunkowych obrazów graficznych (UGO)
wzmacniacze operacyjne
W systemie krajowych warunkowych obrazów graficznych (UGO) przed wejściem w życie GOST 2.759-82 (ST SEV 3336-81) jednostki organizacyjne były również przedstawiane jako trójkąt, tylko wejście odwracające - z symbolem inwersji - okrąg w przecięcie wyjścia z trójkątem (ryc. 2, B), a teraz - w postaci prostokąta (ryc. 2, C).
Przy wyznaczaniu wzmacniacza operacyjnego na schematach wejścia odwracające i nieodwracające można zamienić, jeśli jest to wygodniejsze, jednak tradycyjnie wejście odwracające jest pokazane na górze, a wejście nieodwracające na dole. Piny zasilania są zwykle umieszczone zawsze w jedną stronę (dodatnie na górze, ujemne na dole).
Wzmacniacze operacyjne są prawie zawsze używane w obwodach z ujemnym sprzężeniem zwrotnym (NFB).
Sprzężenie zwrotne jest efektem podania części napięcia wyjściowego wzmacniacza na jego wejście, gdzie jest ono algebraicznie (pod warunkiem znaku) dodawane do napięcia wejściowego. Zasada sumowania sygnałów zostanie omówiona poniżej. W zależności od tego, które wejście wzmacniacza operacyjnego, odwracającego lub nieodwracającego, zasilany jest system operacyjny, występuje ujemne sprzężenie zwrotne (NFB), gdy część sygnału wyjściowego jest podawana na wejście odwracające (rys. 3, A) lub dodatnie sprzężenie zwrotne (PIC), gdy część sygnału wyjściowego jest podawana odpowiednio na wejście nieodwracające (rys. 3, B).
Ryż. 3 Zasada tworzenia sprzężenia zwrotnego (OS)
W pierwszym przypadku, ponieważ wyjście jest odwrotnością wejścia, jest ono odejmowane od wejścia. W rezultacie ogólny zysk sceny jest zmniejszony. W drugim przypadku jest dodawany do wejścia, zwiększa się ogólne wzmocnienie kaskady.
Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że POS ma pozytywny wpływ, a OOS to całkowicie bezużyteczne przedsięwzięcie: po co zmniejszać zysk? Dokładnie to myśleli amerykańscy egzaminatorzy patentów, gdy w 1928 r. Harold S. Black wypróbowany opatentować system operacyjny. Jednak poświęcając wzmocnienie znacznie poprawiamy inne ważne parametry układu, takie jak jego liniowość, zakres częstotliwości itp. Im głębsze OOS, tym mniej charakterystyk całego układu zależy od charakterystyki wzmacniacza operacyjnego.
Ale POS (biorąc pod uwagę własne ogromne wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego) ma odwrotny wpływ na charakterystykę obwodu i najbardziej nieprzyjemną rzeczą jest to, że powoduje samowzbudzenie. Oczywiście jest on też świadomie stosowany np. w generatorach, komparatorach z histerezą (o tym później) itp., ale generalnie jego wpływ na pracę układów wzmacniacza z op-ampem jest raczej negatywny i wymaga bardzo dokładną i rozsądną analizę jej zastosowania.
Ponieważ system operacyjny ma dwa wejścia, możliwe są następujące główne typy jego włączenia za pomocą systemu operacyjnego (ryc. 4):
Ryż. 4 Podstawowe schematy włączania systemu operacyjnego
a) odwracanie (rys. 4, A) - sygnał jest podawany na wejście odwracające, a nieodwracające jest podłączone bezpośrednio do potencjału odniesienia (nie używane);
b) Nieodwracający (rys. 4, B) - sygnał jest podawany na wejście nieodwracające, a odwracające jest podłączone bezpośrednio do potencjału odniesienia (nie używane);
w) mechanizm różnicowy (rys. 4, B) - sygnały podawane są na oba wejścia, odwracające i nieodwracające.
Analizując działanie tych schematów, należy wziąć pod uwagę: druga najważniejsze reguła, któremu podlega działanie systemu operacyjnego: Wyjście wzmacniacza operacyjnego ma zwykle zerową różnicę napięć między jego wejściami..
Jednak każde sformułowanie musi być konieczne i wystarczające ograniczyć cały podzbiór przypadków, które go przestrzegają. Powyższe sformułowanie, przy całym swoim „klasycyzmie”, nie daje żadnej informacji o tym, na które z wejść wyjście „stara się wpłynąć”. Na jej podstawie okazuje się, że wzmacniacz wydaje się wyrównywać napięcia na swoich wejściach, podając je gdzieś „od wewnątrz”.
Przyglądając się uważnie schematom na ryc. 4, widać, że OOC (poprzez Rooc) we wszystkich przypadkach rozpoczyna się od wyjścia tylko na wejście odwracające, co daje nam powód do przeformułowania tej reguły w następujący sposób: Napięcie włączone wyjście wzmacniacza operacyjnego, objęte OOS, ma tendencję do zapewniania, że potencjał na wejściu odwracającym jest równy potencjałowi na wejściu nieodwracającym.
W oparciu o tę definicję „wiodący” przy każdym włączeniu OA z OOS to wejście nieodwracające, a „slave” to wejście odwracające.
Opisując działanie wzmacniacza operacyjnego, potencjał na jego wejściu odwracającym jest często określany jako „wirtualne zero” lub „wirtualny punkt środkowy”. Tłumaczenie łacińskiego słowa „virtus” oznacza „wyobrażony”, „wyobrażony”. Obiekt wirtualny zachowuje się blisko zachowania podobnych obiektów rzeczywistości materialnej, tj. dla sygnałów wejściowych (ze względu na działanie FOS) wejście odwracające można uznać za podłączone bezpośrednio do tego samego potencjału, co wejście nieodwracające. Jednak „wirtualne zero” to tylko przypadek szczególny, który ma miejsce tylko przy bipolarnym zasilaniu wzmacniacza operacyjnego. Podczas korzystania z jednobiegunowego zasilacza (o czym będzie mowa poniżej) oraz w wielu innych obwodach przełączających, nie będzie zera ani na wejściach nieodwracających, ani odwracających. Dlatego umówmy się, że nie będziemy używać tego terminu, ponieważ przeszkadza on w początkowym zrozumieniu zasad działania systemu operacyjnego.
Z tego punktu widzenia przeanalizujemy schematy pokazane na ryc. 4. Jednocześnie, aby uprościć analizę, przyjmiemy, że napięcia zasilania są nadal bipolarne, równe co do wartości (powiedzmy ± 15 V), z punktem środkowym (wspólna magistrala lub „masa”), względna do którego będziemy liczyć napięcia wejściowe i wyjściowe. Ponadto analiza zostanie przeprowadzona w prądzie stałym, ponieważ. zmieniający się sygnał przemienny w każdym momencie czasu może być również reprezentowany jako próbka wartości prądu stałego. We wszystkich przypadkach sprzężenie zwrotne przez Rooc jest połączone z wyjścia wzmacniacza operacyjnego do jego wejścia odwracającego. Różnica polega tylko na tym, na którym z wejść podawane jest napięcie wejściowe.
ALE) odwracanie włączenie (rys. 5).
Ryż. 5 Zasada działania wzmacniacza operacyjnego w połączeniu odwracającym
Potencjał na wejściu nieodwracającym wynosi zero, ponieważ jest połączony z punktem środkowym („uziemienie”). Sygnał wejściowy równy +1 V względem punktu środkowego (z GB) jest podawany do lewego zacisku rezystora wejściowego Rin. Załóżmy, że rezystancje Rooc i Rin są sobie równe i wynoszą 1 kOhm (ich całkowita rezystancja to 2 kOhm).
Zgodnie z regułą 2 wejście odwracające musi mieć taki sam potencjał jak wejście nieodwracające, tj. 0 V. Dlatego do Rin przykładane jest napięcie +1 V. Zgodnie z prawem Ohma przepływa przez nie prąd IWejście= 1 V / 1000 omów = 0,001 A (1 mA). Kierunek przepływu tego prądu wskazuje strzałka.
Ponieważ Rooc i Rin są połączone dzielnikiem i zgodnie z zasadą 1, wejścia wzmacniacza operacyjnego nie pobierają prądu, aby napięcie w punkcie środkowym tego dzielnika wynosiło 0 V, należy przyłożyć napięcie po prawej stronie produkcja Rooc minus 1 V i przepływający przez niego prąd Ioos powinna być również równa 1 mA. Innymi słowy między lewym zaciskiem Rin a prawym Rooc przykładane jest napięcie 2 V, a prąd płynący przez ten dzielnik wynosi 1 mA (2 V / (1 kΩ + 1 kΩ) = 1 mA), tj. I Wejście = I oos .
Jeśli do wejścia zostanie przyłożone napięcie o ujemnej biegunowości, wyjście wzmacniacza operacyjnego będzie napięciem o dodatniej biegunowości. Wszystko jest takie samo, tylko strzałki pokazujące przepływ prądu przez Rooc i Rin będą skierowane w przeciwnym kierunku.
Tak więc, jeśli wartości Rooc i Rin są równe, napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego będzie równe napięciu na jego wejściu pod względem wielkości, ale odwrotnie w polaryzacji. I mamy odwracanie przekaźnik . Ten schemat jest często używany, jeśli chcesz odwrócić sygnał odebrany za pomocą obwodów, które są zasadniczo falownikami. Na przykład wzmacniacze logarytmiczne.
Teraz utrzymajmy Rin równy 1 kOhm i zwiększmy rezystancję Rooc do 2 kOhm tym samym sygnałem wejściowym +1 V. Całkowita rezystancja dzielnika Rooc+Rin wzrosła do 3 kOhm. Aby potencjał 0 V (równy potencjałowi wejścia nieodwracającego) pozostał w punkcie środkowym, przez Rooc musi płynąć ten sam prąd (1 mA), co przez Rin. Dlatego spadek napięcia na Rooc (napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego) powinien już wynosić 2 V. Na wyjściu wzmacniacza operacyjnego napięcie wynosi minus 2 V.
Zwiększmy wartość Rooc do 10 kOhm. Teraz napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego w tych samych innych warunkach będzie już wynosić 10 V. Wow! Wreszcie dostaliśmy odwracanie wzmacniacz
! Jego napięcie wyjściowe jest większe niż napięcie wejściowe (innymi słowy wzmocnienie Ku) tyle razy, ile rezystancja Rooc jest większa niż rezystancja Rin. Bez względu na to, jak przysiągłem, że nie będę używać formuł, nadal wyświetlajmy to jako równanie:
Ku \u003d - Uout / Uin \u003d - Rooc / Rin. (2)
Znak minus przed ułamkiem po prawej stronie równania oznacza tylko, że sygnał wyjściowy jest odwrotny w stosunku do sygnału wejściowego. I nic więcej!
A teraz zwiększmy opór Rooc do 20 kOhm i przeanalizujmy, co się dzieje. Zgodnie ze wzorem (2), przy Ku \u003d 20 i sygnale wejściowym 1 V, wyjście powinno mieć napięcie 20 V. Ale go tam nie było! Wcześniej zakładaliśmy, że napięcie zasilania naszego wzmacniacza operacyjnego wynosi tylko ± 15 V. Ale nawet 15 V nie da się uzyskać (dlaczego tak - trochę mniej). „Nie możesz skakać nad głowę (napięcie zasilania)”! W wyniku takiego nadużycia wartości znamionowych obwodu napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego „opiera się” na napięciu zasilania (wyjście wzmacniacza operacyjnego wchodzi w nasycenie). Bilans obecnej równości poprzez dzielnik RoocRin ( IWejście = Ioos) jest naruszony, na wejściu odwracającym pojawia się potencjał, który jest inny niż potencjał na wejściu nieodwracającym. Zasada 2 nie ma już zastosowania.
Wejście opór wzmacniacz odwracający jest równy rezystancji Rin, ponieważ przepływa przez nią cały prąd ze źródła sygnału wejściowego (GB).
Zamieńmy teraz stałą Rooc na zmienną o nominalnej wartości powiedzmy 10 kOhm (rys. 6).
Ryż. 6 obwód wzmacniacza odwracającego o zmiennym wzmocnieniu
Przy prawej (zgodnie z obwodem) pozycji suwaka wzmocnienie będzie wynosić Rooc / Rin \u003d 10 kOhm / 1 kOhm = 10. Przesuwając suwak Rooc w lewo (zmniejszając jego opór), wzmocnienie obwodu zmniejszy się i ostatecznie w skrajnym lewym położeniu stanie się równy zeru, ponieważ licznik w powyższym wzorze będzie równy zero w każdy wartość mianownika. Wyjście będzie również wynosić zero dla dowolnej wartości i polaryzacji sygnału wejściowego. Taki schemat jest często stosowany w obwodach wzmacniających sygnał audio, na przykład w mikserach, gdzie trzeba regulować wzmocnienie od zera.
B) Nieodwracający włączenie (rys. 7).
Ryż. 7 Zasada działania wzmacniacza operacyjnego w inkluzji nieodwracającej
Lewy pin Rin jest podłączony do punktu środkowego („masa”), a sygnał wejściowy równy +1 V jest podawany bezpośrednio na wejście nieodwracające. Ponieważ niuanse analizy są „przeżuwane” powyżej, tutaj zwrócimy uwagę tylko na znaczące różnice.
W pierwszym etapie analizy przyjmujemy również rezystancje Rooc i Rin równe sobie i równe 1 kOhm. Dlatego na wejściu nieodwracającym potencjał wynosi +1 V, a następnie zgodnie z zasadą 2 ten sam potencjał (+1 V) musi być na wejściu odwracającym (pokazano na rysunku). Aby to zrobić, na prawym zacisku rezystora Rooc (wyjście wzmacniacza operacyjnego) musi być napięcie +2 V. IWejście oraz Ioos, równe 1 mA, przepływają teraz przez rezystory Rooc i Rin w przeciwnym kierunku (wskazanym strzałkami). Mamy to Nieodwracający wzmacniacz ze wzmocnieniem 2, ponieważ wejście +1V daje wyjście +2V.
Dziwne, prawda? Wartości znamionowe są takie same jak w połączeniu odwracającym (jedyna różnica polega na tym, że sygnał jest podawany na inne wejście), a wzmocnienie jest oczywiste. Przyjrzymy się temu nieco później.
Teraz zwiększamy wartość Rooc do 2 kOhm. Aby zachować równowagę prądów IWejście = Ioos a potencjał wejścia odwracającego wynosi +1 V, wyjście wzmacniacza operacyjnego powinno już wynosić +3 V. Ku \u003d 3 V / 1 V \u003d 3!
Jeśli porównamy wartości Ku z połączeniem nieodwracającym z połączeniem odwracającym, z tymi samymi ocenami Rooc i Rin, okazuje się, że we wszystkich przypadkach zysk jest większy o jeden. Wyprowadzamy wzór:
Ku \u003d Uout / Uin + 1 \u003d (Rooc / Rin) + 1 (3)
Dlaczego to się dzieje? Tak, bardzo proste! NFB działa dokładnie tak samo, jak w połączeniu odwracającym, ale zgodnie z regułą 2 potencjał wejścia nieodwracającego jest zawsze dodawany do potencjału wejścia odwracającego w połączeniu nieodwracającym.
Czyli przy włączeniu nieodwracającym niemożliwe jest uzyskanie wzmocnienia równego 1? Dlaczego nie, dlaczego nie. Zmniejszmy wartość Rooc, podobnie jak analizowaliśmy Fig. 6. Gdy jego wartość wynosi zero - poprzez zwarcie wyjścia z wejściem odwracającym (rys. 8, A), zgodnie z Zasadą 2, wyjście będzie miało takie napięcie, że potencjał wejścia odwracającego będzie równy potencjałowi wejścia nieodwracającego, tj. +1 V. Otrzymujemy: Ku \u003d 1 V / 1 V \u003d 1 (!) Cóż, skoro wejście odwracające nie pobiera prądu i nie ma różnicy potencjałów między nim a wyjściem, to w tym obwodzie nie płynie prąd.
Ryż. 8 Schemat włączania wzmacniacza operacyjnego jako wtórnika napięcia
Rin staje się ogólnie zbędny, ponieważ jest połączony równolegle z obciążeniem, na którym powinno działać wyjście wzmacniacza operacyjnego, a jego prąd wyjściowy przepłynie przez niego na próżno. A co się stanie, jeśli opuścisz Rooc, ale usuniesz Rin (ryc. 8, B)? Następnie we wzorze wzmocnienia Ku = Roos / Rin + 1 rezystancja Rin teoretycznie zbliża się do nieskończoności (w rzeczywistości oczywiście nie, ponieważ są przecieki na płytce, a prąd wejściowy wzmacniacza operacyjnego, choć znikomy , nadal wynosi zero, nadal nie jest równe), a stosunek Rooc / Rin jest równy zeru. W formule pozostaje tylko jeden: Ku \u003d + 1. A zysk mniej niż jeden dla tego schematu można uzyskać? Nie, mniej nie zadziała w żadnych okolicznościach. Nie możesz obejść „dodatkowej” jednostki w formule wzmocnienia na krzywej kozie ...
Po usunięciu wszystkich „dodatkowych” rezystorów otrzymujemy obwód Nieodwracający przekaźnik pokazano na ryc. 8, V.
Na pierwszy rzut oka taki schemat nie ma praktycznego sensu: dlaczego potrzebujemy pojedynczego, a nawet nieodwrotnego „wzmocnienia” - co, nie możesz po prostu wysłać sygnału dalej ??? Jednak takie schematy są używane dość często i oto dlaczego. Zgodnie z zasadą 1 prąd nie wpływa na wejścia wzmacniacza operacyjnego, tj. impedancja wejściowa wtórnik nieodwracający jest bardzo duży - te same dziesiątki, setki, a nawet tysiące MΩ (to samo dotyczy układu wg rys. 7)! Ale rezystancja wyjściowa jest bardzo mała (ułamki Ohma!). Wyjście wzmacniacza operacyjnego „chucha z całej siły”, starając się, zgodnie z regułą 2, utrzymać ten sam potencjał na wejściu odwracającym, jak na wejściu nieodwracającym. Jedynym ograniczeniem jest dopuszczalny prąd wyjściowy wzmacniacza operacyjnego.
Ale z tego miejsca pochylimy się trochę w bok i bardziej szczegółowo rozważymy kwestię prądów wyjściowych wzmacniacza operacyjnego.
W przypadku większości wzmacniaczy operacyjnych ogólnego przeznaczenia, specyfikacje techniczne stwierdzają, że rezystancja obciążenia podłączonego do ich wyjścia nie powinna być mniej 2 kΩ Więcej - tyle, ile chcesz. Dla znacznie mniejszej liczby jest to 1 kOhm (K140UD…). Oznacza to, że w najgorszych warunkach: maksymalne napięcie zasilania (np. ±16 V lub łącznie 32 V), obciążenie podłączone między wyjściem a jedną z szyn zasilających oraz maksymalne napięcie wyjściowe o przeciwnej biegunowości, do obciążenia zostanie przyłożone napięcie około 30 V. W tym przypadku prąd przez nie będzie wynosił: 30 V / 2000 Ohm = 0,015 A (15 mA). Nie tak mało, ale też nie za dużo. Na szczęście większość wzmacniaczy operacyjnych ogólnego przeznaczenia ma wbudowane zabezpieczenie nadprądowe - typowy maksymalny prąd wyjściowy to 25 mA. Ochrona zapobiega przegrzaniu i awarii wzmacniacza operacyjnego.
Jeżeli napięcia zasilania nie są maksymalnymi dopuszczalnymi, to minimalną rezystancję obciążenia można proporcjonalnie zmniejszyć. Powiedzmy, że przy zasilaniu 7,5 ... 8 V (łącznie 15 ... 16 V) może wynosić 1 kOhm.
W) mechanizm różnicowy włączenie (rys. 9).
Ryż. 9 Zasada działania wzmacniacza operacyjnego w połączeniu różnicowym
Załóżmy więc, że przy tych samych wartościach znamionowych Rin i Rooc równych 1 kOhm, na oba wejścia obwodu przyłożone są te same napięcia równe +1 V (rys. 9, A). Ponieważ potencjały po obu stronach rezystora Rin są sobie równe (napięcie na rezystorze wynosi 0), nie przepływa przez niego prąd. Oznacza to, że prąd płynący przez rezystor Rooc również wynosi zero. Oznacza to, że te dwa rezystory nie pełnią żadnej funkcji. W rzeczywistości otrzymaliśmy nieodwracającego zwolennika (porównaj z rys. 8). W związku z tym na wyjściu otrzymamy takie samo napięcie jak na wejściu nieodwracającym, tj. +1 V. Zmieńmy polaryzację sygnału wejściowego na odwracającym wejściu obwodu (obróć GB1) i zastosujmy minus 1 V (ryc. 9, B). Teraz między zaciski Rin przykładane jest napięcie 2 V i przepływa przez nie prąd Iw\u003d 2 mA (mam nadzieję, że nie trzeba już szczegółowo opisywać, dlaczego tak jest?). Aby skompensować ten prąd, przez Rooc musi również przepływać prąd o wartości 2 mA. W tym celu wyjście wzmacniacza operacyjnego musi mieć napięcie +3 V.
To tam pojawił się złośliwy „uśmieszek” dodatkowego w formule na wzmocnienie wzmacniacza nieodwracającego. Okazuje się, że z takimi uproszczony W przełączaniu różnicowym różnica wzmocnienia stale przesuwa sygnał wyjściowy o potencjał na wejściu nieodwracającym. Problem z! Jednak „Nawet jeśli zostałeś zjedzony, nadal masz co najmniej dwa wyjścia”. Oznacza to, że musimy w jakiś sposób wyrównać zyski wtrąceń odwracających i nieodwracających, aby „neutralizować” ten dodatkowy.
W tym celu na wejście nieodwracające przyłóżmy sygnał wejściowy nie bezpośrednio, ale przez dzielnik Rin2, R1 (rys. 9, B). Weźmy też ich nominały za 1 kOhm. Teraz na nieodwracającym (a więc także odwracającym) wejściu wzmacniacza operacyjnego będzie potencjał +0,5 V, przez które będzie płynął prąd (i Rooc) Iw = Ioos\u003d 0,5 mA, aby upewnić się, że wyjście wzmacniacza operacyjnego musi mieć napięcie równe 0 V. Uff! Mamy to, czego chcieliśmy! Przy jednakowej amplitudzie i polaryzacji sygnałów na obu wejściach układu (w tym przypadku +1 V, ale tak samo będzie dla minus 1 V i dla dowolnych innych wartości cyfrowych), na wyjściu układu będzie utrzymywane napięcie zerowe. wzmacniacz, równy różnicy sygnałów wejściowych .
Sprawdźmy to rozumowanie, podając na wejście odwracające sygnał o biegunowości ujemnej minus 1 V (rys. 9, D). W którym Iw = Ioos= 2 mA, dla którego wyjście powinno wynosić +2 V. Wszystko zostało potwierdzone! Poziom wyjściowy odpowiada różnicy między wejściami.
Oczywiście, jeśli Rin1 i Rooc są równe (odpowiednio Rin2 i R1), nie otrzymamy wzmocnienia. W tym celu należy zwiększyć wartości Rooc i R1, tak jak to zrobiono przy analizie wcześniejszych wtrąceń wzmacniacza operacyjnego (nie będę tego powtarzał) i powinno rygorystycznie przestrzegać proporcji:
Rooc / Rin1 = R1 / Rin2. (cztery)
Jaką pożyteczność daje takie włączenie w praktyce? I otrzymujemy niezwykłą właściwość: napięcie wyjściowe nie zależy od bezwzględnych wartości sygnałów wejściowych, jeśli są one sobie równe pod względem wielkości i polaryzacji. Wyprowadzany jest tylko sygnał różnicowy (różnicowy). Dzięki temu możliwe jest wzmocnienie bardzo małych sygnałów na tle szumu działającego równo na obu wejściach. Na przykład sygnał z mikrofonu dynamicznego na tle przetwornika o częstotliwości przemysłowej 50 Hz.
Jednak w tej beczce miodu niestety jest mucha w maści. Po pierwsze, równość (4) musi być bardzo ściśle przestrzegana (do dziesiątych, a czasem setnych procenta!). W przeciwnym razie wystąpi asymetria prądów działających w obwodzie, a zatem oprócz sygnałów różnicowych („przeciwfazowych”), wzmocnione zostaną również sygnały połączone („wspólne”).
Rozumiemy istotę tych terminów (ryc. 10).
Ryż. 10 Przesunięcie fazowe sygnału
Faza sygnału jest wartością charakteryzującą przesunięcie początku okresu sygnału w stosunku do początku czasu. Ponieważ zarówno pochodzenie czasu, jak i pochodzenie okresu są wybierane arbitralnie, faza jednego czasopismo sygnał nie ma fizycznego znaczenia. Jednak różnica faz między nimi czasopismo sygnały to wielkość, która ma znaczenie fizyczne, odzwierciedla opóźnienie jednego z sygnałów względem drugiego. To, co uważa się za początek okresu, nie ma znaczenia. Dla punktu początku okresu możesz przyjąć wartość zero z dodatnim nachyleniem. Jest to możliwe - maksymalnie. Wszystko jest w naszej mocy.
Na ryc. 9, czerwony oznacza sygnał oryginalny, zielony – przesunięty o ¼ okresu w stosunku do oryginału, a niebieski – o ½ okresu. Jeśli porównamy krzywą czerwoną i niebieską z krzywymi na ryc. 2, B widać, że są one wzajemnie odwrotność. Tak więc „sygnały w fazie” to sygnały, które pokrywają się ze sobą w każdym z ich punktów, a „sygnały przeciwfazowe” są odwrotność względem siebie.
Jednocześnie koncepcja inwersje szerszy niż pojęcie fazy, dlatego to ostatnie dotyczy tylko regularnie powtarzanych, okresowych sygnałów. A koncepcja inwersje zastosowanie do dowolnych sygnałów, w tym nieokresowych, takich jak sygnał audio, sekwencja cyfrowa lub stałe napięcie. Do faza jest wartością stałą, sygnał musi być okresowy co najmniej w określonym przedziale czasu. W przeciwnym razie zarówno faza, jak i okres zamieniają się w abstrakcje matematyczne.
Po drugie, wejścia odwracające i nieodwracające w połączeniu różnicowym, o równych wartościach Rooc = R1 i Rin1 = Rin2, będą miały różne rezystancje wejściowe. Jeżeli rezystancja wejściowa wejścia odwracającego jest określona tylko przez wartość Rin1, to wejście nieodwracające jest określone przez wartości sukcesywnie w zestawie Rin2 i R1 (nie zapomnieliście, że wejścia wzmacniacza operacyjnego nie pobierają prądu?). W powyższym przykładzie będą to odpowiednio 1 i 2 kΩ. A jeśli zwiększymy Rooc i R1, aby uzyskać pełnoprawny stopień wzmocnienia, różnica wzrośnie jeszcze bardziej: przy Ku \u003d 10 - odpowiednio do tego samego 1 kOhm i aż do 11 kOhm!
Niestety w praktyce zwykle ustalane są oceny Rin1 = Rin2 i Rooc = R1. Jest to jednak dopuszczalne tylko wtedy, gdy źródła sygnału dla obu wejść są bardzo niskie impedancja wyjściowa. W przeciwnym razie tworzy dzielnik z impedancją wejściową tego stopnia wzmacniającego, a ponieważ współczynnik podziału takich „dzielników” będzie inny, wynik jest oczywisty: wzmacniacz różnicowy o takich wartościach rezystorów nie spełni swojej funkcji tłumienia sygnałów w trybie wspólnym (połączonych) lub słabo wykonują tę funkcję .
Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu może być nierówność wartości rezystorów podłączonych do wejść odwracających i nieodwracających wzmacniacza operacyjnego. Mianowicie tak, że Rin2 + R1 = Rin1. Innym ważnym punktem jest osiągnięcie dokładnego przestrzegania równości (4). Z reguły osiąga się to poprzez podzielenie R1 na dwa rezystory - stałą, zwykle 90% pożądanej wartości, i zmienną (R2), której rezystancja wynosi 20% wymaganej wartości (ryc. 11, A).
Ryż. 11 opcji równoważenia wzmacniacza różnicowego
Ścieżka jest ogólnie akceptowana, ale znowu, przy tej metodzie równoważenia, aczkolwiek nieznacznie, impedancja wejściowa wejścia nieodwracającego się zmienia. O wiele bardziej stabilna opcja z włączeniem rezystora dostrajającego (R5) szeregowo z Rooc (ryc. 11, B), ponieważ Rooc nie uczestniczy w tworzeniu rezystancji wejściowej wejścia odwracającego. Najważniejsze jest, aby zachować stosunek ich nominałów, podobny do opcji „A” (Rooc / Rin1 = R1 / Rin2).
Ponieważ mówiliśmy o przełączaniu różnicowym i wspomnianych wzmacniaczach, chciałbym opisać jeden interesujący obwód (rys. 12).
Ryż. 12 Przełączany obwód wtórnika odwracającego/nieodwracającego
Sygnał wejściowy podawany jest jednocześnie na oba wejścia obwodu (odwracające i nieodwracające). Wartości znamionowe wszystkich rezystorów (Rin1, Rin2 i Rooc) są sobie równe (w tym przypadku przyjmijmy ich rzeczywiste wartości: 10 ... 100 kOhm). Wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego z kluczem SA może być połączone ze wspólną magistralą.
W pozycji zamkniętej klucza (ryc. 12, A) rezystor Rin2 nie uczestniczy w działaniu obwodu (przepływa przez niego tylko prąd „bezużyteczny” Ivx2 od źródła sygnału do wspólnej magistrali). dostajemy odwracający wyznawca ze wzmocnieniem równym minus 1 (patrz rys. 6). Ale z kluczem SA w pozycji otwartej (ryc. 12, B) otrzymujemy nieodwracający wyznawca z zyskiem równym +1.
Zasadę działania tego schematu można wyrazić w nieco inny sposób. Gdy klucz SA jest zamknięty, pracuje jako wzmacniacz odwracający ze wzmocnieniem równym minus 1, a gdy jest otwarty - jednocześnie(!) Oraz jako wzmacniacz odwracający ze wzmocnieniem minus 1 oraz jako wzmacniacz nieodwracający ze wzmocnieniem +2, skąd: Ku = +2 + (–1) = +1.
W tej postaci obwód ten może być używany, jeśli na przykład polaryzacja sygnału wejściowego jest nieznana na etapie projektowania (powiedzmy, z czujnika, który nie jest dostępny do momentu skonfigurowania urządzenia). Jeśli jednak jako klucz używany jest tranzystor (na przykład tranzystor polowy), sterowany z sygnału wejściowego za pomocą komparator(co zostanie omówione poniżej), otrzymujemy detektor synchroniczny(prostownik synchroniczny). Specyficzna implementacja takiego schematu oczywiście wykracza poza początkową znajomość działania systemu operacyjnego i nie będziemy tutaj omawiać tego szczegółowo.
A teraz rozważmy zasadę sumowania sygnałów wejściowych (rys. 13, A), a jednocześnie dowiemy się, jakie wartości rezystorów Rin i Rooc powinny być w rzeczywistości.
Ryż. 13 Zasada działania sumatora odwracającego
Jako podstawę przyjmujemy wzmacniacz odwracający omówiony już powyżej (ryc. 5), tylko do wejścia wzmacniacza operacyjnego podłączamy nie jeden, ale dwa rezystory wejściowe Rin1 i Rin2. Do tej pory dla celów „edukacyjnych” przyjmujemy rezystancję wszystkich rezystorów, w tym Rooc, równą 1 kOhm. Do lewych zacisków Rin1 i Rin2 doprowadzamy sygnały wejściowe równe +1 V. Przez te oporniki płyną prądy równe 1 mA (przedstawione strzałkami od lewej do prawej). Aby utrzymać ten sam potencjał na wejściu odwracającym jak na wejściu nieodwracającym (0 V), przez rezystor Rooc musi płynąć prąd równy sumie prądów wejściowych (1 mA + 1 mA = 2 mA) strzałka skierowana w przeciwnym kierunku (od prawej do lewej), dla której wyjście wzmacniacza operacyjnego musi mieć napięcie minus 2 V.
Ten sam wynik (napięcie wyjściowe minus 2 V) można uzyskać, gdy na wejście wzmacniacza odwracającego zostanie podane napięcie +2 V (rys. 5) lub wartość Rin zmniejszy się o połowę, tj. do 500 omów. Zwiększmy napięcie przyłożone do rezystora Rin2 do +2 V (rys. 13, B). Na wyjściu otrzymujemy napięcie minus 3 V, które jest równe sumie napięć wejściowych.
Wejścia mogą być nie dwa, ale tyle, ile chcesz. Zasada działania tego obwodu nie zmieni się od tego: napięcie wyjściowe w każdym przypadku będzie wprost proporcjonalne do sumy algebraicznej (biorąc pod uwagę znak!) prądów przepływających przez rezystory podłączone do wejścia odwracającego op -amp (odwrotnie proporcjonalne do ich ocen), niezależnie od ich liczby.
Jeśli natomiast na wejścia sumatora odwracającego zostaną podane sygnały równe +1 V i minus 1 V (rys. 13, B), to przepływające przez nie prądy będą w różnych kierunkach, zniosą każdy inne wyjście i wyjście będzie wynosić 0 V. Przez rezystor Rooc w tym przypadku nie popłynie żaden prąd. Innymi słowy, prąd przepływający przez Rooc jest sumowany algebraicznie z Wejście prądy.
Wynika z tego również ważna uwaga: podczas gdy pracowaliśmy z małymi napięciami wejściowymi (1...3 V), wyjście szeroko stosowanego wzmacniacza operacyjnego mogło z powodzeniem dostarczyć taki prąd (1...3 mA) dla Rooc i coś jeszcze pozostało dla obciążenia podłączonego do wyjścia wzmacniacza operacyjnego. Ale jeśli napięcia sygnałów wejściowych zostaną zwiększone do maksymalnego dopuszczalnego (zbliżonego do napięć zasilania), okazuje się, że cały prąd wyjściowy trafi do Rooc. Nic nie zostało do załadowania. A po co komu scena wzmacniająca, która działa „dla siebie”? Dodatkowo wartości rezystorów wejściowych wynoszące zaledwie 1 kΩ (odpowiednio określające rezystancję wejściową stopnia wzmacniacza odwracającego) wymagają przepłynięcia przez nie zbyt dużych prądów, mocno obciążających źródło sygnału. Dlatego w rzeczywistych obwodach rezystancję Rin dobiera się nie mniejszą niż 10 kOhm, ale pożądana jest również nie większa niż 100 kOhm, aby przy danym wzmocnieniu Rooc nie był ustawiony zbyt wysoko. Chociaż te wartości nie są bezwzględne, a jedynie szacują, jak mówią, „w pierwszym przybliżeniu” - wszystko zależy od konkretnego obwodu. W każdym razie niepożądane jest, aby prąd przepływający przez Rooc przekraczał 5 ... 10% maksymalnego prądu wyjściowego tego konkretnego wzmacniacza operacyjnego.
Zsumowane sygnały mogą być również podawane na wejście nieodwracające. Okazuje się sumator nieodwracający. W zasadzie taki obwód będzie działał dokładnie tak samo jak sumator odwracający, którego wyjściem będzie sygnał wprost proporcjonalny do napięć wejściowych i odwrotnie proporcjonalny do wartości rezystorów wejściowych. Jednak w praktyce jest używany znacznie rzadziej, ponieważ. zawiera „prowizję”, którą należy wziąć pod uwagę.
Ponieważ reguła 2 obowiązuje tylko dla wejścia odwracającego, które ma „wirtualny potencjał zerowy”, to wejście nieodwracające będzie miało potencjał równy sumie algebraicznej napięć wejściowych. Dlatego napięcie wejściowe dostępne na jednym z wejść będzie miało wpływ na napięcie dostarczane do innych wejść. Na wejściu nieodwracającym nie ma „wirtualnego potencjału”! W rezultacie trzeba zastosować dodatkowe sztuczki z obwodami.
Do tej pory rozważaliśmy obwody oparte na systemie operacyjnym z OOS. Co się stanie, jeśli opinia zostanie całkowicie usunięta? W tym przypadku otrzymujemy komparator(ryc. 14), tj. urządzenie, które porównuje bezwzględną wartość dwóch potencjałów na swoich wejściach (z angielskiego słowa porównywać- porównywać). Na jego wyjściu pojawi się napięcie zbliżone do jednego z napięć zasilania, w zależności od tego, który z sygnałów jest większy od drugiego. Zazwyczaj sygnał wejściowy podawany jest na jedno z wejść, a na drugie stałe napięcie, z którym jest porównywane (tzw. „napięcie odniesienia”). Może to być wszystko, w tym potencjał zerowy (ryc. 14, B).
Ryż. 14 Schemat włączenia wzmacniacza operacyjnego jako komparatora
Jednak nie wszystko jest takie dobre „w Królestwie Danii”… A co się stanie, jeśli napięcie między wejściami wynosi zero? Teoretycznie wyjście powinno również wynosić zero, ale w rzeczywistości - nigdy. Jeżeli potencjał na jednym z wejść nawet nieznacznie przewyższa potencjał drugiego, to już to wystarczy, aby na wyjściu wystąpiły chaotyczne skoki napięcia spowodowane przypadkowymi zakłóceniami indukowanymi na wejściach komparatora.
W rzeczywistości każdy sygnał jest „zaszumiony”, ponieważ ideał nie może być z definicji. A w obszarze zbliżonym do punktu równości potencjałów wejść na wyjściu komparatora zamiast jednoznacznego przełączenia pojawi się seria sygnałów wyjściowych. Aby zwalczyć to zjawisko, często wprowadzany jest obwód porównawczy histereza tworząc słaby dodatni PIC z wyjścia na wejście nieodwracające (Rysunek 15).
Ryż. 15 Zasada działania histerezy w komparatorze ze względu na POS
Przeanalizujmy działanie tego schematu. Jego napięcie zasilania wynosi ± 10 V (dla parzystego rachunku). Rezystancja Rin wynosi 1 kOhm, a Rpos 10 kOhm. Potencjał punktu środkowego jest wybierany jako napięcie odniesienia przyłożone do wejścia odwracającego. Czerwona krzywa pokazuje sygnał wejściowy dochodzący do lewego pinu Rin (wejście schemat komparatora), niebieski - potencjał na nieodwracającym wejściu wzmacniacza operacyjnego i zielony - sygnał wyjściowy.
Podczas gdy sygnał wejściowy ma ujemną polaryzację, wyjście jest ujemnym napięciem, które poprzez Rpos jest dodawane do napięcia wejściowego w odwrotnej proporcji do wartości odpowiednich rezystorów. W efekcie potencjał wejścia nieodwracającego w całym zakresie wartości ujemnych jest o 1 V (w wartości bezwzględnej) wyższy od poziomu sygnału wejściowego. Gdy tylko potencjał wejścia nieodwracającego będzie równy potencjałowi wejścia odwracającego (dla sygnału wejściowego będzie to + 1 V), napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego zacznie się przełączać z ujemnego do dodatniej polaryzacji. Całkowity potencjał na wejściu nieodwracającym rozpocznie się jak lawina stać się jeszcze bardziej pozytywnym, wspierając proces takiej zmiany. W rezultacie komparator po prostu „nie zauważy” nieznacznych wahań szumów sygnałów wejściowych i referencyjnych, ponieważ będą one o wiele rzędów wielkości mniejsze pod względem amplitudy niż opisany „krok” potencjału na wejściu nieodwracającym podczas przełączania .
Wraz ze spadkiem sygnału wejściowego, odwrotne przełączenie sygnału wyjściowego komparatora nastąpi przy napięciu wejściowym minus 1 V. Ta różnica między poziomami sygnału wejściowego prowadząca do przełączenia wyjścia komparatora, równa w naszym przypadku do łącznie 2 V, nazywa się histereza. Im większa rezystancja Rpos względem Rin (im mniejsza głębokość POS), tym mniejsza histereza przełączania. Tak więc przy Rpos \u003d 100 kOhm będzie to tylko 0,2 V, a przy Rpos \u003d 1 MΩ będzie to 0,02 V (20 mV). Histereza (głębokość PIC) dobierana jest na podstawie rzeczywistych warunków pracy komparatora w danym obwodzie. W którym 10 mV będzie dużo, a w którym - a 2 V będzie małe.
Niestety nie każdy wzmacniacz operacyjny i nie we wszystkich przypadkach może służyć jako komparator. Wyspecjalizowane mikroukłady porównawcze są produkowane w celu dopasowania sygnałów analogowych i cyfrowych. Niektóre z nich specjalizują się w podłączaniu do cyfrowych mikroukładów TTL (597CA2), niektóre - do cyfrowych mikroukładów ESL (597CA1), ale większość to tzw. „komparatory ogólnego użytku” (LM393/LM339/K554CA3/K597CA3). Ich główna różnica w stosunku do wzmacniaczy operacyjnych polega na specjalnym urządzeniu stopnia wyjściowego, który jest wykonany na tranzystorze z otwartym kolektorem (ryc. 16).
Ryż. 16 Stopień wyjściowy komparatora do zastosowań ogólnych
i jego połączenie z rezystorem obciążenia,
Wymaga to obowiązkowego użycia zewnętrznego rezystor obciążenia(R1), bez którego sygnał wyjściowy po prostu fizycznie nie jest w stanie wytworzyć wysokiego (dodatniego) poziomu wyjściowego. Napięcie +U2, do którego podłączony jest rezystor obciążenia, może różnić się od napięcia zasilania +U1 samego układu komparatora. Pozwala to w prosty sposób zapewnić pożądany poziom wyjściowy - czy to TTL, czy CMOS.
Notatka W większości komparatorów, których przykładem może być podwójny LM393 (LM193 / LM293) lub dokładnie taki sam w obwodach, ale poczwórny LM339 (LM139 / LM239), emiter tranzystora stopnia wyjściowego jest podłączony do ujemnego zacisku mocy, co nieco ogranicza ich zakres. W związku z tym chciałbym zwrócić uwagę na komparator LM31 (LM111/LM211), którego analogiem jest krajowy 521/554CA3, w którym zarówno kolektor, jak i emiter tranzystora wyjściowego są oddzielnie wyprowadzane, co może być podłączony do innych napięć niż napięcie zasilania samego komparatora. Jego jedyną i względną wadą jest to, że jest tylko jeden w 8-pinowej (czasem 14-pinowej) obudowie. |
Do tej pory rozważaliśmy obwody, w których sygnał wejściowy był podawany na wejście (wejścia) przez Rin, tj. oni wszyscy byli konwertery Wejście napięcie w dzień wolny Napięcie to samo. W tym przypadku prąd wejściowy płynął przez Rin. Co się stanie, jeśli jego opór jest równy zeru? Obwód będzie działał dokładnie w taki sam sposób, jak omówiony powyżej wzmacniacz odwracający, tylko impedancja wyjściowa źródła sygnału (Rout) będzie służyć jako Rin i otrzymamy przetwornik Wejście obecny w dzień wolny Napięcie(Rys. 17).
Ryż. 17 Schemat konwertera prądu na napięcie we wzmacniaczu operacyjnym
Ponieważ potencjał na wejściu odwracającym jest taki sam jak na wejściu nieodwracającym (w tym przypadku jest to „wirtualne zero”), cały prąd wejściowy ( Iw) przepłynie przez Rooc między wyjściem źródła sygnału (G) a wyjściem wzmacniacza operacyjnego. Rezystancja wejściowa takiego obwodu jest bliska zeru, co umożliwia budowanie na jego podstawie mikro/miliamperomierzy, które praktycznie nie wpływają na prąd płynący przez mierzony obwód. Być może jedynym ograniczeniem jest dopuszczalny zakres napięcia wejściowego wzmacniacza operacyjnego, którego nie należy przekraczać. Może być również wykorzystany do budowy np. liniowego przetwornika prądu na napięcie fotodiody i wielu innych obwodów.
Rozważyliśmy podstawowe zasady działania systemu operacyjnego w różnych schematach jego włączenia. Pozostaje jedno ważne pytanie: jedzenie.
Jak wspomniano powyżej, wzmacniacz operacyjny ma zwykle tylko 5 pinów: dwa wejścia, wyjście i dwa piny zasilania, dodatni i ujemny. W ogólnym przypadku stosuje się zasilanie bipolarne, to znaczy zasilacz ma trzy wyjścia o potencjałach: + U; 0; -U.
Jeszcze raz uważnie rozważ wszystkie powyższe liczby i zobacz, że oddzielne wyjście punktu środkowego we wzmacniaczu operacyjnym NIE ! Po prostu nie jest to potrzebne, aby ich wewnętrzne obwody działały. W niektórych obwodach wejście nieodwracające było podłączone do punktu środkowego, jednak nie jest to regułą.
W konsekwencji, przytłaczający większość nowoczesne wzmacniacze operacyjne są przeznaczone do zasilania JEDNOBIEGUNOWY napięcie! Powstaje logiczne pytanie: „Po co więc nam dwubiegunowa moc”, skoro tak uparcie i z godną pozazdroszczenia wytrwałością przedstawialiśmy ją na rysunkach?
Okazuje się, że to po prostu bardzo wygodnie w celach praktycznych z następujących powodów:
A) Aby zapewnić wystarczające wahania prądu i napięcia wyjściowego przez obciążenie (rys. 18).
Ryż. 18 Przepływ prądu wyjściowego przez obciążenie z różnymi opcjami zasilania wzmacniacza operacyjnego
Na razie nie będziemy brać pod uwagę obwodów wejściowych (i OOS) obwodów pokazanych na rysunku („czarna skrzynka”). Przyjmijmy za pewnik, że na wejście jest podawany sygnał sinusoidalny (czarna sinusoida na wykresach), a wyjściem jest ten sam sygnał sinusoidalny, wzmocniony w stosunku do wejściowej kolorowej sinusoidy na wykresach).
Podczas podłączania obciążenia Rload. między wyjściem wzmacniacza operacyjnego a punktem środkowym podłączenia zasilaczy (GB1 i GB2) - rys. 18, A, prąd przepływa przez obciążenie symetrycznie wokół punktu środkowego (odpowiednio czerwona i niebieska półfala), a jego amplituda jest maksymalna, a amplituda napięcia przy Robciążeniu. także maksymalne możliwe - może osiągnąć prawie napięcia zasilania. Prąd ze źródła zasilania o odpowiedniej polaryzacji jest zamknięty przez system operacyjny, Rload. oraz źródło zasilania (czerwone i niebieskie linie pokazujące przepływ prądu w odpowiednim kierunku).
Ponieważ wewnętrzna rezystancja zasilaczy wzmacniacza operacyjnego jest bardzo niska, prąd płynący przez obciążenie jest ograniczony jedynie przez jego rezystancję i maksymalny prąd wyjściowy wzmacniacza operacyjnego, który zwykle wynosi 25 mA.
Gdy wzmacniacz operacyjny jest zasilany napięciem jednobiegunowym, jak wspólny autobus wybierany jest zwykle biegun ujemny (ujemny) źródła zasilania, do którego podłączone jest drugie wyjście obciążenia (rys. 18, B). Teraz prąd płynący przez ładunek może płynąć tylko w jednym kierunku (pokazany czerwoną linią), drugi kierunek po prostu nie ma skąd pochodzić. Innymi słowy, prąd płynący przez obciążenie staje się asymetryczny (pulsujący).
Nie da się jednoznacznie stwierdzić, że ta opcja jest zła. Jeśli ładunek jest, powiedzmy, dynamiczną głowicą, to dla niego jest jednoznacznie zły. Istnieje jednak wiele zastosowań, w których podłączenie obciążenia pomiędzy wyjście wzmacniacza operacyjnego a jedną z szyn zasilających (zazwyczaj biegunowość ujemna) jest nie tylko dopuszczalne, ale także jedyne możliwe.
Jeżeli jednak konieczne jest zapewnienie symetrii przepływu prądu przez obciążenie przy jednobiegunowym zasilaniu, to konieczne jest galwaniczne odsprzęgnięcie go od wyjścia wzmacniacza operacyjnego za pomocą kondensatora galwanicznego C1 (rys. 18, B ).
B) Aby zapewnić wymagany prąd wejścia odwracającego, a także wiązania sygnały wejściowe do niektórych dowolnie wybrany poziom przyjęty dla odniesienia (zero) - ustawienie trybu pracy systemu operacyjnego dla prądu stałego (ryc. 19).
Ryż. 19 Podłączanie źródła sygnału wejściowego z różnymi opcjami zasilania wzmacniacza operacyjnego
Rozważmy teraz opcje podłączenia źródeł sygnału wejściowego, wyłączając z rozważania podłączenie obciążenia.
Podłączenie wejść odwracających i nieodwracających do punktu środkowego przyłącza zasilania (rys. 19, A) zostało uwzględnione przy analizie podanych wcześniej schematów. Jeśli wejście nieodwracające nie pobiera prądu i po prostu akceptuje potencjał punktu środkowego, to przez połączone szeregowo źródło sygnału (G) i Rin, prąd płynie, zamykając się przez odpowiednie źródło zasilania! A ponieważ ich rezystancje wewnętrzne są znikome w porównaniu z prądem wejściowym (wiele rzędów wielkości mniej niż Rin), praktycznie nie wpływa to na napięcie zasilania.
Tak więc przy jednobiegunowym zasilaniu wzmacniacza operacyjnego można dość łatwo uformować potencjał dostarczany do jego wejścia nieodwracającego za pomocą dzielnika R1R2 (rys. 19, B, C). Typowe wartości rezystorów tego dzielnika wynoszą 10 ... 100 kOhm i bardzo pożądane jest zboczenie dolnego (podłączonego do wspólnej szyny ujemnej) kondensatorem o 10 ... 22 mikrofaradów w celu znacznego zmniejszenia wpływ tętnień napięcia zasilania na potencjał takich sztuczny środkowy punkt.
Jednak podłączenie źródła sygnału (G) do tego sztucznego punktu środkowego jest wyjątkowo niepożądane ze względu na ten sam prąd wejściowy. Zgadnijmy. Nawet przy wartościach znamionowych dzielnika R1R2 = 10 kOhm i Rin = 10…100 kOhm, prąd wejściowy Iw będzie w najlepszym przypadku 1/10, aw najgorszym - do 100% prądu przepływającego przez dzielnik. W konsekwencji potencjał na wejściu nieodwracającym będzie „unosić się” o tę samą wartość w połączeniu (w fazie) z sygnałem wejściowym.
Aby wyeliminować wzajemny wpływ wejść na siebie podczas wzmacniania sygnałów DC przy takim połączeniu, dla źródła sygnału konieczne jest zorganizowanie oddzielnego potencjału sztucznego punktu środkowego, utworzonego przez rezystory R3R4 (rys. 19, B) lub , jeśli sygnał AC jest wzmacniany, galwanicznie odizoluj źródło sygnału od wejścia odwracającego przez kondensator C2 (rys. 19, B).
Należy zauważyć, że na powyższych wykresach (rys. 18, 19) domyślnie założyliśmy, że sygnał wyjściowy powinien być symetryczny względem środka zasilaczy lub sztucznego środka. W rzeczywistości nie zawsze jest to konieczne. Dość często chcesz, aby sygnał wyjściowy miał głównie biegunowość dodatnią lub ujemną. Dlatego wcale nie jest konieczne, aby dodatnia i ujemna polaryzacja zasilania były równe w wartości bezwzględnej. Jeden z nich może mieć znacznie mniejszą wartość bezwzględną niż drugi - tylko w taki sposób, aby zapewnić normalne funkcjonowanie systemu operacyjnego.
Powstaje logiczne pytanie: „Który dokładnie?” Aby na to odpowiedzieć, rozważmy pokrótce dopuszczalne zakresy napięć sygnałów wejściowych i wyjściowych wzmacniacza operacyjnego.
Dla dowolnego wzmacniacza operacyjnego potencjał wyjściowy nie może być wyższy niż potencjał dodatniej szyny zasilającej i niższy niż potencjał ujemnej szyny zasilającej. Innymi słowy, napięcie wyjściowe nie może wykraczać poza granice napięć zasilania. Na przykład, dla wzmacniacza operacyjnego OPA277, napięcie wyjściowe przy rezystancji obciążenia 10 kΩ jest o 2 V mniejsze od dodatniej szyny zasilającej i 0,5 V mniejsze od ujemnej szyny zasilającej. Szerokość tych „martwych stref” napięcia wyjściowego , którego wyjście wzmacniacza operacyjnego nie może osiągnąć, zależy od czynników szeregowych, takich jak obwody stopnia wyjściowego, rezystancja obciążenia itp.). Istnieją wzmacniacze operacyjne, które mają minimalne martwe strefy, na przykład 50 mV do napięcia szyny zasilającej przy obciążeniu 10 kΩ (dla OPA340), ta cecha wzmacniacza operacyjnego nazywana jest „rail-to-rail” (R2R).
Z drugiej strony, dla wzmacniaczy operacyjnych ogólnego przeznaczenia, sygnały wejściowe również nie powinny przekraczać napięcia zasilania, a dla niektórych powinny być mniejsze niż 1,5 ... 2 V. Istnieją jednak wzmacniacze operacyjne z określonymi obwodami stopnia wejściowego (np. te same LM358/LM324), które potrafią pracować nie tylko z ujemnego poziomu mocy, ale nawet „ujemnie” po 0,3 V, co znacznie ułatwia ich stosowanie z jednobiegunowym zasilaczem ze wspólną ujemną szyną.
Przyjrzyjmy się wreszcie i poczujmy te „pajęczaki”. Możesz nawet powąchać i lizać. Pozwalam. Rozważ ich najczęstsze opcje dostępne dla początkujących radioamatorów. Zwłaszcza jeśli musisz wlutować wzmacniacz operacyjny ze starego sprzętu.
W przypadku wzmacniaczy operacyjnych starych konstrukcji, które koniecznie wymagają zewnętrznych obwodów do korekcji częstotliwości, w celu zapobieżenia samowzbudzeniu, typowe były dodatkowe wnioski. Z tego powodu niektóre wzmacniacze operacyjne nie „pasowały” nawet do 8-pinowej obudowy (rys. 20, A) i były wykonane z 12-pinowego okrągłego metalu-szkła, na przykład K140UD1, K140UD2, K140UD5 (rys. 20 , B) lub w 14-pinowych obudowach DIP, np. K140UD20, K157UD2 (rys. 20, B). Skrót DIP jest skrótem od angielskiego wyrażenia „Dual In line Package” i tłumaczy się jako „dwustronny pakiet”.
Okrągła metalowo-szklana obudowa (ryc. 20, A, B) była używana jako główna do importowanych wzmacniaczy operacyjnych do około połowy lat 70., a do domowych wzmacniaczy operacyjnych - do połowy lat 80., a obecnie jest używana do tak zwany. wnioski „wojskowe” („piąta akceptacja”).
Czasami domowe op-ampy były umieszczane w obecnie dość „egzotycznych” obudowach: 15-stykowy prostokątny metal-szkło do hybrydy K284UD1 (rys. 20, D), w której kluczem jest dodatkowy 15 pin z obudowy i inne . To prawda, że osobiście nie spotkałem płaskich 14-pinowych pakietów (ryc. 20, E) do umieszczania w nich wzmacniacza operacyjnego. Były używane do obwodów cyfrowych.
Ryż. 20 Przypadków domowych wzmacniaczy operacyjnych
Współczesne wzmacniacze operacyjne w większości zawierają obwody korekcyjne bezpośrednio na chipie, co pozwalało obejść się z minimalną liczbą pinów (na przykład 5-pinowy SOT23-5 dla pojedynczego wzmacniacza operacyjnego - Rys. 23). Umożliwiło to umieszczenie w jednej obudowie od dwóch do czterech całkowicie niezależnych (poza wspólnymi wyjściami mocy) wzmacniaczy operacyjnych wykonanych na jednym układzie scalonym.
Ryż. 21 Dwurzędowe plastikowe obudowy nowoczesnych wzmacniaczy operacyjnych do montażu wyjść (DIP)
Czasami można znaleźć wzmacniacze operacyjne umieszczone w jednorzędowych pakietach 8-pinowych (ryc. 22) lub 9-pinowych (SIP) - K1005UD1. Skrót SIP jest skrótem od angielskiego wyrażenia „Single In line Package” i tłumaczy się jako „obudowa z jednokierunkowym pinoutem”.
Ryż. 22 Jednorzędowa plastikowa obudowa podwójnych wzmacniaczy operacyjnych do montażu przez otwór (SIP-8)
Zostały zaprojektowane tak, aby zminimalizować miejsce zajmowane na płycie, ale niestety były „spóźnione”: do tego czasu stały się pakiety do montażu powierzchniowego (SMD - Surface Mounting Device) poprzez lutowanie bezpośrednio do torów płyty (rys. 23) rozpowszechniony. Jednak dla początkujących ich użycie przedstawia znaczne trudności.
Ryż. 23 Przypadki nowoczesnych importowanych wzmacniaczy operacyjnych do montażu powierzchniowego (SMD)
Bardzo często ten sam mikroukład może być „zapakowany” przez producenta w różne opakowania (ryc. 24).
Ryż. 24 opcje umieszczenia tego samego chipa w różnych pakietach
Wnioski wszystkich mikroukładów mają numerację sekwencyjną, liczoną od tzw. „klucz”, wskazujący położenie wyjścia o numerze 1. (rys. 25). W każdy jeśli załatwisz sprawę z leadami Naciskać, ich numeracja idzie w porządku rosnącym przeciwko zgodnie ze wskazówkami zegara!
Ryż. 25 Przypisanie pinów wzmacniacza operacyjnego
w różnych przypadkach (pinout), widok z góry;
kierunek numeracji pokazany strzałkami
W okrągłych obudowach metalowo-szklanych klucz ma postać bocznego występu (ryc. 25, A, B). Tutaj, z lokalizacji tego klucza, możliwe są ogromne „grabie”! W krajowych obudowach 8-stykowych (302,8) klucz znajduje się naprzeciwko pierwszego kołka (ryc. 25, A), aw importowanym TO-5 - naprzeciwko ósmego kołka (ryc. 25, B). W obudowach 12-stykowych, zarówno krajowych (302.12), jak i importowanych, klucz znajduje się pomiędzy wnioski pierwszy i dwunasty.
Zazwyczaj wejście odwracające, zarówno w okrągłych obudowach szklano-metalowych, jak i DIP, jest podłączone do 2. pinu, wejście nieodwracające do 3. pinu, wyjście do 6. pinu, minus zasilania do 4. pinu i moc plusa do pinu 4. 7th. Są jednak wyjątki (kolejny możliwy "rake"!) W wyprowadzeniu OU K140UD8, K574UD1. W nich numeracja wniosków jest przesunięta o jeden w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara w porównaniu do ogólnie przyjętej dla większości innych typów, tj. są podłączone do zacisków, jak w przypadku importu (ryc. 25, B), a numeracja odpowiada krajowym (ryc. 25, A).
W ostatnich latach większość „celów domowych” OS zaczęto umieszczać w plastikowych walizkach (ryc. 21, 25, C-D). W takich przypadkach kluczem jest albo wgłębienie (kropka) naprzeciw pierwszego kołka, albo wycięcie na końcu obudowy między kołkiem pierwszym i 8 (DIP-8) lub 14 (DIP-14) albo faza wzdłuż pierwsza połowa szpilek (ryc. 21, środek). Numeracja pinów w tych przypadkach również idzie przeciwko zgodnie ze wskazówkami zegara patrząc z góry (z wnioskami z dala od ciebie).
Jak wspomniano powyżej, wewnętrznie skorygowane wzmacniacze operacyjne mają łącznie pięć wyjść, z których tylko trzy (dwa wejścia i wyjście) należą do każdego pojedynczego wzmacniacza operacyjnego. Umożliwiło to umieszczenie dwóch całkowicie niezależnych (z wyjątkiem mocy plus i minus, które wymagają dwóch dodatkowych pinów) wzmacniaczy operacyjnych na jednym chipie w jednej 8-pinowej obudowie (rys. 25, D), a nawet czterech w 14 -pakiet pinów (rys. 25, D). W rezultacie obecnie większość wzmacniaczy operacyjnych jest produkowana co najmniej w dwóch, na przykład TL062, TL072, TL082, tani i prosty LM358 itp. Dokładnie tak samo w strukturze wewnętrznej, ale poczwórne - odpowiednio TL064, TL074, TL084 i LM324.
Jeśli chodzi o krajowy odpowiednik LM324 (K1401UD2), jest jeszcze jedna „prowizja”: jeśli w LM324 plus zasilania jest podłączony do 4 pinu, a minus do 11, to w K1401UD2 jest odwrotnie: plus mocy jest doprowadzany do 11-go pinu, a minus - do 4-go. Jednak ta różnica nie powoduje żadnych trudności z okablowaniem. Ponieważ wyprowadzenie pinów wzmacniacza operacyjnego jest całkowicie symetryczne (ryc. 25, E), wystarczy obrócić obudowę o 180 stopni, aby pierwszy pin zajął miejsce ósmego. Tak, to wszystko.
Kilka słów o etykietowaniu importowanych jednostek organizacyjnych (i nie tylko). W przypadku szeregu opracowań pierwszych 300 oznaczeń cyfrowych zwyczajowo określano grupę jakości pierwszą cyfrą kodu cyfrowego. Na przykład, wzmacniacze operacyjne LM158/LM258/LM358, komparatory LM193/LM293/LM393, regulowane trójstykowe stabilizatory TL117/TL217/TL317 itp. są całkowicie identyczne w budowie wewnętrznej, ale różnią się zakresem temperatur pracy. Dla LM158 (TL117) zakres temperatur pracy wynosi od minus 55 do +125...150 stopni Celsjusza (tzw. zakres „bojowy” lub wojskowy), dla LM258 (TL217) - od minus 40 do +85 stopni (" przemysłowy) oraz dla LM358 (TL317) - od 0 do +70 stopni (zakres "domowy"). Jednocześnie cena za nie może być zupełnie nieodpowiednia dla takiej gradacji lub nieznacznie różnić się ( nieprzeniknione sposoby ustalania cen!). Można je więc kupić z dowolnym oznaczeniem dostępnym „na kieszeń” początkującego, bez szczególnego gonienia za pierwszą „trojką”.
Po wyczerpaniu pierwszych trzystu oznaczeń cyfrowych grupy niezawodnościowe zaczęto oznaczać literami, których znaczenie jest odszyfrowywane w arkuszach danych (Datasheet dosłownie tłumaczy się jako „tabela danych”) dla tych komponentów.
Wniosek
Przestudiowaliśmy więc „alfabet” działania wzmacniacza operacyjnego, przechwytując trochę i komparatory. Następnie musisz nauczyć się dodawać słowa, zdania i całe znaczące „kompozycje” (wykonalne schematy) z tych „liter”.
Niestety „nie da się ogarnąć ogromu”. Jeśli materiał przedstawiony w tym artykule pomógł zrozumieć, jak działają te „czarne skrzynki”, to dalsze pogłębienie analizy ich „wypychania”, wpływu charakterystyk wejściowych, wyjściowych i przejściowych jest zadaniem bardziej zaawansowanych badań. Informacje na ten temat są szczegółowo i dokładnie opisane w różnych istniejących publikacjach. Jak mawiał dziadek William of Ockham: „Jednostki nie powinny być mnożone ponad to, co konieczne”. Nie ma potrzeby powtarzać tego, co zostało już dobrze opisane. Wystarczy, że nie będziesz leniwy i przeczytaj.
11. http://www.texnic.ru/tools/lekcii/electronika/l6/lek_6.html
Dlatego pozwól, że odejdę, z szacunkiem itp. autor Aleksiej Sokolyuk ()
Zadaniem regulatorów jest ustawienie i utrzymanie na zadanym poziomie (parametr nastawczy) pewnej wartości fizycznej X (wartość regulowana). W tym celu regulator musi w określony sposób przeciwdziałać skutkom zakłóceń.
Schemat blokowy prostej pętli sterowania pokazano na ryc. 26.1. Regulator oddziałuje na zmienną regulowaną X za pomocą zmiennej sterującej w taki sposób, aby odchylenie regulacji było jak najmniejsze. Zaburzenie wpływające na obiekt sterowania może być formalnie reprezentowane przez wielkość interferencji, która jest addytywnie nałożona na parametr nastawczy. Poniżej wyjdziemy z założenia, że regulowaną zmienną jest napięcie elektryczne i że obiekt jest regulowany elektrycznie. Dlatego można zastosować sterownik elektroniczny.
Najprostszym przykładem takiego regulatora jest wzmacniacz, do którego wejścia doprowadzona jest odchyłka wartości regulowanej.Jeżeli wartość regulowana X przekroczy zadaną wartość, różnica staje się ujemna. W rezultacie działanie regulacyjne Y jest odpowiednio zmniejszone w odpowiednio większej skali.To zmniejszenie kompensuje różnicę. W stanie ustalonym niedopasowanie szczątkowe jest tym mniejsze, im większe jest wzmocnienie regulatora. Dla układu liniowego przedstawionego na ryc. 26.1, relacje są ważne
Ryż. 26.1. Schemat blokowy pętli sterowania.
Stąd otrzymujemy wyrażenie do wyznaczania zmiennej sterowanej
Oczywiste jest, że zdolność systemu do śledzenia zmiany parametru nastawy jest bliższa 1, im większe jest wzmocnienie pętli sprzężenia zwrotnego:
Odpowiedź przejściowa przy zakłóceniu jest im bliższa zeru, tym większe jest wzmocnienie regulatora. Należy jednak wziąć pod uwagę fakt, że wzmocnienie pętli sprzężenia zwrotnego nie może być dowolnie duże, gdyż wtedy nieuniknione przesunięcie fazowe w pętli sterowania będzie prowadzić do oscylacji. Z podobnym problemem spotkaliśmy się już przy rozpatrywaniu korekcji odpowiedzi częstotliwościowej wzmacniaczy operacyjnych. Zadaniem regulacji jest zapewnienie, pomimo tych ograniczeń, jak najmniejszego niedopasowania regulacji i dobrej odpowiedzi przejściowej. W tym celu do wzmacniacza liniowego dodawany jest integrator i różniczkujący iw ten sposób zamiast regulatora proporcjonalnego (regulatora) otrzymuje się regulator PI lub PID. Kolejne rozdziały poświęcone są realizacji takiego sterownika z wykorzystaniem układów elektronicznych.
Aby uprościć proces budowania regulatora prądu na wzmacniaczach operacyjnych, przekształcamy jego PF (8) w następujący sposób:
(8")
Pierwszy termin w (8") to iloczyn ogniwa izodromicznego i aperiodycznego, drugi to ogniwo aperiodyczne, trzeci to ogniwo różniczkujące inercjalne. Z kursu "Elektronika" wiadomo jak montować te ogniwa na wzmacniaczach operacyjnych .
Rysunek 10 - Regulator prądu na wzmacniaczach operacyjnych
Układ, jak widać, składa się z trzech równoległych gałęzi, zamkniętych wyjściami do sumatora odwracającego na wzmacniaczu operacyjnym, a więc sygnał wyjściowy ty 2
zostanie odwrócony w stosunku do danych wejściowych ty 1
. W razie potrzeby zgoda ty 1
oraz ty 2
będziesz musiał umieścić dodatkowy falownik na wyjściu sumatora. Technika ta została zastosowana w środkowej gałęzi obwodu, ponieważ łącze aperiodyczne zbudowane jest na odwracającym wzmacniaczu operacyjnym. Górna gałąź odpowiada za PF
. Iloczyn łączy izodromicznych i aperiodycznych uzyskuje się poprzez szeregowe łączenie ich obwodów na odwracających wzmacniaczach operacyjnych, a ponieważ każde łącze odwraca sygnał, nie jest wymagane dopasowanie wejścia i wyjścia górnej gałęzi. Dolna gałąź, która implementuje dynamiczne połączenie bezwładnościowe, nie odwraca sygnału wejściowego.
Obliczmy parametry obwodu. Wiadomo, że
zapytawszy R 1 =R 3 =R 5 = R 8 =R 12 =R 17 =R 18 = 500 omów, R 13 = 300 omów, R 14 = 50 omów otrzymujemy to Z 1 ==
= 240 uF, Z 2 =Z 3 ==
= 10 uF, Z 4 =
=
= 40 uF, R 2 = =
= 380 omów, R 4 =R 6 =R 9 =R 10 =R 11 =R 16 = 500 omów, R 7 = 110 omów, R 15 =
=
=
= 310 omów.
2.3AmLahx - program do konstruowania asymptotycznych lachów i syntezowania sterowników przy użyciu pożądanej metody lahx
2.3.1 Ogólne informacje o programie
Program AmLAHX jest przeznaczony do pracy w środowisku MatLab6.0 lub wyższym i zapewnia użytkownikowi następujące funkcje:
posiada interfejs GUI;
konstruuje asymptotyczne LAFC obiektów dynamicznych podanych w postaci transmitancji;
buduje w trybie dialogowym żądane LAFC systemu otwartego zgodnie z określonymi kryteriami jakości, w tym program pozwala użytkownikowi wybrać odcinki współpracujące (ich nachylenia) w zależności od typu LAFC obiektu kontrolnego;
zapewnia automatyczne odejmowanie od LAFC układu otwartej pętli LAFC obiektu sterującego, a tym samym konstrukcję LAFC sterownika, zwraca pasujące częstotliwości i nachylenia asymptot, co ułatwia zapisanie jej funkcji przenoszenia za pomocą funkcji LAFC kontrolera (w przyszłych wersjach program zrobi to automatycznie);
wszystkie LAF są wykreślane z asymptotowymi nachyleniami, użytkownik może zdefiniować kolory każdego LAF z osobna, a także format etykiet na wykresach (grubość, wysokość).
2.3.2 Wiersz poleceń programu
Wygląda na to, że kompletny wiersz poleceń do uruchomienia programu
yy= amlahx( liczba,legowisko, flaga, param),
gdzie liczba oraz legowisko- odpowiednio licznik i mianownik PF obiektu kontrolnego, liczba oraz legowisko muszą być wektorami napisanymi w formacie MatLab (patrz przykład poniżej);
flaga- tryb pracy (1 (domyślny) lub 2);
param- wektor 6 elementów (liczby), odpowiednio 1, 2 i 3 elementy, grubość LAF OU, RS i UU, 4, 5 i 6 - kolory tych LAF (domyślnie grubość wszystkich LAF to 1, kolory to odpowiednio czerwony, niebieski i zielony).
AmLAHX bez parametrów działa w trybie demo, w tym przypadku
liczba= ,legowisko = ,flaga= 2.
- Normy i wycinek dostaw gazu Jaki gazociąg dla budynków mieszkalnych
- Siły Zbrojne Federacji Rosyjskiej: najemcy budynku mieszkalnego nie są uprawnieni do korzystania z parkingu dla gości na dziedzińcu domu do stałego parkowania swoich samochodów
- Zaawansowane szkolenia z mieszkalnictwa i usług komunalnych Kursy z mieszkalnictwa i usług komunalnych
- Przedstawmy dziecku ubrania po angielsku