מגברי תפעול. חלק 2. המגבר התפעולי המושלם

כדי להבין טוב יותר את העקרונות של בניית מעגלים באמצעות מגברים תפעוליים, הם משתמשים לרוב במושג מגבר תפעולי אידיאלי. מה האידיאליות שלה, התכונות הנפלאות שלה? אין כל כך הרבה מהם, אך כולם נוטים לאפס, או אפילו לאינסוף. אבל מתנהג ככה מגבר תפעולי לא מכוסה על ידי משוב (OS) ובאופן כללי אין קשרים חיצוניים.

במאמר זה ננסה לדבר על משוב ועל כמה סכמות הכוללות מגברים תפעוליים מבלי להזכיר נוסחאות מתמטיות מסורבלות עם אינטגרלים. אך חלקם, די פשוטים ומובנים, ברמה של כיתה ח 'בבית הספר, שיעזרו להבין את המשמעות הכללית, עדיין לא ניתן להימנע מהם.

הרווח

עם רווח "משתולל" כזה, די להחיל רק כמה מיקרו וולט על כניסותיו (למשל, הפרעות חשמל) כדי לקבל מתח יציאה קרוב ל 15 וולט. מצב זה מצביע על רוויה בפלט.

ראוי לזכור את אותה מדינה בטרנזיסטורים. באופן טבעי, בצורה זו לא מתקבל רווח כלל. לכן, מגברים תפעוליים אמיתיים מכוסים תמיד על ידי משוב שלילי, שיידון בהמשך.

אם כי יש לציין כי לעתים קרובות משתמשים במגברים תפעוליים ללא משוב, ובמקרים מסוימים עם משוב חיובי. יישום זה נמצא ב- משווים - התקנים להשוואה מדויקת של אותות אנלוגיים. משווים זמינים בצורה של מעגלים מיקרו מיוחדים, והם גם חלק ממעגלי מיקרו אחרים. רק תזכרו את האגדי טיימר משולב NE555, המכיל בתוכו שני משווים.

היסטוריה כמעט אחרונה

בפעם אחת שליטה תעשיית האלקטרוניקה המקומית גם בייצור מגברים תפעוליים. המגבר התפעולי הראשון היה K1UT401A (B), לאחר מכן שונה שמו ל- K140UD1 עם אותן אותיות בסוף. אם כן, בהיותו עותק כמעט מדויק של האח האמריקני UA702, האנלוגי עם האות A במתח אספקה ​​של ± 6V היה בעלייה בטווח של 500 ... 4500, ועם האות B (± 12V) 1500 ... 13000.

בסטנדרטים מודרניים זה פשוט מגוחך, אך עם זאת, עדיין ניתן למצוא מגברים ארכאיים אלה. אבל אפילו עם רווח "קטן" כזה, אי אפשר היה לעשות זאת ללא משוב שלילי.

ובדיוק המראה של מגברים תפעוליים בעיצוב משולב הכניס רכיב אוניברסלי זה למעגלים תעשייתיים, ביתיים וחובבים. אחרי הכל, עליכם להודות שלא ניתן היה להשתמש במגבר תפעולי עם צינורות אלקטרוניים או אפילו אפשרות טרנזיסטור, למעט בהגדרות AVM.

כניסות ויציאות של מגברים תפעוליים

למגבר התפעולי שתי כניסות ויציאה אחת וכמובן שתי יציאות לאספקת מתח. זו מערכת המסקנות המינימלית שהיא חיונית. ככה זה בדיוק עם מרבית המגברים התפעוליים המודרניים. פעם היו מסקנות לחיבור אלמנטים של תיקון תדר ואיזון.

המזון הוא לרוב דו קוטבי עם נקודת אמצע, המאפשרת לבצע הגברה באמצעות מתח קבוע. במקרה זה מקובל בדרך כלל שתחום התדרים של מגברי התפעול מתחיל מ- 0 הרץ, והתדר העליון מוגבל הן על ידי סוג המגבר התפעולי עצמו, המעגל הפנימי שלו וסוג הטרנזיסטורים ומעגל המיתוג שלו.

רוחב הפס של מגבר תפעולי אידיאלי נמשך מ- DC עד אינסוף.כמו כן, המהירות או קצב השינה של אות הפלט נוטים לאינסוף. אבל לא נשקול את הנושא הזה לעת עתה.

מה משפר את המגבר התפעולי

מתח היציאה של המגבר התפעולי פרופורציונלי להפרש המתח בכניסותיו. במקרה זה, רמת האותות המוחלטת, כמו גם קוטביותם, אינם ממלאים תפקיד מיוחד. רק ההבדל חשוב. ומכיוון שכל המונחים באלקטרוניקה הגיעו מהשפה האנגלית, הגיע הזמן לזכור את המילה "שונה", שפירושה הטרוגני, הבדל (המילון "מולטיטראן"), והמגברים של עיקרון הפעולה הזה נקראים דיפרנציאל.

מה לא מגביר את המגבר התפעולי

כאן נוכל גם להיזכר בתכונה כה נפלאה של מגברים תפעוליים כמו הנחתה של אות במצב משותף: אם אותו האות מוחל על שתי הכניסות, הוא לא יוגבר. משתמשים בזה בעת החלת אות על חוטים ארוכים: לאות השימושי יש שלב שונה, ואילו אות ההפרעה בשתי הכניסות זהה.

מה ניתן להשיג בפלט המגבר התפעולי

עכבת הפלט של מגבר תפעולי אידיאלי נוטה לאפס, מה שבאופן תיאורטי מאפשר לך לקבל אות גדול באופן שרירותי, אינסופי בדיוק ביציאה. למעשה, מתח היציאה של מגבר תפעולי אמיתי מוגבל על ידי המתח של מקורות הכוח: אם מתח אספקה ​​דו קוטבי, למשל ± 15V, פשוט אי אפשר להשיג +20 או -25 ביציאה.

זאת ביחס להגברה של מתחים קבועים. במקרה של הגברה למשל סינוסואיד בפלט, יש לקבל גם סינוסואיד שהמשרעת שלו אינה עולה על מתח האספקה.

מתחי הקלט והיציאה אינם יכולים להיות גבוהים מהמתח של מקורות הכוח. לדוגמה, כאשר מופעל על ידי ± 15 וולט, מתח היציאה נמוך יותר ב 0.5 ... 1.5 וולט. אבל כמה מעגלי מיקרו מודרניים מאפשרים להגיע שווים למתח האספקה ​​בפלט והכניסה. מאפיין זה בגיליונות נתונים מכונה רכבת לרכבת, פשוטו כמשמעו "צמיג לצמיג". בבחירת מגבר תפעולי, כדאי לשים לב לנכס זה.

עכבת קלט

עכבת הקלט של שתי כניסות המגבר התפעולי גדולה מאוד ונמצאת בתוך מאות מגהום, ובמקרים מסוימים אפילו ג'יגאום. לשם השוואה: ל- K1UT401 שהוזכר לעיל הייתה עכבת קלט של עשרות בודדות של kOhm בלבד.

עכבת הכניסה כמובן לא מגיעה לאינסוף, כמו מגבר תפעולי אידיאלי, אך היא עדיין כל כך גדולה שהיא לא משפיעה על רמות אות הקלט. מכאן ניתן להסיק כי שום זרם לא זורם בתשומות. זהו אחד העקרונות העיקריים המשמשים בחישוב וניתוח מעגלים על מגברים תפעוליים. לעת עתה, אתה רק צריך לזכור את זה.

ההצהרה האחרונה מתייחסת ישירות למגברי תפעול. עכבת כניסה גבוהה כזו טמונה במגברי התפעול עצמם, אך עכבת הכניסה של מעגלים שונים המבוססים עליה יכולה להיות נמוכה בהרבה. תמיד צריך לזכור את הנסיבות האלה. ועכשיו, היזהר, הסיפור מתחיל על הדבר החשוב ביותר.

משוב שלילי (OOS)

OOS אינו אלא חיבור בין הפלט לכניסה, בו חלק מהפלט מופרע מאותות הקלט. חיבור כזה מוביל לירידה ברווח. בניגוד ל- OOS, יש משוב חיובי (POS), שמסכם להפך את אות הקלט עם חלק מהפלט. חיבורים כאלה משמשים לא רק בטכנולוגיה אלקטרונית, אלא במקרים רבים אחרים, למשל במכונאות. ניתן לאפיין את ההשפעה של פידבקים אלה באופן הבא: OOS מוביל ליציבות המערכת, חיובי מוביל לחוסר היציבות שלה.

ביחס למגברי התפעול המדוברים, ה- OOS מאפשר לך להגדיר את הרווח בדיוק מספיק, ומביא גם לשיפורים רבים איכותיים ואף נעימים יותר למעגל. אבל ראשית עליך להבין כיצד ה- OOS עובד.כדוגמה, שקול מעגל שניתן למצוא בכל ספר לימוד בנושא אוטומציה.

איור 1

יציאת אות Ignal U.output. מהפלט הוא עובר למכשיר הסיכום (מעגל עם סימן פלוס בפנים) דרך מעגל ה- OOS עם מקדם ההעברה β, במקרה זה, פחות מאחד. אם מקדם זה עשוי להיות גדול מהאחדות, וזה אפשרי מבחינה טכנית, אז במקום להגביר את האות, אנו משיגים את הנחתתו. אך לעת עתה נניח שאנו זקוקים לחיזוק מדויק.

צוק OOS הוא פשוט תאונה

אם תשבור את לולאת המשוב, המתח ביציאת המגבר התפעולי יהיה U.out. = K * U.in. תיאורטית ערך עצום. למעשה, זה יוגבל על ידי גודל מתח האספקה. זה כבר נאמר קודם. דוגמה דומה: אם מדובר במנוע חשמלי עם ייצוב סיבובים (גם משוב), אז הוא פשוט יאיץ ככל האפשר. במקרה זה, הם אומרים שהמערכת עברה "רוכלות".

כשעוברים במעגל מעגל ה- OOS, אות הפלט נחלש על ידי β * U.output. לכן, רק (U.in.-β * U.out.) מגיע לכניסת המגבר דרך הסיף. סימן המינוס מציין שהמשוב שלילי. לאחר מעבר במכשיר עם רווח של K, הפלט יהיה U.out. = K * (U.in.-β * U.out.). בתורו, הרווח של כל המערכת K.us. = U.out./U.in. ומתברר ש- U.out. = K *

לאחר כמה טרנספורמציות, אנו יכולים להשיג את התוצאה הבאה: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

כל התמורות הללו הובילו לנוסחה הפשוטה K.us. = K / (1+ K * β). אם אנו מניחים ש- K in גדול מספיק (ובמקרה של שימוש במגבר תפעולי זה באמת כך), הרי שהיחידה בסוגריים לא תעשה שום מזג אוויר מיוחד, ניתן למחוק אותה, וכתוצאה מכך הנוסחה תלבש את הצורה הבאה:

K.us. = 1 / β

הנוסחה שהתקבלה (שהייתה, למעשה, הסיבה לכך שאוחזת כל הגדר מהנוסחאות) מאפשרת לנו לקבוע כי מקדם ההעברה של המגבר התפעולי במעגל המשוב אינו תלוי בשום דרך ברווח של המגבר התפעולי עצמו, אלא נקבע רק על ידי פרמטרי מעגל המשוב. , מקדם ההולכה שלה β. אך בכל זאת, ככל שהרווח של המגבר התפעולי עצמו גבוה יותר, ככל שהנוסחה שצוינה נותנת מדויקת יותר, כך המעגל יציב יותר.

לכן, מפל ההגברה על מגברי התפעול אינו דורש כיוונון, כרגיל מפל טרנזיסטור: רק נגדי משוב מחושבים, מולחמים, קיבלו את הרווח הנדרש. כיצד נעשה זאת יתואר במאמר הבא.