משוב מעגלי מגבר תפעולי

מגבר משחזר והופך

בסוף המאמר "המגבר התפעולי האידיאלי" הוכח שכאשר משתמשים במגבר תפעולי במעגלי מיתוג שונים, הגברת המפל על מגבר תפעולי יחיד (OA) תלויה רק ​​בעומק המשוב. לפיכך, בנוסחאות לקביעת הרווח של מעגל מסוים, אין להשתמש ברווח של מגבר ה- OP החשוף. זה בדיוק אותו מקדם ענק שמצוין בספריות.

ואז די מתאים לשאול את השאלה: "אם התוצאה הסופית (רווח) אינה תלויה במקדם ה"התייחסות" העצום הזה, מה ההבדל בין האמפלט עם ההגברה כמה אלפי פעמים, ועם אותו אומפ, אבל עם הגברה כמה מאות אלפים ואפילו מיליונים? "

התשובה די פשוטה. בשני המקרים, התוצאה תהיה זהה, רווח המפל נקבע על ידי גורמי ה- OOS, אך במקרה השני (אומפ עם רווח גבוה) המעגל עובד בצורה יציבה יותר, ליתר דיוק, המהירות של מעגלים כאלה גבוהה בהרבה. מסיבה טובה, מגברי OP מחולקים למגברי OP של יישום כללי ולדיוק גבוה.

כאמור, המגברים ה"תפעוליים "המדוברים התקבלו באותה תקופה רחוקה, כאשר הם שימשו בעיקר לביצוע פעולות מתמטיות במחשבים אנלוגיים (AVM). אלה היו פעולות של חיבור, חיסור, כפל, חלוקה, ריבוע ופונקציות רבות אחרות.

מגברי אופר-מגברים אנטיליליים אלו בוצעו על צינורות אלקטרונים, בהמשך על טרנזיסטורים נפרדים ורכיבי רדיו אחרים. באופן טבעי, הממדים של אפילו מגברי טרנזיסטור היו גדולים מספיק כדי לשמש במבני חובבים.

ורק לאחר שבזכות הישגי האלקטרוניקה המשולבת הפכו מגברי ה- OP לגודל של טרנזיסטור רגיל בעל הספק נמוך, השימוש בחלקים אלה בציוד ביתי ובמעגלי חובבים הפך מוצדק.

אגב, מגברי אופר מודרני, אפילו באיכות גבוהה למדי, במחיר מעט גבוה יותר משניים או שלושה טרנזיסטורים. הצהרה זו חלה על מגברים למטרות כלליות. מגברי דיוק יכולים לעלות קצת יותר.

בכל הקשור למעגלים במפעילי הגברה, כדאי להעיר מייד שכולם מונעים על ידי מקור כוח דו קוטבי. מצב כזה הוא ה"רגיל "ביותר למגבר אופטי, המאפשר הגברה לא רק של אותות מתח AC, למשל סינוסואיד, אלא גם אותות DC או פשוט מתח.

עם זאת, לעתים קרובות למדי אספקת החשמל של המעגלים במאי המגבר נעשית ממקור חד קוטבי. נכון, במקרה זה, לא ניתן להגדיל את המתח הקבוע. אבל לעתים קרובות זה קורה שזה פשוט לא הכרחי. המעגלים עם אספקת החשמל החד קוטבית יתוארו בהמשך, אך לעת עתה נמשיך בקשר לתכניות להפעלת המגבר באמצעות ספק כוח דו קוטבי.

מתח האספקה ​​של מרבית המגברים הוא לרוב בתוך ± 15 וולט. אבל זה לא אומר בכלל שלא ניתן להוריד את המתח הזה מעט (גבוה יותר לא מומלץ). מגברי מגבר רבים עובדים ביציבות רבה החל מ- ± 3V, וחלק מהדגמים אפילו ± 1.5V. אפשרות כזו מצוינת בתיעוד הטכני (גיליון הנתונים).

חסיד מתח

זהו המכשיר הפשוט ביותר מבחינת מעגלי מעגל מגבר; המעגל שלו מוצג באיור 1.

איור 1. איור 1. מעגל חסיד מתח על מגבר תפעולי

קל לראות שכדי ליצור סכמה כזו לא היה צורך בפרט אחד, למעט מערכת ההפעלה עצמה. נכון, הנתון אינו מראה את חיבור הכוח, אך מתאר כזה של התוכניות נמצא לעתים קרובות מאוד. הדבר היחיד שאני רוצה לציין הוא שבין מסופי אספקת החשמל למגבר (לדוגמה, למתח המגבר KR140UD708, אלה מסקנות 7 ו -4) ויש לחבר את החוט המשותף. קבלים חוסמים עם קיבולת של 0.01 ... 0.5 μF.

מטרתם להפוך את פעולת מגבר ה- OP ליציבה יותר, להיפטר מהעירוי העצמי של המעגל לאורך מעגלי הכוח. יש לחבר קבלים קרוב ככל האפשר למסופי הכוח של השבב. לפעמים מחברים קבלים אחד על בסיס קבוצה של כמה מעגלי מיקרו. ניתן לראות את אותם קבלים על לוחות עם מעגלי מיקרו דיגיטליים, מטרתם זהה.

הרווח של המשחזר שווה לאחדות, או אם לומר זאת אחרת, אין גם רווח. אז למה תוכנית כזו? כאן די מתאים לזכור שישנו מעגל טרנזיסטור - חסיד פולט, שמטרתו העיקרית היא התאמה של מפללים עם התנגדות קלט שונה. מפלים דומים (משחזרים) נקראים גם חיץ.

התנגדות הכניסה של המשחזר על מגבר ההגברה מחושבת כתוצר של עכבת הקלט של מגבר המגבר על ידי הרווח שלו. לדוגמה, עבור UD708 שהוזכר, עכבת הקלט היא בערך 0.5 MΩ, הרווח הוא לפחות 30,000 ואולי יותר. אם מכפילים את המספרים האלה, עכבת הקלט היא 15 GΩ, וזה דומה להתנגדות של בידוד לא איכותי במיוחד, כגון נייר. סביר להניח כי תוצאה כה גבוהה לא תושג עם חסיד פולט קונבנציונאלי.

כך שהתיאורים אינם מוטלים בספק, להלן הנתונים שמראים את פעולתם של כל המעגלים המתוארים בסימולטור התוכנית Multisim. כמובן שכל הרכבות הללו ניתנות להרכבה על גבי קרש הגישה, אך לא ניתן להשיג את התוצאות הגרועות ביותר על צג המסך.

למעשה, זה אפילו קצת יותר טוב כאן: אתה לא צריך ללכת לאנשהו על המדף כדי לשנות את הנגד או המיקרו-מעגל. כאן הכל, אפילו מכשירי מדידה, נמצא בתוכנית, ו"הוא מקבל "באמצעות העכבר או המקלדת.

איור 2 מציג את מעגלי המשחזר שנעשו בתוכנית Multisim.

איור 2

לימוד המעגל הוא די פשוט. אות סינוסי עם תדר של 1 קילו הרץ ומשרעת של 2 וולט מוחל על כניסת המשחזר מהגנרטור הפונקציונלי, כמוצג באיור 3.

איור 3

האות בכניסה ובפלט של המשחזר נצפה על ידי האוסילוסקופ: אות הקלט מוצג על ידי קרן כחולה, קרן הפלט אדומה.

איור 4

ומדוע, ישאל הקורא הקשוב, האם האות הפלט (אדום) גדול פי שניים מהכניסה כחולה? הכל פשוט מאוד: באותה רגישות של ערוצי האוסילוסקופ, שני הסינוסים עם אותה משרעת ואותה פאזה מתמזגים זה לזה, מסתתרים זה בזה.

כדי להבחין בשניהם בבת אחת היינו צריכים להפחית את הרגישות של אחד הערוצים, במקרה זה הקלט. כתוצאה מכך גל הסינוס הכחול הפך בדיוק למחצית הגודל על המסך, והפסיק להסתתר מאחורי זה האדום. אם כי כדי להשיג תוצאה כזו, אתה יכול פשוט להזיז את הקרניים באמצעות פקדי האוסילוסקופ, ולהשאיר את הרגישות של הערוצים זהים.

שני הסינוסואידים ממוקמים באופן סימטרי יחסית לציר הזמן, מה שמצביע על כך שהרכיב הקבוע של האות שווה לאפס. ומה יקרה אם יתווסף רכיב DC קטן לאות הקלט? הגנרטור הווירטואלי מאפשר לך להזיז את גל הסינוס לאורך ציר Y. בואו ננסה להזיז אותו כלפי מעלה ב 500mV.

איור 5

מה שיצא מזה מוצג באיור 6.

איור 6

ניתן להבחין כי הסינוסים של הכניסה והפלט עלו בחצי וולט, תוך שהם לא משתנים כלל. זה מרמז כי המשחזר העביר במדויק את הרכיב הקבוע של האות. אך לרוב הם מנסים להיפטר מרכיב קבוע זה, הופכים אותו שווה לאפס, אשר נמנע משימוש באלמנטים מעגליים כאלה כמו קבלים לבידוד בין-עירוני.

המשחזר הוא, כמובן, טוב ואפילו יפה: לא נדרשו פרטים נוספים (למרות שיש מעגלי משחזר עם "תוספות" קלות), אך הם לא קיבלו שום רווח.איזה סוג של מגבר זה? כדי להשיג מגבר, פשוט הוסף כמה פרטים, כיצד לעשות זאת יתואר בהמשך.

מגבר הפוך

בכדי ליצור מגבר הפוך מהמגבר, מספיק להוסיף רק שני נגדים. מה שיצא מזה מוצג באיור 7.

איור 7. מעגל מגבר אינוורטר

הרווח של מגבר כזה מחושב על ידי הנוסחה K = - (R2 / R1). סימן המינוס לא אומר שהמגבר התגלה כרע, אלא רק שאות הפלט יהיה הפוך בשלב לכניסה. לא פלא שהמגבר נקרא היפוך. כאן יהיה מקום לזכור את הטרנזיסטור הכלול בתכנית עם OE. גם שם, אות הפלט בקולט הטרנזיסטור נמצא במצב אנטי-פאזי עם אות הקלט המסופק לבסיס.

כאן כדאי לזכור כמה מאמץ צריך להשקיע בכדי לקבל סינוסואידי טהור ולא מעוות על אספן הטרנזיסטור. זה נדרש לבחור את ההטיה על בסיס הטרנזיסטור בהתאם. זה, ככלל, די מסובך, תלוי בפרמטרים רבים.

כשמשתמשים במגבר, מספיק פשוט לחשב את ההתנגדות של הנגדים על פי הנוסחה ולקבל רווח נתון. מסתבר שהקמת מעגל במתקדם מגמה היא הרבה יותר פשוטה מאשר התקנת מפל טרנזיסטורים. לכן, אין לחשוש שהתכנית לא תעבוד, היא לא תעבוד.

איור 8

כאן הכל זהה לדמויות הקודמות: אות הקלט מוצג בכחול, הוא אדום אחרי המגבר. הכל תואם את הנוסחה K = - (R2 / R1). אות הפלט נמצא במצב אנטי שלב עם הכניסה (שתואם את סימן המינוס בפורמולה), והמשרעת של אות הפלט היא בדיוק פי שניים מהכניסה. מה שנכון גם ביחס (R2 / R1) = (20/10) = 2. כדי להשיג את הרווח, למשל, 10, זה מספיק כדי להגביר את ההתנגדות של הנגד R2 ל 100KΩ.

למעשה, המעגל של מגבר הפוך יכול להיות מעט יותר מסובך, אפשרות כזו מוצגת באיור 9.

איור 9מעגל הגברה הפוך

חלק חדש הופיע כאן - הנגד R3 (אלא שהוא פשוט נעלם מהמעגל הקודם). מטרתו לפצות את זרמי הכניסה של אומפ ממש כדי להפחית את חוסר היציבות בטמפרטורה של רכיב DC ביציאה. ערך הנגד הזה נבחר על ידי הנוסחה R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

אופלות מודרניות יציבות במיוחד מאפשרות לחבר את הכניסה הלא-הפיכה לחוט משותף ישירות ללא התנגדות R3. נוכחותו של אלמנט זה לא תעשה שום דבר רע, אך בסולם הייצור הנוכחי, כאשר הם חוסכים בכל דבר, הם מעדיפים לא להתקין את הנגד הזה.

הנוסחאות לחישוב המגבר ההפוך מוצגות באיור 10. מדוע באיור? כן, רק לשם הבהרה, בשורת טקסט הם לא היו נראים כל כך מוכרים ומובנים, לא היו מורגשים כל כך.

איור 10

על הרווח הוזכר קודם. כאן ראויים לציון התנגדות הכניסה והפלט של מגבר שאינו הפוך. הכל נראה ברור עם התנגדות הכניסה: מתברר שהוא שווה להתנגדות של הנגד R1, אך יש לחשב את התנגדות הפלט על פי הנוסחה המוצגת באיור 11.

האות K 'מציינת את מקדם ההתייחסות של מגבר ה- OP. כאן בבקשה, חישבו למה עכבת הפלט תהיה שווה. זה יתגלה כנתון די קטן, אפילו עבור מגבר מגבר ממוצע כמו UD7 עם ה- K שלו שווה לא יותר מ -30,000. במקרה זה, זה טוב: אחרי הכל, עכבת התפוקה של המפל נמוכה יותר (זה תקף לא רק על מפל ה- OP-amp), כך העומס חזק יותר, סביר כמובן שבמגבלות ניתן ליצור קשר בין מפל זה.

יש להעיר הערה נפרדת לגבי היחידה במכנה של הנוסחה לחישוב ההתנגדות לפלט. נניח שהיחס R2 / R1 הוא למשל 100. זהו היחס המתקבל במקרה של הרווח של המגבר ההפוך 100.מסתבר שאם היחידה הזו תושלך, שום דבר לא ישתנה הרבה. למעשה, זה לא לגמרי נכון.

נניח שההתנגדות של הנגד R2 היא אפס, כמו במקרה של משחזר. ואז, ללא אחדות, המכנה כולו הופך לאפס, וגם ההתנגדות לפלט היא אפס. ואם אז האפס הזה מופיע איפשהו במכנה של הנוסחה, איך אתה מצווה לחלק אותה? לכן, פשוט אי אפשר להיפטר מיחידה לא משמעותית זו לכאורה.

במאמר אחד, אפילו גדול מספיק, פשוט אל תכתוב. לכן, יהיה לך את כל מה שלא מתאים לספר במאמר הבא. יהיה תיאור של מגבר שאינו הפוך, מגבר דיפרנציאלי, מגבר כוח חד קוטבי. כמו כן יינתן מעגלים פשוטים לבדיקת האמפלט.

בוריס אלאדישקין