K čemu se používá zpětná vazba na operačním zesilovači?

I po nástupu digitálních počítačů byly výpočty a zpracování signálů často prováděny pomocí analogové elektroniky. Základem těchto zařízení byly operační zesilovače.

Operační zesilovače jako třída se objevily jako jednotné prvky analogových počítačů (AVM) po druhé světové válce. Sestavili odkazy, které prováděly matematické operace: sčítání, odčítání, integraci, derivování atd. Díky této skutečnosti se v názvu objevilo slovo „provozní“. Jako vstupní signál bylo použito napětí.

Výpočty mohou být poměrně složité a vyžadují velké množství spojů, které kladou poměrně přísné požadavky na sjednocení a stabilitu charakteristik operačních zesilovačů. Splnění požadavků na stabilitu charakteristik bylo dosaženo zavedením záporných zpětných vazeb (NFB) do obvodů. U unifikovaných operačních zesilovačů byla použita externí zpětná vazba. Charakteristiky takového spoje byly určeny výhradně parametry zpětnovazebního obvodu.

Široké používání operačních zesilovačů začalo ve druhé polovině 60. let minulého století, kdy byla zahájena sériová výroba relativně levných integrovaných operačních zesilovačů. Využití čipů operačních zesilovačů se pak stalo ekonomicky proveditelné, nejprve v průmyslové elektronice a poté v domácích spotřebičích.

Jako CDPV byla použita fotografie sovětského analogu operačního zesilovače LM101, jednoho z prvních sériově vyráběných integrovaných operačních zesilovačů.

▍ Ideální operační zesilovač

Operační zesilovač má obvykle dva vstupy, invertující a neinvertující, a jeden výstup. Operační zesilovač zesiluje rozdíl napětí na vstupech. Přenosový koeficient operačního zesilovače s vypnutým OOS je asi 10 4 . 10 6 (80 . 120 dB) ve stejnosměrných obvodech.

Princip činnosti operačního zesilovače je nejzřetelněji odhalen v modelu „ideálního operačního zesilovače“. Model má následující vlastnosti:

1. Vstupy ideálního operačního zesilovače nemají žádný vliv na vstupní signály a mají nekonečně vysoký odpor a nekonečně malou kapacitu.
2. Výstup ideálního operačního zesilovače má nulový odpor a může dodávat zátěži libovolné napětí a libovolný proud.
3. Přenosový koeficient ideálního operačního zesilovače má tendenci k nekonečnu a nezávisí na frekvenci vstupních signálů.
4. Doba zpoždění šíření signálu v ideálním operačním zesilovači je nulová, nedochází k žádnému fázovému posunu.
5. Ideální operační zesilovač pokrytý CNF se snaží nastavit stejné napětí na vstupech.

Obvod operačního zesilovače s otevřenou smyčkou je zobrazen níže:

Ideální operační zesilovač s otevřenou smyčkou funguje následovně: výstupní napětí se rovná rozdílu napětí na vstupech vynásobeném přenosovým koeficientem ideálního operačního zesilovače s otevřenou smyčkou:

Rozdíl napětí na vstupech ideálního operačního zesilovače vyjadřujeme výstupním napětím a koeficientem přenosu ideálního operačního zesilovače bez zpětné vazby:

(2)
kde:	Uout – napětí na výstupu operačního zesilovače;
Uv+ – napětí na neinvertujícím vstupu operačního zesilovače;
Uv- – napětí na invertujícím vstupu operačního zesilovače;
Gо – přenosový koeficient operačního zesilovače s otevřenou zpětnovazební smyčkou.

Protože podle vlastnosti 3 ideálního modelu operačního zesilovače je koeficient přenosu G_о má tendenci k nekonečnu, získáme potvrzení vlastnosti 5 modelu pro ideální CO, na který se nevztahuje FOS:

▍ Ideální invertní zesilovač

Invertující zesilovač je proporcionální (zesilovací) článek. Provede operaci násobení vstupního signálu koeficientem k.

Zesilovač je pokryt negativní stejnosměrnou zpětnou vazbou. Zpětnovazební obvod se skládá z děliče napětí sestaveného přes odpory R1 a R2:

Z vlastnosti 5 modelu vyplývá, že napětí na invertujícím vstupu OS U_v- rovna napětí na neinvertujícím vstupu U_v+. Protože neinvertující vstup operačního zesilovače je připojen ke společnému vodiči, je na invertujícím vstupu vytvořen potenciál 0 V.

Podle vlastnosti 1 ideálního modelu operačního zesilovače invertující vstup nespotřebovává proud, proto je úbytek napětí na rezistoru R1 roven napětí U_inúbytek napětí na rezistoru R2 je roven napětí U_out, proudy přes dělicí odpory jsou stejné.

Dostaneme následující poměr:

(5)
kde:	Uout je napětí na výstupu invertujícího zesilovače;
Uin je napětí na vstupu invertujícího zesilovače;
R1, R2 – odpory rezistorů ve zpětnovazebním obvodu invertujícího zesilovače.

Ze vzorce (6) je vidět, že koeficient přenosu ideálního invertujícího zesilovače může být v rozsahu od 0 do – ∞.

Vstupní impedance ideálního invertujícího zesilovače je rovna odporu rezistoru R1, protože podle vlastnosti 1 modelu ideálního operačního zesilovače vstupy nespotřebovávají proud a invertující vstup je nastaven na potenciál 0 V podle na majetek 5.

Pokud jsou odpory rezistorů ve zpětnovazebním obvodu stejné, získáme invertující sledovač.

Při poměru rezistorů R1 > R2 obvod pracuje jako invertující atenuátor, tzn. začne “utlumovat” vstupní signál.

▍ Ideální neinvertující zesilovač

Neinvertující zesilovač je stejně jako invertující zesilovač proporcionální prvek. Provádí operaci násobení vstupního signálu koeficientem k.

Zesilovač je pokryt negativní stejnosměrnou zpětnou vazbou. Zpětnovazební obvod se skládá z děliče napětí sestaveného přes odpory R1 a R2. Signál z děliče napětí je přiváděn na invertující vstup:

Z vlastnosti 5 modelu vyplývá, že napětí na invertujícím vstupu OS U_v- rovna napětí na neinvertujícím vstupu U_v+. Zároveň U_v+ rovná vstupnímu napětí U_in.

Podle vlastnosti 1 modelu ideálního operačního zesilovače nespotřebovávají vstupy operačního zesilovače proud, proto se úbytek napětí na rezistoru R1 rovná napětí U_ina úbytek napětí na sériově zapojených odporech děliče napětí R1 a R2 se rovná napětí U_out.

Dostaneme následující poměr:

(7)
kde:	Uout – napětí na výstupu neinvertujícího zesilovače;
Uin je napětí na vstupu neinvertujícího zesilovače;
R1, R2 – odpory rezistorů ve zpětnovazebním obvodu neinvertujícího zesilovače.

Ze vzorce (8) je zřejmé, že přenosový koeficient ideálního neinvertujícího zesilovače nemůže být menší než jedna.

Vstupní impedance ideálního neinvertujícího zesilovače je rovna impedanci neinvertujícího vstupu, která má podle vlastnosti 1 ideálního modelu operačního zesilovače sklon k nekonečnu.

Speciálním případem neinvertujícího obvodu zesilovače operačního zesilovače je obvod opakovače, kde odpor R1 = ∞ a R2 = 0:

Obvod má vysokou vstupní a nízkou výstupní impedanci, což umožňuje sladit např. vysokoodporový zdroj signálu s nízkoodporovou zátěží.

▍ Porovnání invertujících a neinvertujících obvodů zesilovače

Oba zesilovací obvody, invertující i neinvertující, jsou proporcionální jednotky, které provádějí operaci násobení vstupního signálu koeficientem k.

Základní rozdíly mezi schématy jsou následující:

1. Invertující zesilovač mění znaménko vstupního signálu, zatímco neinvertující zesilovač nemění znaménko vstupního signálu.
2. Přenosový koeficient invertujícího zesilovače může být menší než jedna, ale přenosový koeficient neinvertujícího zesilovače nemůže být menší než jedna.
3. Vstupní impedance neinvertujícího zesilovače je určena vstupní impedancí použitého operačního zesilovače a vstupní impedance invertujícího zesilovače je určena odporem rezistorů ve zpětnovazebním obvodu.

Zvýšení vstupního odporu invertujícího zesilovače rezistorem R1 vyžaduje zvýšení odporu rezistoru R2, úměrné koeficientu prostupu k. Nadměrnému zvýšení odporu rezistoru R2 můžete zabránit použitím zesilovače T-můstku v obvodu OOS:

Vstupní impedance invertujícího zesilovače s T-můstkem je přibližně rovna odporu rezistoru R1.

Při k = 10 a odporu R1 = 500 kOhm v obvodu invertujícího zesilovače s děličem napětí ve zpětnovazebním obvodu by měl být odpor rezistoru R2 5 MOhm.

V případě invertujícího zesilovače s T-můstkem, s k = 10, odporem R1 = 499 kOhm a odporem R4 = 100 Ohm, bude odpor rezistorů R2 a R3 roven 22.6 kOhm. Výpočet zpětnovazebního obvodu je v tomto případě složitější, ale použití T-můstku ve zpětnovazebním obvodu při vysokých hodnotách odporu rezistoru R1 zajišťuje stabilnější provoz zesilovače.

▍ Od autora

Tato série publikací se skládá ze sedmi částí. Stručný obsah publikací:

Zpětná vazba (FE) je proces přenosu signálu z výstupního obvodu do vstupního obvodu. OS se nazývá záporný, pokud je jeho signál odečten od vstupu, a pozitivní, pokud je signál OS sečten se vstupem. místní OS se nazývá OS, pokrývající jednotlivé části zesilovače, běžné OS se nazývá OS, který pokrývá celý zesilovač. Zesilovače využívají především negativní zpětnou vazbu (NFB). Uvažujme zesilovač pokrytý OS (obr. 63).

Rýže. 63. Blokové schéma zesilovače pokrytého OS:

1 – hlavní zesilovač; 2 – zpětnovazební zařízení; 3 – sčítačka (s kladnou zpětnou vazbou) nebo odčítací (s zápornou zpětnou vazbou)

Nechť je zisk hlavního zesilovače (celkové zesílení před zavedením zpětnovazební smyčky) a nechť je přenosový koeficient zařízení zpětné vazby (zesílení průchodu). Předpokládejme, že zpětná vazba je negativní. Pak napětí signálu OS:

Po zavedení OOS

Proto celkový zisk po zavedení OOS:

s významnými . (6)

Hlavním závěrem je, že zařízení s hlubokým OOS má vlastnosti, které závisí téměř pouze na zpětnovazebním obvodu, a nikoli na hlavním obvodu s významným .

Z výrazu (6) vyplývá, že výsledný zisk po zavedení OOS se zmenšuje. Může se zdát, že zavedení OOS je hloupý nápad, který povede pouze ke snížení zisku. Přesně takovou zpětnou vazbu obdržel Harold S. Black, který se v roce 1928 pokusil patentovat OOS: „S naším vynálezem bylo zacházeno stejným způsobem jako s perpetum mobile.“ Jaká je výhoda OOS?

Podívejme se na příklad. Mějme zesilovač, jehož zesílení se mění od 100 do 10000 64 při změně frekvence od 6 do XNUMX XNUMX (obr. XNUMX). Po zavedení OOS s koeficientem v souladu s výrazem (XNUMX) bude zisk na různých frekvencích

Rýže. 64. Frekvenční charakteristika zesilovače

V tomto příkladu NFB stabilizuje zisk a rozšiřuje šířku pásma. Pomocí OOS se zlepšují kvalitativní charakteristiky zesilovačů snížením výsledného zisku.

Typy zpětné vazby

Zpětná vazba je klasifikována:

1) fází signálu zpětné vazby:

2) podle způsobu napájení do vstupního obvodu:

a) sekvenční zadáním (obr. 65, а);

b) paralelně se vstupem (obr. 65, б).

Rýže. 65. Obvody pro přivádění zpětné vazby do vstupního obvodu

a) napěťová zpětná vazba (obr. 66, а), kdy je zpětnovazební signál úměrný napětí výstupního obvodu;

b) proudová zpětná vazba (obr. 66, б), když je zpětnovazební signál úměrný proudu výstupního obvodu.

Rýže. 66. Obvody OS v závislosti na způsobu příjmu signálu

Téma 14. Operační zesilovače Obecné informace

Operační zesilovač (op-amp) je stejnosměrný diferenciální zesilovač s velmi vysokým (10 5 – 10 6 ) ziskem a jednostranným výstupem. Název „provozní“ dostal v souvislosti s jeho počátečním použitím pro provádění různých operací s analogovými signály (sčítání, odečítání, integrace atd.). Operační zesilovače jsou implementovány ve formě analogového integrovaného obvodu. Velikostí a cenou se prakticky neliší od samostatného tranzistoru, implementace různých elektronických obvodů na nich založených se ukazuje být mnohem jednodušší než na jednotlivých tranzistorech. Proto operační zesilovače téměř úplně nahradily jednotlivé tranzistory jako obvodové prvky („stavební bloky“) v mnoha oblastech návrhu analogových obvodů.

Symboly operačního zesilovače jsou na obr. 67, а, б. Zavolá se vstup, jehož napětí je fázově posunuto o 180 0 vzhledem k výstupnímu napětí invertující (označeno inverzním znakem “○“ na Obr. 67, а). Vstup, jehož napětí je ve fázi s výstupním napětím, je – neinvertující. K napájení operačního zesilovače se obvykle používají dva zdroje opačné polarity (obvykle ± 15 V), které umožňují získat výstupní potenciál rovný nule v klidu.

Rýže. 67. Symboly OS

Ideální operační zesilovač má následující vlastnosti:

1) napěťový zisk je roven nekonečnu (na obr. 67,а označené „“);

2) nekonečná vstupní impedance;

3) nulový výstupní odpor;

5) nekonečná šířka pásma (žádné zpoždění při průchodu signálu zesilovačem).

Operační zesilovače se nikdy nepoužívají bez OS a výsledné charakteristiky zařízení založeného na operačním zesilovači závisí pouze na obvodu OS. V průmyslu se vyrábějí stovky typů operačních zesilovačů. Jako příklad uveďme operační zesilovač LF411 od National Semiconductor. Stejně jako všechny operační zesilovače je to malý prvek umístěný v miniaturním mini-DIP pouzdru s uspořádáním kolíků ve dvou řadách (Obrázek 68 ukazuje připojení k kolíkům pouzdra).

Rýže. 68. Připojení operačního zesilovače LF411 ke svorkám pouzdra (pohled shora)

Operační zesilovač LF411 je křemíkový krystal obsahující 24 tranzistorů (21 bipolárních a 3 s efektem pole), 11 rezistorů a 1 kondenzátor. Tečka na krytu pouzdra a zářez na jeho konci slouží k označení referenčního bodu při číslování kolíků. Ve většině krytů elektronických obvodů se číslování kolíků provádí proti směru hodinových ručiček ze strany krytu krytu. Piny „nulového nastavení“ (neboli „balance“, „adjustment“) se používají k odstranění malých asymetrií, které se mohou vyskytnout v operačním zesilovači.

Podívejme se na základní pravidla, která určují provoz operačního zesilovače pokrytého OS.

1. Operační zesilovač spotřebovává velmi malý vstupní proud (například operační zesilovač LF411 spotřebovává 0,2 nA; operační zesilovač s tranzistorovými vstupy s efektem pole spotřebuje asi pikoampů), takže můžeme předpokládat, že vstupy operačního zesilovače nespotřebovávají proud ( ).

2. Pomocí obvodu OS je napětí z výstupního obvodu do vstupního obvodu přiváděno tak, aby rozdíl napětí mezi vstupy měl tendenci k nule.