Qarshilikli kuchaytirgich

Operatsion kuchaytirgich (op amp - inglizcha: operational amplifier, OpAmp) — bu differensial kirishga ega boʻlgan va, qoida tariqasida, bitta chiqishga ega boʻlgan, yuqori daromadga ega boʻlgan shahar kuchaytirgichi . Op-amplar deyarli har doim chuqur salbiy teskari aloqaga ega boʻlgan davrlarda qoʻllanadi, bu op-ampning yuqori daromadi tufayli, natijada olingan kontaktlarning zanglashiga olib kelishini / uzatishni toʻliq aniqlaydi.

Hozirgi vaqtda op kuchaytirgichlar alohida chiplar koʻrinishida ham, yanada murakkab integral mikrosxemalarning bir qismi sifatida funktsional bloklar shaklida keng qoʻllanadi. Bunday mashhurlik op-amp idealga yaqin xususiyatlarga ega universal birlik boʻlib, uning asosida juda koʻp turli xil elektron komponentlarni qurish mumkinligi bilan bogʻliq.

Tarixi

Op kuchaytirgich dastlab kuchlanishni analog qiymat sifatida ishlatish orqali matematik operatsiyalarni (shuning uchun nomi) bajarish uchun moʻljallangan. Ushbu yondashuv asosiy matematik operatsiyalarni (qoʻshish, ayirish, integratsiya, farqlash va boshqalar) modellashtirish uchun op-amplar ishlatilgan analog kompyuterlar asosida yotadi) Biroq, ideal op amp koʻp funksiyali sxema yechimidir, u matematik operatsiyalardan tashqari koʻplab ilovalarga ega. Diskret yoki integral mikrosxemalar koʻrinishida yaratilgan tranzistorlar, vakuum naychalari yoki boshqa faol komponentlarga asoslangan haqiqiy op-amplar idealga yaqinroqdir.

Birinchi sanoat trubkali op-amplar (1940-yillar) juft triodlarda, shu jumladan sakkizlik asosli korpuslarda alohida konstruktiv yigʻilishlar shaklida ishlab chiqarilgan. 1963-yilda Robert Vidlar (Fairchild Semiconductor muhandisi) birinchi integral sxemali op kuchaytirgichni, yaʼni oʻrnatilgan op kuchaytirgichni yaratdi. Ushbu op-amp mA702 ga aylandi. Narxi 300 dollar boʻlgan, 9 ta tranzistorni oʻz ichiga olgan qurilma faqat harbiy elektronikada ishlatilgan. Birinchi ommabop integratsiyalashgan op-amp, µA709, shuningdek, Widlar tomonidan ishlab chiqilgan, 1965-yilda chiqarilgan. Chiqarilganidan koʻp oʻtmay, uning narxi 10 dollardan pastga tushdi, bu maishiy foydalanish uchun juda qimmat, ammo ommaviy sanoat avtomatizatsiyasi va boshqalar uchun juda mos edi. P. fuqarolik foydalanish.

1967-yilda Vidlar ish joyiga koʻchib oʻtgan National Semiconductor kompaniyasi LM101 (L — chiziqli, M — monolit kristalda) oʻrnatilgan op-ampni chiqardi va 1968-yilda Fairchild mA741 bilan deyarli bir xil boʻlgan op-ampni chiqardi — birinchi op -oʻrnatilgan chastotani toʻgʻrilash bilan kuchaytirgich. LM101/mA741 op kuchaytirgichi avvalgilariga qaraganda barqarorroq va ulardan foydalanish osonroq edi. Koʻpgina ishlab chiqaruvchilar hali ham ushbu klassik chipning versiyalarini ishlab chiqaradilar (siz ularni model indekslarida „741“ raqami bilan taniy olasiz). Keyinchalik, op-amplar boshqa element bazasida ham ishlab chiqilgan — pn ulanishi (1970-yillarning oxiri) va izolyatsiyalangan eshikli (1980-yillarning boshlari) dala effektli tranzistorlarda, bu bir qator xususiyatlarni sezilarli darajada yaxshilashga imkon berdi. Koʻpgina zamonaviy op kuchaytirgichlar 741 uchun moʻljallangan sxemalarga hech qanday oʻzgartirishlarsiz oʻrnatilishi mumkin va sxemaning ishlashi faqat yaxshilanadi.

Elektronikada op kuchaytirgichlardan foydalanish juda keng. Op kuchaytirgich, ehtimol, analog sxemadagi eng keng tarqalgan elementdir. Faqat bir nechta tashqi komponentlarning qoʻshilishi op-ampni aniq analog signalni qayta ishlash sxemasiga aylantiradi. Koʻpgina standart op-amplar katta miqdorda bir necha, lekin nostandart xususiyatlarga ega (integral yoki diskret) kuchaytirgichlar 100 dollar va undan koʻp boʻlishi mumkin.

Sxematik koʻrinishi

Rasmda operatsion kuchaytirgichning sxematik koʻrinishi koʻrsatilgan. Xulosalar quyidagi maʼnolarga ega:

$V_{\mathrm {+} }$ — inverting boʻlmagan kiritish;
V _- — teskari kiritish;
V _chiqish — chiqish;
V _S+ — quvvat manbaining ortiqcha (shuningdek, deb ham atash mumkin $V_{\mathrm {DD} }$ , $V_{\mathrm {CC} }$ yoki $V_{\mathrm {CC+} }$ );
V _S− — minus quvvat manbai (shuningdek, deb ham atash mumkin $V_{\mathrm {SS} }$ , $V_{\mathrm {EE} }$ yoki $V_{\mathrm {CC-} }$ ).

Asosiy xarakterlari

Quvvatlash

Umuman olganda, op-amp bipolyar quvvatdan foydalanadi, yaʼni quvvat manbai quyidagi potensiallarga ega uchta chiqishga ega:

U ₊, unga V _S+ ulanadi;
0 (nol potentsial);
U _- unga V _S- bogʻlangan.

Op-amperlar quvvat manbai kuchlanishlarining keng diapazonida ishlashga qodir, umumiy maqsadli op-amplar uchun odatiy qiymat bipolyar taʼminot bilan ±1,5 В dan ±15 В gacha (yaʼni U₊ = 1,5..) 15 V, U_- = −15 …-1,5 V sezilarli buzilishlarga ruxsat beriladi).

Op-ampning eng oddiy kiritilishi

Op-ampning ishlashini alohida differensial kuchaytirgich sifatida koʻrib chiqing, yaʼni hech qanday tashqi komponentlarni hisobga olmagan holda. Bunday holda, op amp oʻzini differensial kirishga ega anʼanaviy kuchaytirgich kabi ishlaydi, yaʼni op ampning xatti-harakati quyidagicha tavsiflanadi.

<math>V_\mathrm{out} = (V_+ - V_-) \cdot G_\mathrm{openloop},</math>

bu yerda

V _chiqish — chiqish kuchlanishi;
V ₊ — inverting boʻlmagan kirishdagi kuchlanish;
V _- inverting kirishidagi kuchlanish;
G _openloop — ochiq loop daromadi, yaʼni op-ampning oʻz daromadi, teskari aloqasiz.

Barcha kuchlanishlar kontaktlarning zanglashiga olib keladigan umumiy nuqtasiga nisbatan hisoblanadi. Op-ampni yoqishning koʻrib chiqilayotgan usuli (mulohazasiz) oʻziga xos jiddiy kamchiliklari tufayli amalda qoʻllanilmaydi:

ichki daromad juda keng diapazonda normallashtiriladi va minglab marta oʻzgarishi mumkin (bu eng muhim signal chastotasi va haroratiga bogʻliq);
oʻz daromadi juda katta (odatiy qiymat 10 ⁶ DC) va uni sozlash mumkin emas;
kirish va chiqish kuchlanishlarining mos yozuvlar nuqtasini sozlash mumkin emas.

Eng oddiy qayta aloqa sxemalari

Ideal op-ampning ishlash printsipini hisobga olgan holda, sxemalarni loyihalashning juda oddiy usuli quyidagicha:

Kerakli xususiyatlarga ega boʻlgan op-ampda sxemani qurish kerak boʻlsin. Kerakli xususiyatlar, birinchi navbatda, chiqishning istalgan holatida (chiqish kuchlanishi, chiqish oqimi va boshqalar yotadi), bu baʼzi kiritish harakatlariga bogʻliq boʻlishi mumkin. Oʻchirishni yaratish uchun siz bunday qayta aloqani op-ampga ulashingiz kerak, shunda kerakli chiqish holatida op-amp kirishlaridagi kuchlanishlar (inverting va inverting boʻlmagan) teng boʻladi va teskari aloqa salbiy boʻladi.

Kuchaytirgich kirish voltajidan farqli boʻlgan chiqish kuchlanishiga ega boʻlishi kerak. $K$ marta, yaʼni $U_{out}=U_{in}\cdot K$ . Yuqoridagi metodologiyaga muvofiq, biz kirish signalining oʻzini op-ampning teskari boʻlmagan kirishiga va chiqish signalining bir qismini rezistiv boʻluvchidan inverting kirishiga qoʻllaymiz.

Ideal (yoki haqiqiy, lekin muayyan taxminlar bilan ideal deb hisoblanishi mumkin) kuchaytirgich uchun haqiqiy daromadni hisoblash juda oddiy. Eʼtibor bering, agar kuchaytirgich muvozanat holatida boʻlsa, uning kirishlaridagi kuchlanishlarni bir xil deb hisoblash mumkin. Bundan kelib chiqadiki, rezistorda kuchlanish pasayadi $R_{1}$ teng $V_{in}$ va butun boʻlinuvchi qarshilik boʻyicha $R_{1}+R_{2}$ , tushadi $V_{out}$ . Eʼtibor bering, op-ampning kirish empedansi juda yuqori boʻlgani uchun, kuchaytirgichning teskari (-) kirishiga oqib oʻtadigan oqimni eʼtiborsiz qoldirish mumkin va ajratuvchi rezistorlar orqali oʻtadigan oqim bir xil boʻlishi mumkin. orqali oqim $R_{1}$ teng $I_{R_{1}}={\frac {V_{in}}{R_{1}}}$ va butun boʻluvchi orqali $I_{R_{1}+R_{2}}={\frac {V_{out}}{R_{1}+R_{2}}}$ .

Shunday qilib:

$I_{R_{1}}=I_{R_{1}+R_{2}}$

Qayerda:

${\frac {V_{in}}{R_{1}}}={\frac {V_{out}}{R_{1}+R_{2}}}$

$V_{out}=V_{in}\cdot {\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}=V_{in}\cdot \left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right)$

Buni darhol taʼkidlab, biroz oddiyroq bahslashish mumkin ${\frac {V_{out}}{V_{in}}}={\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}$ .

Shuni taʼkidlash kerakki, inverting boʻlmagan kommutatsiya pallasida kuchlanish kuchayishi ishlatiladigan rezistorlarning qiymatlaridan qatʼi nazar, har doim 1 dan katta yoki teng boʻladi. Agar qarshilik $R_{2}$ nolga teng boʻlsa, biz kuchlanish kuchayishi 1 ga teng boʻlgan inverting boʻlmagan kuchlanish izdoshini olamiz.

Va shundan:

$\forall n\in \mathbb {R} ^{+}\lim _{n\to \infty }{\frac {0}{n}}=0$

keyin qarshilik $R_{1}$ cheksizlikka teng olib, oddiygina olib tashlanishi mumkin.

Shunday qilib, etarlicha katta daromadga ega op-ampga qurilgan kuchaytirgichning uzatish koeffitsienti amalda faqat qayta aloqa parametrlariga bogʻliq. Ushbu foydali xususiyat oʻlchovlar va signallarni qayta ishlashda zarur boʻlganlar kabi juda barqaror daromadli tizimlarni loyihalash imkonini beradi.

Inverting sxemasi boʻyicha ulangan operatsion kuchaytirgich uchun taxminlar boʻyicha hisoblash ham qiyin emas. Buning uchun shuni taʼkidlash kerakki, ajratgichning oʻrta nuqtasida, yaʼni kuchaytirgichning teskari kirishida (-) kuchlanish 0 (virtual zamin deb ataladi). Demak, rezistorlardagi kuchlanish tushishi mos ravishda kirish va chiqish kuchlanishlariga teng. Rezistorlar orqali oqim ham bir xil deb taxmin qilish mumkin, chunki yuqorida koʻrsatilganidek, inverting kirish (-) orqali oqim deyarli yoʻq.

Bu yerdan:

${\frac {V_{in}}{R_{in}}}=-{\frac {V_{out}}{R_{f}}}$

$V_{out}=-V_{in}\cdot {\frac {R_{f}}{R_{in}}}$

Shuni taʼkidlash kerakki, teskari kommutatsiya pallasida daromad birlikdan kattaroq yoki kamroq boʻlishi mumkin va ajratuvchi rezistorlarning qiymatlariga bogʻliq. Yaʼni, kuchaytirgich kirish kuchlanishining faol susaytiruvchisi (attenuator) sifatida ishlatilishi mumkin. Ushbu yechimning passiv attenuatorga nisbatan afzalligi shundaki, signal manbai nuqtai nazaridan attenyuator signal va tuproq oʻrtasida bogʻlangan oddiy yuk qarshiligiga oʻxshaydi (bu holda, „virtual“ deb ataladi), bu yaʼni, bu oddiy faol yuk (albatta, parazit sigʻimlar va indüktanslarni hisobga olmagan holda). Bu yukning signal manbaiga taʼsirini va ularning oʻzaro mos kelishini hisoblashni sezilarli darajada osonlashtiradi.

Manbalar

Operatsion kuchaytirgich? Shunchaki oching!
Audio muhandislikda operativ kuchaytirgichlar
„Barmoqlarda“ operatsion kuchaytirgichning ishlashini tushuntirish
Op-ampdagi tezlikni boshqarish pallasining ishini va „analog matematikasini“ batafsil tahlil qilish
Xorovits P., Xill U. Искусство схемотехники: V 3-x tomax: T. 1. Per. s angl.— 4-e izd., pererab. i dop.— M.: Mir, 1993.—413 s, il. ISBN 5-03-002337-2.
Unipolyar quvvat manbaiga ega boʻlgan op-amp davrlarining katta toʻplami
National Instruments op-amp yordamida odatiy sxemalar toʻplami
Operational Amplifier Basics by Harry Lythall.
Op-Amp Application Handbook (Wayback Machine saytida 2011-06-16 sanasida arxivlangan)
Logarifmik va boshqa op-amp konvertorlari
Operational amplifiers

Adabiyotlar

Polonnikov D. Ye. Operatsionnie usiliteli. Prinsipi postroeniya, teoriya, sxemotexnika. — M., Energoatomizdat, 1983. — 216 c.