Amplificadores operacionais. Parte 2. O amplificador operacional perfeito

Para entender melhor os princípios de construção de circuitos usando amplificadores operacionais, eles costumam usar o conceito de um amplificador operacional ideal. Qual é a sua idealidade, suas maravilhosas propriedades? Não existem muitos deles, mas todos tendem a zero ou mesmo ao infinito. Mas se comporta assim amplificador operacional não é coberto pelo feedback (SO) e geralmente não possui nenhuma conexão externa.

Neste artigo, tentaremos falar sobre feedback e alguns esquemas para incluir amplificadores operacionais sem mencionar fórmulas matemáticas complicadas com integrais. Mas alguns, bastante simples e compreensíveis, no oitavo ano da escola, que ajudarão a entender o significado geral, ainda não podem ser evitados.

Ganho

Com um ganho "desenfreado", basta aplicar apenas alguns microvolts às entradas (por exemplo, interferência na rede elétrica) para obter uma tensão de saída próxima a 15V. Este estado indica saturação da saída.

É apropriado recuperar o mesmo estado nos transistores. Naturalmente, nesta forma, nenhum ganho é obtido. Portanto, amplificadores operacionais reais são sempre cobertos por feedback negativo, que será discutido abaixo.

Embora deva-se notar que, freqüentemente, os amplificadores operacionais são usados ​​sem feedback e, em alguns casos, com feedback positivo. Esta aplicação é encontrada em comparadores - dispositivos para comparação precisa de sinais analógicos. Os comparadores estão disponíveis na forma de microcircuitos especializados e também fazem parte de outros microcircuitos. Basta lembrar o lendário temporizador integrado NE555, que contém em si dois comparadores.

História quase recente

Ao mesmo tempo, a indústria eletrônica doméstica também dominou a produção de amplificadores operacionais. O primeiro amplificador operacional foi o K1UT401A (B), posteriormente renomeado K140UD1 com as mesmas letras no final. Portanto, sendo uma cópia quase exata do irmão americano UA702, o analógico com a letra A em uma tensão de alimentação de ± 6V teve um ganho na faixa de 500 ... 4500 e com a letra B (± 12V) 1500 ... 13000.

Pelos padrões modernos, isso é ridículo, mas, no entanto, esses amplificadores arcaicos ainda podem ser encontrados. Mas mesmo com esse ganho "pequeno", era impossível ficar sem feedback negativo.

E apenas a aparência dos amplificadores operacionais no design integrado introduziu esse componente universal nos circuitos industriais, domésticos e amadores. Afinal, você deve admitir que um amplificador operacional com tubos eletrônicos ou mesmo uma opção de transistor, exceto nos AVMs de defesa, não poderia ser usado.

Entradas e saídas de amplificadores operacionais

O amplificador operacional possui duas entradas e uma saída e, é claro, duas saídas para fornecer tensão. Este é o conjunto mínimo de conclusões que é vital. É exatamente assim que ocorre com os amplificadores operacionais mais modernos. Uma vez houve conclusões para conectar elementos de correção e balanceamento de frequência.

Os alimentos costumam ser bipolares com um ponto médio, o que possibilita a amplificação por tensão constante. Nesse caso, é geralmente aceito que a faixa de frequência dos amplificadores operacionais começa em 0 Hz e a frequência superior é limitada pelo tipo de amplificador operacional em si, seu circuito interno e o tipo de transistores e seu circuito de comutação.

A largura de banda de um amplificador operacional ideal se estende do DC ao infinito.A velocidade ou taxa de rotação do sinal de saída também tende ao infinito. Mas não consideraremos esse problema por enquanto.

O que aprimora o amplificador operacional

A tensão de saída do amplificador operacional é proporcional à diferença de tensão em suas entradas. Nesse caso, o nível absoluto de sinais, bem como sua polaridade, não desempenham um papel especial. Somente a diferença importa. E como todos os termos em eletrônica vieram do idioma inglês, é hora de lembrar a palavra "diferente", que significa diferença heterogênea (o dicionário "Multitran") e os amplificadores desse princípio de operação são chamados diferenciais.

O que não amplifica o amplificador operacional

Aqui também podemos recordar uma propriedade maravilhosa de amplificadores operacionais, como a atenuação de um sinal de modo comum: se o mesmo sinal for aplicado às duas entradas, ele não será amplificado. Isso é usado ao aplicar um sinal em fios longos: o sinal útil tem uma fase diferente, enquanto o sinal de interferência nas duas entradas é o mesmo.

O que pode ser obtido na saída do amplificador operacional

A impedância de saída de um amplificador operacional ideal tende a zero, o que teoricamente permite obter um sinal arbitrariamente grande e apenas infinito na saída. De fato, a tensão de saída de um amplificador operacional real é limitada pela tensão das fontes de energia: se uma tensão de alimentação bipolar, por exemplo, ± 15V, é simplesmente impossível obter +20 ou -25 na saída.

Isto é em relação à amplificação de tensões constantes. No caso de amplificação, por exemplo, um sinusóide na saída, um sinusóide também deve ser obtido, cuja amplitude não excede a tensão de alimentação.

As tensões de entrada e saída não podem ser maiores que a tensão das fontes de energia. Por exemplo, quando alimentado por ± 15V, a tensão de saída é mais baixa em 0,5 ... 1,5V. Mas alguns microcircuitos modernos permitem que você fique igual à tensão de alimentação na saída e na entrada. Essa propriedade nas planilhas de dados é conhecida como Rail-to-Rail, literalmente como "pneu a pneu". Ao escolher um amplificador operacional, você deve prestar atenção a essa propriedade.

Impedância de entrada

A impedância de entrada de ambas as entradas do amplificador operacional é muito grande e está dentro de centenas de MegaOhm e, em alguns casos, até GigaOhm. Para comparação: o K1UT401 mencionado acima tinha uma impedância de entrada de apenas algumas dezenas de kOhm.

A impedância de entrada, é claro, não atinge o infinito, como um amplificador operacional ideal, mas ainda é tão grande que não afeta os níveis do sinal de entrada. A partir disso, podemos concluir que nenhuma corrente flui nas entradas. Este é um dos principais princípios utilizados no cálculo e análise de circuitos em amplificadores operacionais. Por enquanto, você só precisa se lembrar.

A última afirmação refere-se diretamente a amplificadores operacionais. Uma impedância de entrada tão alta é inerente aos próprios amplificadores operacionais, mas a impedância de entrada de vários circuitos baseados nela pode ser muito menor. Esta circunstância deve sempre ser lembrada. E agora, tenha cuidado, a história começa sobre a coisa mais importante.

Feedback negativo (OOS)

OOS nada mais é do que uma conexão entre a saída e a entrada, na qual parte da saída é subtraída do sinal de entrada. Essa conexão leva a uma diminuição no ganho. Diferentemente do OOS, há feedback positivo (POS), que soma o sinal de entrada com parte da saída. Tais conexões são usadas não apenas na tecnologia eletrônica, mas em muitos outros casos, por exemplo, na mecânica. O efeito desses feedbacks pode ser caracterizado da seguinte forma: OOS leva à estabilidade do sistema, positivo leva à sua instabilidade.

Em relação aos amplificadores operacionais em questão, o OOS permite definir o ganho com precisão suficiente e também leva a muitas melhorias mais qualitativas e até agradáveis ​​ao circuito. Mas primeiro você precisa descobrir como o OOS funciona.Como exemplo, considere um circuito que pode ser encontrado em qualquer manual de automação.

Figura 1

Saída de sinal de saída U inválida. da saída, ele passa para o dispositivo somador (um círculo com um sinal de mais no interior) através do circuito OOS com o coeficiente de transferência β, neste caso, menor que um. Se esse coeficiente for maior que a unidade, o que é tecnicamente possível, em vez de amplificar o sinal, obtemos sua atenuação. Mas, por enquanto, assumiremos que precisamos ser fortalecidos com precisão.

Penhasco OOS é apenas um acidente

Se você interromper o loop de realimentação, a tensão na saída do amplificador operacional será U.out. = K * U.in. Teoricamente enorme valor. De fato, será limitado pela magnitude da tensão de alimentação. Isso já foi dito anteriormente. Um exemplo semelhante: se for um motor elétrico com estabilização de rotações (também feedback), ele simplesmente acelerará o máximo possível. Nesse caso, eles dizem que o sistema "vendeu".

Passando pelo circuito do circuito OOS, o sinal de saída é atenuado pela saída β * U. Portanto, somente (U.in.-β * U.out.) Chega à entrada do amplificador através do somador.O sinal de menos indica que o feedback é negativo. Depois de passar pelo dispositivo com um ganho K, a saída será U.putput = K * (U.in.-β * U.out.). Por sua vez, o ganho de todo o sistema K.us. = U.out./U.in. e acontece que U.out. = K *

Após algumas transformações, podemos obter o seguinte resultado: K.us. = U.out./U.in. = K * U.in./U.in. * * (1+ K * β) = K / (1+ K * β)

Todas essas transformações levaram à fórmula simples K.us. = K / (1+ K * β). Se assumirmos que K in é grande o suficiente (e, no caso de usar um amplificador operacional, isso é realmente verdade), a unidade entre parênteses não sofrerá muito tempo, ela poderá ser descartada, como resultado da fórmula da seguinte forma:

K.us. = 1 / β

A fórmula resultante (que, de fato, foi a razão pela qual toda a cerca das fórmulas foi reunida) nos permite afirmar que o coeficiente de transferência do amplificador operacional no circuito de realimentação não depende de forma alguma do ganho do próprio amplificador operacional, mas é determinado apenas pelos parâmetros do circuito de realimentação , seu coeficiente de transmissão β. Porém, quanto maior o ganho do amplificador operacional, mais precisa é a fórmula especificada, mais estável o circuito funciona.

Portanto, as cascatas de amplificação nos amplificadores operacionais não requerem ajuste, como as cascatas de transistor usuais: apenas resistores de feedback calculados, soldados, obtiveram o ganho de cascata necessário. Como isso é feito será descrito no próximo artigo.