Κυκλώματα Τελεστικού Ενισχυτή — Βασικά

Ένα κύκλωμα op-amp χρησιμοποιεί έναν τελεστικό ενισχυτή μαζί με στοιχεία ανάδρασης για να ελέγχει πώς αποκρίνεται η έξοδος στην είσοδο. Η βασική ιδέα είναι απλή: ο γυμνός ενισχυτής έχει τόσο μεγάλο κέρδος, ώστε το εξωτερικό κύκλωμα, και ιδιαίτερα το δίκτυο ανάδρασης, είναι αυτό που κάνει τη συμπεριφορά προβλέψιμη.

Οι περισσότεροι τύποι που χρησιμοποιούνται στη διδασκαλία προκύπτουν από το ιδανικό μοντέλο του op-amp. Αυτοί οι τύποι είναι αξιόπιστοι μόνο όταν το κύκλωμα έχει αρνητική ανάδραση και η έξοδος παραμένει μεταξύ των τάσεων τροφοδοσίας, ώστε ο op-amp να μένει στη γραμμική περιοχή του.

Πότε Ισχύουν οι Ιδανικοί Κανόνες του Op-Amp

Για έναν ιδανικό op-amp σε γραμμική λειτουργία με αρνητική ανάδραση, χρησιμοποιούνται ξανά και ξανά δύο συντομεύσεις:

1. Τα ρεύματα εισόδου είναι μηδενικά.
2. Οι τάσεις εισόδου είναι σχεδόν ίσες, άρα $V_+ \approx V_-$.

Ο δεύτερος κανόνας συχνά ονομάζεται εικονικό βραχυκύκλωμα. Αυτό δεν σημαίνει ότι οι είσοδοι είναι φυσικά συνδεδεμένες. Σημαίνει ότι η ανάδραση οδηγεί την έξοδο έτσι ώστε η διαφορά τάσης μεταξύ των εισόδων να γίνεται πολύ μικρή.

Αν ο op-amp είναι σε κόρο ή το κύκλωμα δεν χρησιμοποιεί αρνητική ανάδραση, δεν πρέπει να υποθέτεις ότι $V_+ \approx V_-$.

Τύπος Αναστρέφοντος Ενισχυτή

Στον τυπικό αναστρέφοντα ενισχυτή, το σήμα εισόδου περνά μέσω μιας αντίστασης $R_{in}$ στον αναστρέφοντα ακροδέκτη, ο μη αναστρέφων ακροδέκτης συνδέεται σε μια αναφορά όπως η γείωση, και μια αντίσταση ανάδρασης $R_f$ συνδέει την έξοδο πίσω στον αναστρέφοντα ακροδέκτη.

Κάτω από τις ιδανικές υποθέσεις,

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

Το αρνητικό πρόσημο σημαίνει ότι η έξοδος είναι αντεστραμμένη ως προς την είσοδο.

Τύπος Μη Αναστρέφοντος Ενισχυτή

Στον τυπικό μη αναστρέφοντα ενισχυτή, το σήμα εισόδου εφαρμόζεται στον μη αναστρέφοντα ακροδέκτη και ο αναστρέφων ακροδέκτης βρίσκεται μέσα σε ένα δίκτυο ανάδρασης με αντιστάσεις.

Κάτω από τις ίδιες ιδανικές υποθέσεις,

$$V_{out} = \left(1 + \frac{R_f}{R_g}\right) V_{in}$$

Αυτή η διάταξη διατηρεί την έξοδο σε φάση με την είσοδο και δίνει μια αντίσταση εισόδου που ιδανικά είναι πολύ μεγάλη.

Γιατί η Αρνητική Ανάδραση Αλλάζει τα Πάντα

Ένας op-amp έχει εξαιρετικά μεγάλο κέρδος ανοικτού βρόχου. Ακόμη και μια πολύ μικρή διαφορά μεταξύ $V_+$ και $V_-$ τείνει να οδηγήσει την έξοδο έντονα προς τη μία ή την άλλη τάση τροφοδοσίας.

Η αρνητική ανάδραση τιθασεύει αυτή τη συμπεριφορά. Επιστρέφει μέρος της εξόδου πίσω στο δίκτυο εισόδου, ώστε το κύκλωμα να σταθεροποιείται σε μια έξοδο όπου ικανοποιείται η απαιτούμενη συνθήκη εισόδου. Σε αυτά τα βασικά κυκλώματα, γι’ αυτόν τον λόγο οι λόγοι των αντιστάσεων καθορίζουν συνήθως το κέρδος κλειστού βρόχου αντί για το ακατέργαστο εσωτερικό κέρδος του ολοκληρωμένου.

Λυμένο Παράδειγμα: Επίλυση Ενός Αναστρέφοντος Κυκλώματος

Έστω ότι ένας ιδανικός αναστρέφων ενισχυτής έχει $R_{in} = 2 \, \mathrm{k\Omega}$ και $R_f = 10 \, \mathrm{k\Omega}$. Η τάση εισόδου είναι $V_{in} = 0.30 \, \mathrm{V}$.

Χρησιμοποίησε τον τύπο του αναστρέφοντος ενισχυτή:

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

Αντικατέστησε τις τιμές των αντιστάσεων:

$$V_{out} = -\frac{10 \, \mathrm{k\Omega}}{2 \, \mathrm{k\Omega}}(0.30 \, \mathrm{V})$$ $$V_{out} = -(5)(0.30 \, \mathrm{V}) = -1.5 \, \mathrm{V}$$

Άρα η προβλεπόμενη έξοδος είναι $-1.5 \, \mathrm{V}$. Αυτή είναι η σωστή απάντηση μόνο αν η τροφοδοσία επιτρέπει στην έξοδο να φτάσει σε αυτή την τιμή.

Αν οι διαθέσιμες τάσεις τροφοδοσίας δεν μπορούν να υποστηρίξουν τα $-1.5 \, \mathrm{V}$, ο op-amp μπαίνει σε κόρο και ο απλός τύπος κέρδους δεν προβλέπει πλέον την πραγματική έξοδο.

Συνηθισμένα Λάθη στα Κυκλώματα Op-Amp

• Χρήση του $V_+ \approx V_-$ σε οποιοδήποτε κύκλωμα op-amp, ακόμη και όταν δεν υπάρχει αρνητική ανάδραση.
• Να ξεχνάς ότι η έξοδος δεν μπορεί να ξεπεράσει τις τάσεις τροφοδοσίας.
• Σύγχυση μεταξύ των τύπων κέρδους του αναστρέφοντος και του μη αναστρέφοντος ενισχυτή.
• Παράβλεψη του πρόσημου της εξόδου στον αναστρέφοντα ενισχυτή.
• Αντιμετώπιση των ιδανικών κανόνων ως ακριβών περιγραφών για κάθε πραγματικό op-amp σε κάθε συχνότητα και επίπεδο εξόδου.

Πού Εμφανίζονται τα Κυκλώματα Op-Amp

Τα βασικά κυκλώματα op-amp εμφανίζονται στην προσαρμογή σημάτων αισθητήρων, στους προενισχυτές ήχου, στα ενεργά φίλτρα, στους ακολουθητές τάσης και στα συστήματα μέτρησης. Χρησιμοποιούνται ευρέως επειδή ένας ενισχυτής μαζί με λίγα παθητικά στοιχεία μπορεί να προσφέρει κέρδος, απομόνωση ή φιλτράρισμα με προβλέψιμο τρόπο.

Το ιδανικό μοντέλο είναι συνήθως το πρώτο βήμα. Πιο λεπτομερής ανάλυση χρειάζεται όταν γίνονται σημαντικά το εύρος ζώνης, ο ρυθμός ανόδου, το ρεύμα πόλωσης εισόδου, η τάση μετατόπισης, ο θόρυβος ή τα όρια διακύμανσης της εξόδου.

Δοκίμασε Ένα Παρόμοιο Πρόβλημα

Κράτησε τον ίδιο αναστρέφοντα ενισχυτή, αλλά άλλαξε την αντίσταση ανάδρασης σε $20 \, \mathrm{k\Omega}$. Το μέτρο του κέρδους κλειστού βρόχου διπλασιάζεται, άρα η προβλεπόμενη έξοδος γίνεται $-3.0 \, \mathrm{V}$ αν ο op-amp μπορεί ακόμη να παραμείνει στη γραμμική περιοχή του. Αν θέλεις να λύσεις ένα παρόμοιο κύκλωμα από την αρχή, δοκίμασε τη δική σου εκδοχή με διαφορετικό λόγο αντιστάσεων και έλεγξε πρώτα αν τα όρια των τάσεων τροφοδοσίας εξακολουθούν να επιτρέπουν το αποτέλεσμα.