Operatsion kuchaytirgichlarga asoslangan analog regulyatorlar. Operatsion kuchaytirgichdagi pwm kontrolleri

O'n ming kilometrlik sayohat birinchi qadamdan boshlanadi.
(Xitoy maqol)
Kechqurun edi, qiladigan hech narsa yo'q edi ... Va to'satdan men nimanidir lehimlamoqchi bo'ldim. Sort... Elektron!.. Lehim - shunday lehim. Kompyuter mavjud, Internet ulangan. Biz sxemani tanlaymiz. Va to'satdan ma'lum bo'ldiki, o'ylangan mavzu uchun sxemalar vagon va kichik aravadir. Va hamma har xil. Tajriba yo'q, bilim kam. Qaysi birini tanlash kerak? Ularning ba'zilarida qandaydir to'rtburchaklar, uchburchaklar mavjud. Kuchaytirgichlar va hatto operatsion ... Ular qanday ishlashi aniq emas. Stra-a-ashno!.. Yonib ketsa-chi? Biz tanish tranzistorlarda oddiyroq narsani tanlaymiz! Tanlangan, lehimlangan, yoqilgan ... YORDAM !!! Ishlamayapti!!! Nega?
Ha, chunki "Oddiylik o'g'irlikdan yomonroq"! Bu kompyuterga o'xshaydi: eng tezkor va eng murakkab - o'yin! Va ofis ishi uchun eng oddiy narsa etarli. Transistorlar bilan ham xuddi shunday. Ularga kontaktlarning zanglashiga olib lehimlash etarli emas. Siz hali ham uni qanday sozlashni bilishingiz kerak. Juda ko'p "tuzoqlar" va "rake". Va bu ko'pincha kirish darajasi bo'lmagan tajribani talab qiladi. Xo'sh, nima, hayajonli faoliyatdan voz kechingmi? Hech qanday holatda! Faqat bu "uchburchaklar-to'rtburchaklar" dan qo'rqmang. Ma'lum bo'lishicha, ko'p hollarda ular bilan ishlash individual tranzistorlarga qaraganda ancha oson. AGAR BILSIZ - QANDAY!
Mana biz: operativ kuchaytirgich (op-amp yoki inglizcha OpAmp) qanday ishlashini tushunamiz, endi biz buni ko'rib chiqamiz. Shu bilan birga, biz uning ishini tom ma'noda "barmoqlarda" ko'rib chiqamiz, amalda hech qanday formuladan foydalanmasdan, Omning bobosi qonunidan tashqari: "O'chirish bo'limi orqali oqim ( I) undagi kuchlanishga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir ( U) va uning qarshiligiga teskari proportsional ( R)»:
I=U/R. (1)
Boshlash uchun, printsipial jihatdan, op-ampning ichida qanday aniq joylashtirilganligi unchalik muhim emas. Keling, bu "qora quti" bo'lib, u erda qandaydir to'ldirilgan narsalar bor, deb taxmin qilaylik. Ustida bu bosqich biz op-ampning "burilish kuchlanishi", "o'zgaruvchan kuchlanish", "haroratning siljishi", "shovqin xususiyatlari", "umumiy rejimni bostirish koeffitsienti", "ta'minot kuchlanishining dalgalanishini bostirish koeffitsienti", "o'tkazish qobiliyati" kabi parametrlarini hisobga olmaymiz. ” va hokazo. .P. Bu parametrlarning barchasi uni o'rganishning keyingi bosqichida, uning ishining asosiy tamoyillari boshida "joylashganda" muhim bo'ladi, chunki "u qog'ozda silliq edi, lekin jarlarni unutdi" ...
Hozircha, op-ampning parametrlari idealga yaqin deb faraz qilaylik va faqat kirishlariga ba'zi signallar qo'llanilsa, uning chiqishida qanday signal bo'lishini ko'rib chiqaylik.
Shunday qilib, operatsion kuchaytirgich (op-amp) ikkita kirish (inverting va inverting bo'lmagan) va bitta chiqishga ega bo'lgan doimiy differensial kuchaytirgichdir. Ularga qo'shimcha ravishda, op-amp quvvat simlariga ega: ijobiy va salbiy. Ushbu beshta xulosada keltirilgan deyarli har qanday OS va uning ishlashi uchun asosan zarurdir.
Op-amp katta daromadga ega, kamida 50 000 ... 100 000, lekin aslida - juda ham ko'p. Shuning uchun, birinchi taxmin sifatida, biz hatto cheksizlikka teng deb taxmin qilishimiz mumkin.
"Differentsial" atamasi ("farq" ingliz tilidan "farq", "farq", "farq" deb tarjima qilingan) op-ampning chiqish potentsialiga faqat uning kirishlari orasidagi potentsial farq ta'sir qilishini anglatadi. qat'iy nazar ulardan mutlaq ma'no va qutblilik.
"DC" atamasi op-ampning 0 Gts dan boshlab kirish signallarini kuchaytirishini anglatadi. Operatsion kuchaytirgich tomonidan kuchaytirilgan signallarning yuqori chastota diapazoni (chastota diapazoni) ko'plab omillarga bog'liq, masalan chastota xususiyatlari o'z ichiga olgan tranzistorlar, op-amp yordamida qurilgan sxemaning daromadi va boshqalar. Ammo bu masala allaqachon uning ishi bilan dastlabki tanishish doirasidan tashqarida va bu erda ko'rib chiqilmaydi.
Op-amp kirishlari o'nlab / yuzlab MegaOhm yoki hatto GigaOhm ga teng bo'lgan juda yuqori kirish empedansiga ega (va faqat unutilmas K140UD1da va hatto K140UD5da u faqat 30...50 kOm edi). Kirishlarning bunday yuqori empedansi ularning kirish signaliga deyarli ta'sir qilmasligini anglatadi.
Shuning uchun, nazariy idealga yuqori darajada yaqinlashgan holda, biz buni taxmin qilishimiz mumkin joriy op-ampning kirishlariga oqmaydi . Bu - birinchi OT ning ishlashini tahlil qilishda qo'llaniladigan muhim qoida. Iltimos, bu nimaga tegishli ekanligini yaxshi eslang faqat OUning o'zi, lekin emas sxemalar foydalanish bilan!
"Inverting" va "non-inverting" atamalari nimani anglatadi? Inversiya nimaga nisbatan aniqlanadi va umuman olganda, bu qanday "hayvon" - signal inversiyasi?
Lotin tilidan tarjima qilingan "inversio" so'zining ma'nolaridan biri - "o'rash", "to'ntarish". Boshqa so'zlar bilan aytganda, inversiya oyna tasviridir ( aks ettirish) gorizontal o'q X ga nisbatan signal(vaqt o'qi). Shaklda. 1-rasmda signalni o'zgartirishning ko'plab mumkin bo'lgan variantlari ko'rsatilgan, bu erda to'g'ridan-to'g'ri (kirish) signal qizil rang bilan belgilangan va teskari (chiqish) signal ko'k rangda.
Guruch. 1 Signalning inversiyasi haqida tushuncha
Shuni alohida ta'kidlash kerakki, nol chiziqqa (1-rasm, A, B kabi) signalning inversiyasi bog'lanmagan! Signallar teskari va assimetrik bo'lishi mumkin. Masalan, ikkalasi ham raqamli signallar yoki bir qutbli quvvat manbai uchun xos bo'lgan ijobiy qiymatlar mintaqasida (1, B-rasm) yoki ikkalasi ham qisman ijobiy va qisman. salbiy hududlarda (1-rasm, B, D). Boshqa variantlar ham mumkin. Asosiy shart - bu ularning o'zaro ayyorlik ba'zi bir o'zboshimchalik bilan tanlangan darajaga nisbatan (masalan, sun'iy o'rta nuqta, bu haqda keyinroq ham muhokama qilinadi). Boshqa so'zlar bilan aytganda, qutblanish signal ham hal qiluvchi omil emas.
Elektr sxemalarida OUni turli yo'llar bilan tasvirlang. Chet elda OS ilgari tasvirlangan va hozir ham ular juda tez-tez uchburchak uchburchak shaklida tasvirlangan (2-rasm, A). Inverting kiritish minus belgisi bilan, teskari bo'lmagan kiritish esa uchburchak ichida ortiqcha belgisi bilan belgilanadi. Ushbu belgilar tegishli kirishlardagi potentsial boshqasiga qaraganda ijobiyroq yoki salbiyroq bo'lishi kerakligini anglatmaydi. Ular shunchaki chiqish potentsialining kirishlarga qo'llaniladigan potentsiallarga qanday ta'sir qilishini ko'rsatadi. Natijada, ular, ayniqsa, yangi boshlanuvchilar uchun kutilmagan "rake" bo'lishi mumkin bo'lgan quvvat simlari bilan chalkashtirish oson.

Guruch. 2 Shartli grafik tasvirlarning variantlari (UGO)
operatsion kuchaytirgichlar
Mahalliy shartli grafik tasvirlar tizimida (UGO) GOST 2.759-82 (ST SEV 3336-81) kuchga kirgunga qadar, OUlar ham uchburchak sifatida tasvirlangan, faqat teskari kirish - inversiya belgisi bilan - aylana. chiqishning uchburchak bilan kesishishi (2-rasm, B), endi esa - to'rtburchaklar shaklida (2-rasm, C).
Diagrammalarda op-ampni belgilashda, agar qulayroq bo'lsa, inverting va inverting bo'lmagan kirishlar almashtirilishi mumkin, ammo an'anaviy ravishda inverting kiritish yuqorida, inverting bo'lmagan kirish esa pastki qismida ko'rsatiladi. Quvvat pinlari odatda har doim bir tarzda joylashtiriladi (yuqorida ijobiy, pastda salbiy).
Op-amperlar deyarli har doim salbiy teskari aloqa (NFB) davrlarida qo'llaniladi.
Teskari aloqa - kuchaytirgichning chiqish kuchlanishining bir qismini uning kirishiga qo'llash ta'siri, bu erda u kirish voltajiga algebraik (belgiga bog'liq) qo'shiladi. Signalni yig'ish printsipi quyida muhokama qilinadi. Op-ampning qaysi kirishiga qarab, teskari yoki teskari bo'lmagan, OT oziqlanadi, chiqish signalining bir qismi inverting kirishiga qo'llanilganda salbiy teskari aloqa (NFB) mavjud (3-rasm, A) yoki ijobiy geribildirim (PIC), bir qismda chiqish signali mos ravishda teskari bo'lmagan kirishga beriladi (3-rasm, B).

Guruch. 3 Teskari aloqani shakllantirish printsipi (OS)
Birinchi holda, chiqish kirishga teskari bo'lganligi sababli, u kirishdan chiqariladi. Natijada, bosqichning umumiy daromadi kamayadi. Ikkinchi holda, u kirishga qo'shiladi, kaskadning umumiy daromadi oshiriladi.
Bir qarashda, POS-ning ijobiy ta'siri bordek tuyulishi mumkin va OOS - bu mutlaqo foydasiz: nima uchun daromadni kamaytirish kerak? 1928 yilda Xarold S. Blek, AQSh patent ekspertlari aynan shunday deb o'ylashgan harakat qildi OTni patentlash. Biroq, kuchaytirishni qurbon qilib, biz sxemaning boshqa muhim parametrlarini, masalan, uning chiziqliligi, chastota diapazoni va boshqalarni sezilarli darajada yaxshilaymiz. OOS qanchalik chuqurroq bo'lsa, butun sxemaning xarakteristikalari op-ampning xususiyatlariga bog'liq bo'ladi.
Ammo POS (op-ampning o'zining katta daromadini hisobga olgan holda) kontaktlarning zanglashiga olib keladigan xususiyatlariga teskari ta'sir ko'rsatadi va eng yoqimsiz narsa shundaki, u o'z-o'zidan qo'zg'alishni keltirib chiqaradi. Albatta, u ongli ravishda ham qo'llaniladi, masalan, generatorlarda, histerisisli komparatorlarda (bu haqda keyinroq) va hokazo, lekin umuman olganda, uning kuchaytirgichli op-ampli kuchaytirgich davrlarining ishlashiga ta'siri juda salbiy va talab qiladi. uning qo'llanilishini juda chuqur va oqilona tahlil qilish.
OT ikkita kirishga ega bo'lganligi sababli, OT yordamida uni kiritishning quyidagi asosiy turlari mumkin (4-rasm):

Guruch. 4 OTni yoqishning asosiy sxemalari
lekin) inverting (4-rasm, A) - signal inverting kirishiga qo'llaniladi va inverting bo'lmagani to'g'ridan-to'g'ri mos yozuvlar potentsialiga ulanadi (ishlatilmaydi);
b) teskari bo'lmagan (4-rasm, B) - signal inverting bo'lmagan kirishga qo'llaniladi va inverting to'g'ridan-to'g'ri mos yozuvlar potentsialiga ulanadi (ishlatilmaydi);
ichida) differensial (4-rasm, B) - signallar teskari va teskari bo'lmagan ikkala kirishga ham beriladi.
Ushbu sxemalarning ishlashini tahlil qilish uchun hisobga olish kerak ikkinchi eng muhimi qoida, OTning ishlashi tegishli bo'lgan: Op-ampning chiqishi uning kirishlari o'rtasida nol kuchlanish farqiga ega bo'ladi..
Biroq, har qanday so'z bo'lishi kerak zarur va yetarli unga bo'ysunadigan barcha holatlar to'plamini cheklash. Yuqoridagi formula o'zining barcha "klassitsizmi" uchun qanday kirishlar "ta'sir ko'rsatishga intilayotgani" haqida hech qanday ma'lumot bermaydi. Unga asoslanib, ma'lum bo'lishicha, op-amp o'z kirishlaridagi kuchlanishlarni tenglashtiradi va ularga "ichkaridan" biron bir joydan kuchlanish qo'llaydi.
Rasmdagi diagrammalarni diqqat bilan ko'rib chiqing. 4, siz OOC (Rooc orqali) barcha holatlarda chiqishdan boshlanganligini ko'rishingiz mumkin faqat teskari kiritishga, bu bizga ushbu qoidani quyidagicha qayta shakllantirishga asos beradi: Voltaj yoqilgan OOS bilan qoplangan op-ampning chiqishi inverting kirishidagi potentsial teskari bo'lmagan kirishdagi potentsialga teng bo'lishini ta'minlashga intiladi..
Ushbu ta'rifga asoslanib, OOS bilan OAning har qanday qo'shilishida "etakchi" inverting bo'lmagan kirishdir va "qul" inverting hisoblanadi.
Operatsion kuchaytirgichning ishlashini tavsiflashda uning teskari kirishidagi potentsial ko'pincha "virtual nol" yoki "virtual o'rta nuqta" deb nomlanadi. Lotincha "virtus" so'zining tarjimasi "xayoliy", "xayoliy" degan ma'noni anglatadi. Virtual ob'ekt o'zini moddiy voqelikning o'xshash ob'ektlarining xatti-harakatiga yaqin tutadi, ya'ni kirish signallari uchun (FOS ning ta'siri tufayli) teskari kirishni to'g'ridan-to'g'ri inverting bo'lmagan kirish bilan bir xil potentsialga ulangan deb hisoblash mumkin. Biroq, "virtual nol" - bu faqat op-ampning bipolyar quvvat manbai bilan sodir bo'ladigan maxsus holat. Bir kutupli quvvat manbaidan foydalanilganda (bu quyida muhokama qilinadi) va boshqa ko'plab kommutatsiya davrlarida inverting yoki inverting kirishlarida nol bo'lmaydi. Shuning uchun, keling, biz ushbu atamani ishlatmasligimizga rozi bo'laylik, chunki bu OTning ishlash tamoyillarini dastlabki tushunishga xalaqit beradi.
Shu nuqtai nazardan, biz rasmda ko'rsatilgan sxemalarni tahlil qilamiz. 4. Shu bilan birga, tahlilni soddalashtirish uchun biz ta'minot kuchlanishlari hali ham bipolyar, qiymati bo'yicha bir-biriga teng (aytaylik, ± 15 V), o'rta nuqta (umumiy avtobus yoki "tuproq"), nisbiy deb hisoblaymiz. Bunga biz kirish va chiqish kuchlanishlarini hisoblaymiz. Bundan tashqari, tahlil to'g'ridan-to'g'ri oqimda amalga oshiriladi, chunki. Vaqtning har bir daqiqasida o'zgaruvchan o'zgaruvchan signal to'g'ridan-to'g'ri oqim qiymatlarining namunasi sifatida ham ifodalanishi mumkin. Barcha holatlarda, Rooc orqali qayta aloqa op-ampning chiqishidan uning inverting kirishiga ulanadi. Farqi faqat kirish voltajining qaysi biri kiritilganligida.
LEKIN) inverting yoqish (5-rasm).

Guruch. 5 Op-ampning invertorli ulanishda ishlash printsipi
Inverting bo'lmagan kirishdagi potentsial nolga teng, chunki u o'rta nuqtaga ("tuproq") bog'langan. Rin kirish rezistorining chap terminaliga o'rta nuqtaga (GB dan) nisbatan +1 V ga teng kirish signali qo'llaniladi. Faraz qilaylik, Rooc va Rin qarshiliklari bir-biriga teng va 1 kOm ni tashkil qiladi (ularning umumiy qarshiligi 2 kOm).
2-qoidaga ko'ra, inverting kirishi inverting bo'lmagan kirish bilan bir xil potentsialga ega bo'lishi kerak, ya'ni 0 V. Shuning uchun Ringa +1 V kuchlanish qo'llaniladi.Ohm qonuniga ko'ra, u orqali oqim o'tadi. Ikiritish= 1 V / 1000 ohm = 0,001 A (1 mA). Ushbu oqimning oqim yo'nalishi o'q bilan ko'rsatilgan.
Rooc va Rin ajratgich bilan ulanganligi sababli va 1-qoidaga ko'ra, op-amp kirishlari oqim iste'mol qilmaydi, bu ajratgichning o'rta nuqtasida kuchlanish 0 V bo'lishi uchun o'ng tomonga kuchlanish qo'llanilishi kerak. Rooc chiqishi minus 1 V va u orqali oqayotgan oqim Ioos ham 1 mA ga teng bo'lishi kerak. Boshqacha qilib aytganda, Rinning chap terminali va o'ng terminali Rooc o'rtasida 2 V kuchlanish qo'llaniladi va bu ajratuvchi orqali oqadigan oqim 1 mA (2 V / (1 kŌ + 1 kŌ) = 1 mA), ya'ni. I kiritish = I oos .
Agar kirishga salbiy polarit kuchlanish qo'llanilsa, op-ampning chiqishi ijobiy polarit kuchlanishiga ega bo'ladi. Har bir narsa bir xil, faqat Rooc va Rin orqali oqim oqimini ko'rsatadigan o'qlar teskari yo'nalishda yo'naltiriladi.
Shunday qilib, agar Rooc va Rin qiymatlari teng bo'lsa, op-ampning chiqishidagi kuchlanish kattaligi bo'yicha uning kirishidagi kuchlanishga teng bo'ladi, lekin qutbda teskari bo'ladi. Va oldik inverting takrorlagich . Ushbu sxema odatda invertorlar bo'lgan sxemalar yordamida olingan signalni teskari o'zgartirish kerak bo'lsa ishlatiladi. Masalan, logarifmik kuchaytirgichlar.
Endi Rin ni 1 kOm ga teng ushlab turamiz va bir xil +1 V kirish signali bilan Rooc qarshiligini 2 kOm ga oshiramiz Rooc+Rin ajratuvchining umumiy qarshiligi 3 kOm ga oshdi. 0 V potentsial (inverting bo'lmagan kirish potentsialiga teng) uning o'rta nuqtasida qolishi uchun bir xil oqim (1 mA) Rin orqali Rook orqali o'tishi kerak. Shuning uchun, Rooc bo'ylab kuchlanishning pasayishi (op-ampning chiqishidagi kuchlanish) allaqachon 2 V bo'lishi kerak. Op-ampning chiqishida kuchlanish minus 2 V ni tashkil qiladi.
Keling, Rooc qiymatini 10 kOhm ga oshiramiz. Endi xuddi shu boshqa sharoitlarda op-ampning chiqishidagi kuchlanish allaqachon 10 V bo'ladi. Voy! Nihoyat oldik inverting kuchaytirgich ! Uning chiqish kuchlanishi kirish kuchlanishidan kattaroqdir (boshqacha aytganda, Ku daromadi) Rooc qarshiligi Rin qarshiligidan qanchalik ko'p bo'lsa. Qanday qilib formulalardan foydalanmaslikka qasam ichgan bo'lsam ham, keling, buni tenglama sifatida ko'rsataylik:
Ku \u003d - Uout / Uin \u003d - Rook / Rin. (2)
Tenglamaning o'ng tomonidagi kasr oldidagi minus belgisi faqat chiqish signalining kirishga nisbatan teskari ekanligini bildiradi. Va boshqa hech narsa!
Va endi Rooc qarshiligini 20 kOhm ga oshiramiz va nima sodir bo'lishini tahlil qilamiz. Formula (2) ga ko'ra, Ku \u003d 20 va kirish signali 1 V bo'lsa, chiqish 20 V kuchlanishli bo'lishi kerak edi. Lekin u erda emas edi! Oldin biz op-ampning ta'minot kuchlanishi atigi ± 15 V deb taxmin qilgan edik. Lekin hatto 15 V ni ham olish mumkin emas (nega shunday - bir oz pastroq). "Siz boshingizdan sakrab chiqolmaysiz (ta'minot kuchlanishi)"! Devrenning reytinglarini bunday suiiste'mol qilish natijasida op-ampning chiqish kuchlanishi besleme zo'riqishida "tayanadi" (op-ampning chiqishi to'yinganlikka kiradi). RoocRin bo'luvchisi orqali joriy tenglik balansi ( Ikiritish = Ioos) buzilgan bo'lsa, teskari kirishda potentsial paydo bo'ladi, bu teskari bo'lmagan kirishdagi potentsialdan farq qiladi. 2-qoida endi amal qilmaydi.