Επιχειρησιακοί ενισχυτές: Αναστροφή των τοπολογιών μη αντιστρόφως

Ένας επιχειρησιακός ενισχυτής, στον πυρήνα του, είναι ένας ενισχυτής τάσης υψηλής απόδοσης, αναπόσπαστο μέρος σε μια πληθώρα ηλεκτρονικών συστημάτων.Αυτή η συσκευή περιστρέφεται σε μια φιλοσοφία σχεδιασμού που αξιοποιεί τους επαγωγείς, τους πυκνωτές και τις αντιστάσεις.Αυτά τα συστατικά αλληλοσυνδέονται σε ένα χορό με πολυπλοκότητα, ενορχηστρώση κέρδους τάσης μέσω ενός πολύπλοκου μηχανισμού ανάδρασης.Συνήθως, ένα OP-AMP αποστάζεται σε τρεις θεμελιώδεις ακροδέκτες: την εισροή αντιστροφής, την εισροή μη μεταβλητού και την έξοδο.Ο περίπλοκος χορός αυτών των τερματικών υπαγορεύει την απόδοση και την εφαρμογή του ενισχυτή.

Κατάλογος

Σε ένα εξιδανικευμένο σενάριο, ένας ενισχυτής OP είναι ένα παράγων τελειότητας, με χαρακτηριστικά που διαθέτει όπως η άπειρη αντίσταση και στις δύο εισόδους - μια απόδειξη για το πέρασμα του No Current στα τερματικά.Εξασφαλίζει την ομοιόμορφη τάση στις εισόδους, την αντίσταση μηδενικής εξόδου, το απεριόριστο κέρδος ανοιχτού βρόχου, το άπειρο εύρος ζώνης και την αμελητέα μετατόπιση.Ωστόσο, πριν βυθίσουμε στον τομέα των επιχειρησιακών ενισχυτών, είναι πολύ απαραίτητο να κατανοήσουμε τη φύση των αρνητικών ανατροφοδότησης.Αυτή η ιδέα δεν είναι απλώς ένας πυλώνας στο σχεδιασμό κυκλώματος.Είναι ο ακρογωνιαίος λίθος για υψηλής απόδοσης, σταθερά ηλεκτρονικά κυκλώματα.

Το άρθρο μας στοχεύει να ξεδιπλώσει τις αποχρώσεις της αρνητικής ανατροφοδότησης, στις εκτιμήσεις του σχεδιασμού και στην ενίσχυση της απόδοσης του κυκλώματος μέσω της βελτιστοποίησής του.Στη συνέχεια, στη γραμμή υπάρχει μια σχολαστική ανατομή δύο κεντρικών τοπολογιών λειτουργικού ενισχυτή: οι ενισχυτές αναστροφής και μη αντιστρόφως.Βυθίζουμε τις αρχές τους, τις μεθόδους υπολογισμού και τα κεντρικά στοιχεία στο σχεδιασμό κυκλωμάτων.Αυτή η βαθιά κατάδυση θα μας προσφέρει μια πανοραμική άποψη για τον τρόπο με τον οποίο αυτές οι τοπολογίες ενισχυτή διευκολύνουν τον έλεγχο ακριβείας και την ακλόνητη σταθερότητα σε πραγματικές εφαρμογές.

Πριν από την κατανόηση των επιχειρησιακών ενισχυτών (αντιστροφές και μη αντιστρόφως τοπολογίες), πρέπει να κατανοήσουμε μια βασική ιδέα, αρνητική ανατροφοδότηση.

Η αρνητική ανατροφοδότηση δεν είναι μόνο μια τεχνική σχεδιασμού κυκλώματος, αλλά και ο ακρογωνιαίος λίθος της επίτευξης ηλεκτρονικών κυκλωμάτων υψηλής απόδοσης, μεγάλης σταθερότητας.Η βασική έννοια της αρνητικής ανατροφοδότησης είναι να προσθέσετε μια αντίσταση μεταξύ της εξόδου και της εισόδου αντιστροφής, δημιουργώντας ένα σύστημα ελέγχου κλειστού βρόχου.

Οι ενισχυτές OP μπορούν να παρέχουν εξαιρετικά υψηλά κέρδη ανοιχτού βρόχου χωρίς αρνητικά σχόλια, αλλά τέτοια υψηλά κέρδη συχνά συνοδεύονται από δυσκολίες ελέγχου και κακή σταθερότητα.

Με την εισαγωγή μιας αντίστασης ανάδρασης μεταξύ της εξόδου και της εισόδου αντιστροφής, ένα τμήμα του σήματος εξόδου του ενισχυτή είναι η "ανάδραση" πίσω στην είσοδο.Αυτή η μέθοδος "εξαπλώνεται" μερικά από τα κέρδη, ελέγχοντας έτσι το συνολικό κέρδος του ενισχυτή.

Επιλογή αντίστασης ανατροφοδότησης: Η τιμή της αντίστασης ανάδρασης επηρεάζει άμεσα το κέρδος κλειστού βρόχου.Η επιλογή της κατάλληλης τιμής αντίστασης είναι το κλειδί για την επίτευξη του επιθυμητού κέρδους και απόδοσης.

Η σχέση μεταξύ κέρδους κλειστού βρόχου και εύρους ζώνης: Η αντιστάθμιση μεταξύ κέρδους και εύρους ζώνης πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού.Η αύξηση του κέρδους του κλειστού βρόχου συνήθως έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του εύρους ζώνης.

Σταθερότητα και παραμόρφωση: Η κατάλληλη αρνητική ανάδραση μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη σταθερότητα του κυκλώματος και να μειώσει την παραμόρφωση του σήματος.

Ακριβής υπολογισμός του δικτύου ανατροφοδότησης: Υπολογισμός με ακρίβεια των παραμέτρων των αντιστάσεων ανάδρασης και άλλων σχετικών εξαρτημάτων κυκλώματος, η απόδοση του ενισχυτή, όπως η γραμμικότητα, το επίπεδο θορύβου και η απόκριση συχνότητας, μπορούν να βελτιστοποιηθούν.

Χρησιμοποιήστε ηλεκτρονικά εξαρτήματα υψηλής ποιότητας: Η επιλογή αντιστάσεων υψηλής ακρίβειας, χαμηλού θορύβου και άλλων εξαρτημάτων μπορεί να βελτιώσει τη συνολική απόδοση του κυκλώματος.

Η αρνητική ανατροφοδότηση επιτρέπει μεγαλύτερη σταθερότητα και καλύτερο έλεγχο θυσιάζοντας μερικά από τα κέρδη ανοιχτού βρόχου.

Βοηθά επίσης στη μείωση των διακυμάνσεων της απόδοσης του κυκλώματος που προκαλούνται από εξωτερικούς παράγοντες όπως οι αλλαγές θερμοκρασίας και η αστάθεια τροφοδοσίας.

Η αρνητική ανατροφοδότηση είναι μια βασική τεχνολογία στον σχεδιασμό λειτουργικού ενισχυτή.Επιτυγχάνει σταθερότητα και ελεγχόμενο από το λεπτό έλεγχο κλειστού βρόχου, η οποία είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτίωση της συνολικής απόδοσης και της αξιοπιστίας των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων.Αποκτώντας μια βαθύτερη κατανόηση των αρχών λειτουργίας και των εφαρμογών αρνητικής ανάδρασης, οι σχεδιαστές ηλεκτρονικών κυκλωμάτων μπορούν να σχεδιάσουν πιο ακριβή και σταθερά συστήματα κυκλωμάτων.

Στην τοπολογία ενισχυτή αναστροφής, ο πυρήνας του κυκλώματος είναι ο επιχειρησιακός ενισχυτής, του οποίου η εισροή αναστροφής λαμβάνει το σήμα αρνητικής ανάδρασης από την έξοδο μέσω της αντίστασης RF.Το χαρακτηριστικό αυτής της τοπολογίας είναι ότι όταν αυξάνεται η τάση εξόδου, η τάση στο ακροδέκτη αναστροφής μειώνεται, μειώνοντας έτσι την αύξηση της τάσης εξόδου και τη διαμόρφωση αρνητικών ανατροφοδότησης.

Σε έναν ιδανικό κόσμο, υποθέτουμε ότι δεν υπάρχει διαφορά τάσης μεταξύ των ακροδεκτών εισόδου του OP-AMP, δηλαδή των αναστροφών και των μη μετατροπών θα βρίσκονται στην ίδια τάση.Αυτή η κατάσταση ονομάζεται "εικονικό βραχυκύκλωμα".

Δεδομένου ότι ο ακροδέκτης εισόδου που δεν εισάγεται συνδέεται απευθείας στο έδαφος (η τάση είναι 0V), ο ακροδέκτης αναστροφής πρέπει επίσης να διατηρείται στο 0V για να ικανοποιήσει την κατάσταση του εικονικού βραχυκυκλώματος.

Μεταξύ αυτών, το (0 - VIN)/R1 αντιπροσωπεύει το ρεύμα από τον ακροδέκτη εισόδου στον ακροδέκτη αναστροφής και (0 - VOUT)/RF αντιπροσωπεύει το ρεύμα από τον ακροδέκτη εξόδου στον ακροδέκτη αναστροφής.

Αυτό δείχνει ότι το μέγεθος του κέρδους καθορίζεται από την αναλογία των RF και R1 και λόγω του αρνητικού σημείου, το σήμα εξόδου είναι εκτός φάσης (180 μοίρες εκτός φάσης) με το σήμα εισόδου.

Η αντίσταση εισόδου ορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την αντίσταση εισόδου R1 στον ενισχυτή αναστροφής.Αυτό απαιτεί προσεκτική εξέταση της σύνθετης αντίστασης εξόδου της πηγής σημάτων εισόδου για την αποτελεσματική αντιστοίχιση αντίστασης.

Η απόκριση συχνότητας, μια ζωτική πτυχή, συναντά περιορισμούς λόγω των εγγενών περιορισμών του εύρους ζώνης του ενισχυτή του OP.Αυτό οδηγεί σε μια εκλεπτυσμένη πράξη εξισορρόπησης μεταξύ κέρδους και εύρους ζώνης, η οποία πρέπει να βελτιστοποιηθεί σχολαστικά ώστε να ταιριάζει στη συγκεκριμένη εφαρμογή.

Ο θόρυβος και η σταθερότητα, επηρεάζουν σημαντικά την απόδοση του κυκλώματος.Το προφίλ θορύβου του κυκλώματος, που διαμορφώνεται από τους αντιστάσεις και τους ενισχυτές OP, μπορεί να αποτελέσει πηγή ανησυχίας.Ωστόσο, αυτό δεν είναι μια ανυπέρβλητη πρόκληση.Επιλέγοντας εξαρτήματα χαμηλού θορύβου και χρησιμοποιώντας μια στοχαστική διάταξη κυκλώματος, αυτά τα θέματα μπορούν να μετριαστούν σημαντικά.

Για την τοπολογία ενισχυτή μη αντιστροφής, η βασική αρχή είναι να συνδέσετε το σήμα εισόδου με την εισροή μη μετατροπής του επιχειρησιακού ενισχυτή και ταυτόχρονα χρησιμοποιήστε μια αντίσταση ανάδρασης (RF) για να συνδεθείτε με το μη μετατρέψιμο του τερματικού στη φόρμαΈλεγχος κλειστού βρόχου.Σε μια ιδανική κατάσταση, υποτίθεται ότι οι τάσεις στον ακροδέκτη εισόδου που δεν αντιστρέφουν και ο ακροδέκτης εισόδου αντιστροφής (εισροή αναστροφής) του επιχειρησιακού ενισχυτή είναι ίσες, δηλαδή είναι μηδενικές τάσεις στην κατάσταση μη υπογραφής.Σε αυτή την περίπτωση, η τάση στην είσοδο που δεν αντιστοιχεί στην είσοδο είναι ίση με την τάση σήματος εισόδου (VIN) επειδή συνδέεται άμεσα με το σήμα εισόδου.

Εφαρμόζοντας τον τρέχοντα νόμο του Kirchhoff (KCL) στον τερματικό σταθμό, μπορεί να δημιουργηθεί η εξίσωση κόμβου.Αυτή η εξίσωση λαμβάνει υπόψη το άθροισμα των ρευμάτων που εισέρχονται στον ακροδέκτη αναστροφής, το οποίο πρέπει να είναι μηδέν (το οποίο μπορεί να αγνοηθεί λαμβάνοντας υπόψη το εξαιρετικά μικρό ρεύμα εισόδου του OP-AMP).

Εδώ, το ρεύμα είναι το ρεύμα που ρέει μέσω της αντίστασης ανάδρασης στον ακροδέκτη αναστροφής και (VIN - 0)/R1 είναι το ρεύμα που ρέει μέσω της αντίστασης εισόδου στο αναστροφή του ακροδέκτη.

Αυτός ο τύπος δείχνει ότι το κέρδος ενός ενισχυτή μη μετατροπής καθορίζεται από την αναλογία της αντίστασης ανάδρασης στην αντίσταση εισόδου και ότι το κέρδος είναι τουλάχιστον 1 (δηλ. Όταν RF = 0).

Αντιστοίχιση αντίστασης: Προκειμένου να βελτιωθεί η σταθερότητα του κυκλώματος και να μειωθεί η παραμόρφωση του σήματος, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η αντιστοίχιση της σύνθετης αντίστασης εξόδου της πηγής εισόδου και η αντίσταση εισόδου του ενισχυτή.

Απόκριση συχνότητας: Λόγω των περιορισμών του εύρους ζώνης του OP-AMP, η απόκριση συχνότητας ενός ενισχυτή μη μετατροπής μπορεί να μειωθεί καθώς αυξάνεται το κέρδος.Ο σχεδιασμός θα πρέπει να εξετάσει το ενδεχόμενο επιλογής του κατάλληλου μοντέλου ενισχυτή OP και ρύθμισης των παραμέτρων κυκλώματος για την ικανοποίηση των απαιτήσεων εφαρμογής.

Θόρυβος και σταθερότητα: Ο θόρυβος της αντίστασης και ο εσωτερικός θόρυβος του OP-AMP επηρεάζουν την απόδοση του ενισχυτή που δεν αντιστρέφουν.Οι αντιστάσεις χαμηλού θορύβου και οι ενισχυτές OP θα πρέπει να επιλέγονται κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού και οι κατάλληλες στρατηγικές δρομολόγησης και γείωσης θα πρέπει να χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της συνολικής σταθερότητας και της απόρριψης του θορύβου του κυκλώματος.

Με την εμβέλεια βαθιά στις αποχρώσεις της αρνητικής ανάδρασης, την αντιστροφή του ενισχυτή και των τοπολογιών ενισχυτών που δεν αντιστρέφουν, κερδίζουμε μια πλουσιότερη εκτίμηση του κεντρικού ρόλου τους στη σφαίρα του σύγχρονου σχεδιασμού ηλεκτρονικού κυκλώματος.Ας στρέψουμε πρώτα την προσοχή μας στα οφέλη των αρνητικών σχολίων.Είναι ένα παιχνίδι-changer: Η αρνητική ανατροφοδότηση ενισχύει θεμελιωδώς τόσο τη σταθερότητα όσο και την ακρίβεια σε κυκλώματα μειώνοντας το κέρδος.Εξετάστε, για παράδειγμα, έναν επιχειρησιακό ενισχυτή.Εδώ, η αρνητική ανατροφοδότηση είναι ένα ισχυρό εργαλείο, μειώνοντας δραματικά την αντίσταση εξόδου, ενισχύοντας ταυτόχρονα την αντίσταση εισόδου.Αυτή η διπλή δράση τελειώνει τα χαρακτηριστικά απόκρισης του κυκλώματος.Αυτή η βελτίωση είναι διπλή: όχι μόνο αυξάνει την απόδοση του κυκλώματος, αλλά επίσης μετριάζει αξιοσημείωτα τις επιδράσεις των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας και της γήρανσης της συσκευής στην αποτελεσματικότητα του κυκλώματος.

Τώρα, ας περιηγηθείτε στις περιπλοκές των τοπολογιών αντιστροφής και μη μετατροπής ενισχυτών.Οι ενισχυτές αντιστροφής, γνωστοί για την αντιστροφή φάσης των 180 μοιρών μεταξύ σημάτων εισόδου και εξόδου, είναι αναπόσπαστα τα ηχητικά συστήματα και η επεξεργασία σήματος.Πάρτε ενισχυτές ήχου ως παράδειγμα.Οι ενισχυτές αντιστροφής συμβάλλουν στην παροχή ενός παρθένου σήματος εξόδου χωρίς παραμόρφωση, αυξάνοντας έτσι την ποιότητα του ήχου.Από την άλλη πλευρά, οι ενισχυτές που δεν αντιστρέφουν τους ενισχυτές διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στην απόκτηση δεδομένων και τις διεπαφές αισθητήρων, χάρη στην εισροή και την έξοδο τους ευθυγραμμισμένες με φάση.Εκφράζουν σε διαδρομές σήματος περικοπής και περιορίζοντας την παρεμβολή θορύβου, η οποία, με τη σειρά του, ενισχύει την αναλογία σήματος προς θόρυβο του συστήματος.

Στην ουσία, αυτή η θεμελιώδη γνώση του σχεδιασμού ηλεκτρονικού κυκλώματος δεν απλώς εμβαθύνει την κατανόησή μας για τις αρχές των κυκλωμάτων.Δημιουργεί μια ισχυρή πλατφόρμα για τη δημιουργία αποτελεσματικών, χαμηλού θορύβου και προσαρμόσιμων ηλεκτρονικών συστημάτων.Μια εμπεριστατωμένη αντίληψη αυτών των εννοιών εξοπλίζει τους ηλεκτρονικούς σχεδιαστές με τεράστιο καμβά για καινοτομία, προκαλώντας συνεχιζόμενες προόδους στην ηλεκτρονική τεχνολογία.