מגברים תפעוליים: הפוך לעומת טופולוגיות שאינן מעוררות

מגבר תפעולי, בבסיסה, הוא מגבר מתח בעל ביצועים גבוהים, אינטגרלי לשלל מערכות אלקטרוניות.מכשיר זה מסתובב על פילוסופיה עיצובית הממנפת משרנים, קבלים ונגדים.רכיבים אלה שזורים זה בזה בריקוד של תחכום, תוך תזמורת על רווח מתח באמצעות מנגנון משוב מורכב.בדרך כלל, מגבר OP מזוקק לשלושה מסופים יסודיים: הקלט ההפוך, הקלט הלא-ממיר והפלט.הריקוד המורכב של מסופים אלה מכתיב את הביצועים ואת היקף היישום של המגבר.

קָטָלוֹג

בתרחיש אידיאלי, מגבר OP הוא פרגון של שלמות, המתגאה בתכונות כמו התנגדות אינסופית בשתי התשומות - עדות ללא מעבר של זרם למסופים.זה מבטיח מתח אחיד על פני תשומות, עמידות לאפס פלט, רווח לולאה פתוחה ללא גבולות, רוחב פס אינסופי וקיזוז זניח.עם זאת, לפני שאנחנו מתעמקים בתחום המגברים התפעוליים, יש מאוד להבין את אופי המשוב השלילי.מושג זה אינו רק עמוד בעיצוב המעגלים;זה אבן הפינה למעגלים אלקטרוניים יציבים בעלי ביצועים גבוהים.

המאמר שלנו נועד לחשוף את הניואנסים של משוב שלילי, את שיקולי העיצוב שלו ושיפור ביצועי המעגל באמצעות אופטימיזציה.הבא בתור הוא ניתוק קפדני של שני טופולוגיות מגבר תפעוליות מרכזי: המגברים ההפוכים והלא מעוררים.אנו מתעמקים בעקרונותיהם, בשיטות החישוב שלהם ובאלמנטים המרכזיים בעיצוב המעגלים.צלילה עמוקה זו תעניק לנו מבט פנורמי של האופן בו טופולוגיות מגבר אלה מקלות על בקרת דיוק ויציבות בלתי מעורערת ביישומים בעולם האמיתי.

לפני שהבנתם מגברים תפעוליים (טופולוגיות הפוכה והפנייתם), עלינו להבין מושג מפתח, משוב שלילי.

משוב שלילי הוא לא רק טכניקת תכנון מעגלים, אלא גם אבן הפינה להשגת מעגלים אלקטרוניים בעלי ביצועים גבוהים ויציבות גבוהה.הרעיון הבסיסי של משוב שלילי הוא להוסיף נגדי בין הפלט לקלט ההפוך, ויוצר מערכת בקרת לולאה סגורה.

מגברי OP יכולים לספק רווחים גבוהים במיוחד עם לולאה פתוחה ללא משוב שלילי, אך לרוב רווחים גבוהים כאלה מלווים בקשיי בקרה ויציבות לקויה.

על ידי הצגת נגדי משוב בין הפלט לקלט ההפוך, חלק מאות הפלט של המגבר הוא "משוב" חזרה לכניסה.שיטה זו למעשה "מתפשטת" חלק מהרווח, ובכך שולטת על הרווח הכולל של המגבר.

בחירת נגדי משוב: הערך של נגדי המשוב משפיע ישירות על רווח הלולאה הסגורה.בחירת ערך הנגד המתאים היא המפתח להשגת הרווח והביצועים הרצויים.

הקשר בין רווח לולאה סגורה לרוחב הפס: יש לקחת בחשבון את הסחר בין רווח לרוחב הפס במהלך העיצוב.הגדלת רווח הלולאה הסגורה גורמת בדרך כלל להפחתת רוחב הפס.

יציבות ועיוות: משוב שלילי מתאים יכול לשפר משמעותית את יציבות המעגל ולהפחית את עיוות האות.

חישוב מדויק של רשת משוב: על ידי חישוב מדויק של הפרמטרים של נגדי משוב ורכיבי מעגל קשורים אחרים, ניתן לבצע אופטימיזציה של ביצועי מגבר כגון לינאריות, רמת רעש ותגובת תדרים.

השתמש ברכיבים אלקטרוניים באיכות גבוהה: בחירת דיוק גבוה, נגדים עם רעש נמוך ורכיבים אחרים יכולה לשפר את הביצועים הכוללים של המעגל.

משוב שלילי מאפשר יציבות רבה יותר ושליטה טובה יותר על ידי הקרבת חלק מהרווח הפתוח לולאה.

זה גם מסייע בהפחתת תנודות ביצועי המעגל הנגרמות על ידי גורמים חיצוניים כמו שינויי טמפרטורה וחוסר יציבות באספקת החשמל.

משוב שלילי הוא טכנולוגיית מפתח בעיצוב מגבר תפעולי.זה משיג יציבות רווחים ויכולת שליטה באמצעות בקרת לולאה סגורה עדינה, וזה חיוני לשיפור הביצועים והאמינות הכוללים של מעגלים אלקטרוניים.על ידי השגת הבנה מעמיקה יותר של עקרונות העבודה והיישומים של משוב שלילי, מעצבי מעצבים אלקטרוניים יכולים לתכנן מערכות מעגלים מדויקות ויציבות יותר.

בטופולוגיית המגבר ההפוכה, ליבת המעגל היא המגבר התפעולי, שהקלט ההפוך שלו מקבל את אות המשוב השלילי מהפלט דרך ה- RF הנגד.המאפיין של טופולוגיה זו הוא שכאשר מתח הפלט גדל, המתח בטרמינל הקלט ההפוך יורד, ובכך מפחית את העלייה במתח היציאה ויוצר משוב שלילי.

בעולם אידיאלי, אנו מניחים כי אין הבדל מתח בין מסופי הקלט של ה- OP-AMP, כלומר המסופים ההפוכים והלא מעוררים יהיו באותו מתח.מדינה זו נקראת "קצרה וירטואלית".

מכיוון שמסוף הקלט שאינו מעורב מחובר ישירות לקרקע (המתח הוא 0V), יש לשמור גם על מסוף הקלט ההפוך ב- 0V כדי לספק את מצב הקצר הווירטואלי.

ביניהם, (0 - VIN)/R1 מייצג את הזרם ממסוף הקלט למסוף ההפוך, ו- (0 - VOUT)/RF מייצג את הזרם ממסוף הפלט למסוף ההפוך.

זה מראה שעוצמת הרווח נקבעת על ידי היחס בין RF ו- R1, ובשל הסימן השלילי, אות הפלט יוצא מהשלב (180 מעלות מחוץ לשלב) עם אות הקלט.

עכבה קלט מוגדרת ברובה על ידי הנגד הקלט R1 במגבר ההפוך.זה דורש בחינה מדוקדקת של עכבת הפלט של מקור אות הקלט להתאמת עכבה יעילה.

תגובת תדרים, היבט חיוני, נתקלת במגבלות בגלל אילוצי רוחב הפס המובנים של OP AMP.זה מוביל לפעולה של איזון ניואנס בין רווח לרוחב הפס, אשר חייב להיות מותאם בקפדנות כך שיתאים לאפליקציה הספציפית העומדת בפנינו.

רעש ויציבות משפיעים באופן משמעותי על ביצועי המעגל.פרופיל הרעש של המעגל, המעוצב על ידי הנגדים ומגברי OP, יכול להוות מקור לדאגה.עם זאת, זה לא אתגר בלתי עביר.על ידי בחירת רכיבים עם רעש נמוך והפעלת מתווה מעגלים מהורהר, ניתן להקל על סוגיות אלה באופן משמעותי.

לטופולוגיית המגבר הלא מעוררת, העיקרון הבסיסי הוא לחבר את אות הקלט לקלט שאינו מפעיל של המגבר התפעולי, ובו בזמן להשתמש בנגד משוב (RF) כדי להתחבר למסוף שאינו הפוך כדי ליצורבקרת לולאה סגורה.במצב אידיאלי, ההנחה היא שהמתחים בטרמינל הקלט שאינו מפעיל ומסוף הכניסה ההפוך (קלט הפוך) של המגבר התפעולי שווים, כלומר הם אפס מתח במצב ללא אות.במקרה זה, המתח בכניסה שאינה מעוררת שוויון שווה למתח אות הכניסה (VIN) מכיוון שהוא מחובר ישירות לאות הקלט.

החלת החוק הנוכחי של קירצ'וף (KCL) על הטרמינל ההפוך, ניתן לקבוע את משוואת הצומת.משוואה זו לוקחת בחשבון את סכום הזרמים הזורמים לטרמינל ההפוך, אשר חייב להיות אפס (שניתן להתעלם ממנו בהתחשב בזרם הקלט הקטן ביותר של ה- OP-AMP).

כאן, (vin - vout)/rf הוא הזרם הזורם דרך נגדי המשוב למסוף ההפוך, ו- (vin - 0)/r1 הוא הזרם הזורם דרך נגד הקלט למסוף ההפוך.

נוסחה זו מראה כי הרווח של מגבר שאינו מפעיל נקבע על ידי היחס בין נגדי המשוב לנגד הקלט וכי הרווח הוא לפחות 1 (כלומר כאשר RF = 0).

התאמת עכבה: על מנת לשפר את יציבות המעגל ולהפחית את עיוות האות, יש לקחת בחשבון את התאמת עכבת הפלט של מקור האות הקלט ואת עכבת הקלט של המגבר.

תגובת תדרים: בשל מגבלות רוחב הפס של ה- OP-AMP, תגובת התדרים של מגבר שאינו הפוך עשויה לרדת ככל שהגמירה עולה.העיצוב צריך לשקול לבחור את מודל ה- OP AMP המתאים ולהתאים את פרמטרי המעגל כדי לעמוד בדרישות היישום.

רעש ויציבות: רעש נגדי ורעש פנימי של OP-AMP משפיעים שניהם משפיעים על ביצועי המגבר שאינם מעוררים.יש לבחור נגדים עם רעש נמוך ומגברי OP במהלך העיצוב, ויש להשתמש באסטרטגיות ניתוב והארקה נאותות כדי לשפר את היציבות הכללית ודחיית הרעש של המעגל.

על ידי התעמקות עמוק בניואנסים של משוב שלילי, מגבר הפוך וטופולוגיות מגבר שאינן מעוררות, אנו מקבלים הערכה עשירה יותר לתפקידם המרכזי בתחום עיצוב המעגלים האלקטרוניים המודרניים.בואו נפנה תחילה את תשומת ליבנו ליתרונות של משוב שלילי.זה מחליף משחק: משוב שלילי מחזק ביסודו יציבות ודיוק במעגלים על ידי הפחתת הרווח.שקול, למשל, מגבר מבצעי.כאן, משוב שלילי הוא כלי חזק, ומפחית באופן דרמטי את עכבת הפלט ובמקביל מגביר את עכבת הקלט.פעולה כפולה זו מכוונת את מאפייני התגובה של המעגל.שיפור זה הוא כפול: הוא לא רק מעלה את ביצועי המעגל אלא גם מקלה באופן מדהים את ההשפעות של תנודות טמפרטורה והזדקנות מכשירים ביעילות המעגל.

כעת, בואו לנווט במורכבות של טופולוגיות מגבר הפוכה ולא הפוך.מגברים הפוכים, הידועים בזכות היפוך שלב של 180 מעלות בין אותות קלט לפלט, הם אינטגרליים למערכות קול ועיבוד אותות.קח דוגמא למגברי שמע;מגברים הפוכים מסייעים במתן אות פלט וטהור ללא עיוות, ובכך מעלה את איכות השמע.מצד שני, מגברים שאינם מעוררים ממלאים תפקיד מכריע בממשקי רכישת נתונים וחיישן, בזכות הקלט והפלט שלהם המותאמים בשלב.הם מצטיינים בנתיבי אות מקצצים ומצמצמים הפרעות רעש, אשר בתורו מגבירה את יחס האות לרעש המערכת.

בעיקרו של דבר, ידע יסודי זה של תכנון מעגלים אלקטרוניים אינו מעמיק רק את ההבנה שלנו בעקרונות המעגלים;זה קובע פלטפורמה חזקה ליצירת מערכות אלקטרוניות יעילות, כרעס נמוך וניתנות להתאמה.אחיזה יסודית של מושגים אלה מציידת מעצבים אלקטרוניים עם בד עצום לחדשנות, תוך כדי התקדמות מתמשכת בטכנולוגיה אלקטרונית.