Alapkapcsolások

Most nézzük meg egy a gyakorlat (és a magyarázhatóság szempontjából fontos esetet.

12-3. ábra

Az ábrán nem jelöltük a tápfeszültségeket, ugyanis innentől a működés szempontjából indiffe-rensek, azaz magyarul ott vannak és kész. A kapcsolás működésének megértéshez egy tényt rögzíteni kell. Az erősítő bemeneti ellenállása igen nagy, gyakorlatilag végtelennek tekinthe-tő. Ez még valószínűleg mindenki számára elfogadható, ha R₁ és R₂ értéke néhány kΩ akkor a többszáz MΩ belső ellenállás felé elkóborló néhány elektron nem játszik szerepet.

Most nézzük az erősítő működését. Tegyük fel, hogy bekapcsolás után mind a bemeneten, mind a kimeneten 0V feszültség van. Ekkor a kapcsolás bemenetére Ube feszültséget kapcso-lok. A kimenet és az erősítő bemenete még nem vett észre semmit 0V-on van mindkettő. Az R₁-R₂ sorba kötött ellenállásra azonban U_be feszültség jut, aminek hatására áram indul a két ellenálláson, mégpedig, mivel a Kirchoff csomóponti törvény valóságtartalma nem megkérdő-jelezhető, továbbá, mivel az erősítő felé gyakorlatilag semekkora áram nem folyik el, így R1 -en és R2-n ugyanaz az áram folyik. Könnyen látható, hogy ebben az esetben az R₁ és R₂ közöt-ti ponton, ami az erősítő invertáló bemeneközöt-ti pontja is, ^U_be

R R

U R 

 



2 1

2 nagyságú feszültség alakul ki. Látható, hogy U^* feszültség polaritása megegyezik Ube polaritásával, ezért Uki fe-szültség az erősítés hatására ellenkező irányban kezd el növekedni. Ha azonban Uki változik akkor az R₁-R₂ ellenállásokra jutó feszültség is változik, és U^* értéke csökkenni fog. Uki értéke mindaddig U_be polaritásával ellenkező irányba fog változni, ameddig U^* értéke 0-ra nem csökken, ekkor ugyanis semmi nem indokolja, hogy Uki értéke tovább változzon.

A jobb érthetőség kedvéért vizsgáljuk meg, mi történik a gyakorlatban. Tekintsünk el az erő-sítő végtelen nagy erősítésétől, legyen A=10000. Ez egyébként azt jelenti, hogy ha a

bemenet-re 1mV feszültség jut, az a kimeneten 10V feszültséget generál. Legyen R₁ értéke 10kΩ R₂ értéke 20kΩ. Kapcsoljunk a bemenetre 3V feszültséget. Ekkor, mivel a kezdeti pillanatban vagyunk, Uki értéke 0 tehát U^* a feszültségosztó miatt 2V. Ekkor az erősítőnk Uki=-A*U^* azaz U_ki=–10000*2V=–20000V feszültséget képzel el a kimenetén. Az elképzelést tett követi U_ki elkezd negatív irányban növekedni. Igen hamar eléri – egyszerű számolhatóság érdekében – mondjuk a –1,8V feszültséget. R1-R2-re ekkor 4,8V jut, így U^* értéke 1,4V-ra adódik (Ube= 3V, R1-en pedig éppen a 4,8V harmada esik). Az erősítő ekkor még mindig 14000V feszült-séget képzel el, de látjuk, hogy az elképzelés már a realitás felé tart. Amikor a kimeneti fe-szültség például 6mV híján eléri a -6V fefe-szültséget, akkor U^* már csak 2mV, azaz az elkép-zelt kimeneti feszültség 20V, amikor pedig U^* eléri a 0,6mV értéket, Uki elért és elképzelt értéke gyakorlatilag éppen megegyezik.

Jó közelítéssel az előbbi fejtegetés azt mutatja, hogy a 12-3. ábrán látható kapcsolásban az erősítő a kimenetén úgy állítja be a feszültséget, hogy a bemenetén megjelenő U^* feszültség éppen 0 értéket vegyen fel. A műveleti erősítőkkel való számolásnál ez azt jelenti, hogy az erősítő invertáló bemenete mindig 0 potenciálon van, és az erősítő felé nem folyik áram.

12-4. ábra

Nézzük meg a 12-4. ábrát az előbbi szempontok szerint. Láttuk azt, hogy az erősítő kimenetén akkora feszültség alakul ki, hogy az invertáló bemeneti pont éppen 0 potenciálon legyen. Ek-kor azonban RB1 ellenálláson Ube1 feszültség esik, és az Ohm törvény értelmében

1 1 1

B be

be R

I  U

áram, RB2 ellenálláson

2 2 2

B be

be R

I  U áram fog folyni. Emlékezzünk vissza arra, hogy a műveleti erősítő felé nem folyik áram, továbbá, hogy a Kirchoff csomóponti törvény itt is igaz, ezért a

visszacsatoló ellenálláson I_ki  I_be1I_be2. A visszacsatoló ágra felírható még az

ki ki

ki R

I  U így

2 2

1 1

B be B

be ki ki

R U R U R

U   amiből

2 2 1 1

be B

ki be B ki

ki U

R U R R

U  R  (48)

Az előbbi összefüggések alapján a 12-3. ábrán látható kapcsolást invertáló 12-4. ábrán látha-tót pedig összegző kapcsolásnak nevezzük.

Rajzoljuk fel a következő két kapcsolást.

12-5. ábra

12-6. ábra

A kapcsolások vizsgálatánál ugyanúgy járjunk el, mint eddig, azaz tekintsük a műveleti erősí-tő invertáló bemenet pontját 0 potenciálúnak, és tekintsük a ki és bemeneti elemeken folyó áramot azonosnak. A12-5. ábra kapcsolását vizsgálva látható, hogy Rbe ellenállás árama csak U_be feszültségtől és R_be ellenállástól függ. Tekintsük U_be értékét állandónak, ekkor a bemeneti ellenálláson folyó áram is állandó lesz. Azonban, mivel a bemenő ellenálláson és a visszacsa-toló kondenzátoron ugyanaz az áram folyik, azaz

Rbe

A visszacsatoló kondenzátor feszültsége, ami egyben a kapcsolás kimenő feszültsége

0 kapcso-lás kimeneti feszültségét a kezdeti pillanatban ( ₀

0 0-nak tekintve felírható, hogy

dt

A 12-5. ábrán látható kapcsolás, mint az az előző egyenletből kitalálható az integráló alapkap-csolás.

Különösebb magyarázat nélkül is belátható, hogy a 12-6. ábra kapcsolása differenciáló funk-ciót valósít meg, ahol

dt C dU R

U_ki  _be _ki ^be (53)

Levezetés nélkül megjegyeznénk, hogy a gyakorlatban a diffrenciáló tag jelentősége kicsi, ugyanis a vizsgált jelre szuperponált zavarjelek erősen befolyásolják a kimenő jel alakját. Dif-ferenciáló funkciót ezért inkább egy arányos erősítő visszacsatoló ágában elhelyezett integráló típusú erősítővel célszerű megvalósítani.

Az utolsó tárgyalt műveleti erősítő működése kicsit eltér az eddig tárgyalt esetektől.

12-7. ábra

A 12-7. ábrán látható erősítő esetén a bemenetet nem az invertáló, hanem a nem invertáló bemeneti pontra kötöttem. A kapcsolás stabil működése azonban mindenképpen negatív visz-szacsatolást igényel, ezért a visszacsatoló ág a kimenet és az invertáló bemenet között találha-tó. A visszacsatolt műveleti erősítők tárgyalásának elején beláttuk, hogy az erősítő kimenetén olyan feszültség igyekszik kialakulni, hogy az invertáló és a nem invertáló bemeneti pontok között ne legyen feszültségkülönbség. Esetünkben a nem invertáló bemeneti pontra minden-képp Ube érték jut, ami azt jelenti, hogy az invertáló bemeneti pont is ugyanerre a potenciálra kerül. Vegyük észre, hogy az R0 ellenállás az invertáló bemenet és a földpont között van, tehát

0

0 R

I_R  U^be (54)

Továbbá a Kirchoff törvény és a műveleti erősítő igen nagy bemenő ellenállása miatt IRv=I_R0 így

A fenti összefüggés azt mutatja, hogy ebben a kapcsolásban szintén egy arányos típusú kap-csoláshoz jutunk, csak míg a 12-3. ábra szerinti kapcsolásban a bemeneti és a kimeneti fe-szültség ellenkező polaritású volt, addig ebben a kapcsolásban a polaritás megegyező.

Még egy lényeges momentumról ejtsünk szót. Az utolsó kapcsolás kivételével az összes alap-kapcsolásban a bemeneti pont és az erősítő közé kötött ellenállás játszott szerepet a kimenő jel formálásában. A nem invertáló kapcsolásban vegyük észre, hogy a bemenetre kötött ellenállás egyik végpontja a műveleti erősítő végtelen belső ellenállású bemenete, így ezen az ellenállá-son áram nem folyik, és feszültség sem esik. Ennek az ellenállásnak csak a tényleges megva-lósításban van szerepe, a tárgyalásnak ezen a szintjén a hatását nem kell figyelembe venni.