Operačné zosilňovače

Operačné zosilňovače

Čo sú to operačné zosilňovače?

Operačné zosilňovače sú základnými stavebnými prvkami systému Analógové elektronické obvody . Sú to lineárne zariadenia so všetkými vlastnosťami jednosmerného zosilňovača. Môžeme použiť externé rezistory alebo kondenzátory na Op Amp je veľa rôznych spôsobov, ako z nich urobiť rôzne formy zosilňovačov, ako sú Invertujúci zosilňovač, Neinvertujúci zosilňovač, Sledovač napätia, Komparátor, Diferenciálny zosilňovač, Sumačný zosilňovač, Integrátor atď. OPAMP môžu byť jednoduché, dual, quad atď. OPAMP ako CA3130, CA3140, TL0 71, LM311 atď. majú vynikajúci výkon s veľmi nízkym vstupným prúdom a napätím. Ideálny operačný zosilňovač má okrem iných terminálov aj tri dôležité terminály. Vstupné svorky sú invertujúci vstup a neinvertujúci vstup. Tretia svorka je výstup, ktorý môže klesnúť a napájať prúd a napätie. Výstupný signál je zisk zosilňovača vynásobený hodnotou vstupného signálu.



5 Ideálne postavy operačného zosilňovača:

1. Otvorte zisk slučky


Zisk otvorenej slučky je zisk Op Amp bez pozitívnej alebo negatívnej spätnej väzby. Ideálny OP zosilňovač by mal mať nekonečný zisk otvorenej slučky, ale zvyčajne sa pohybuje v rozmedzí 20 000 až 2 00 000.





2. Vstupná impedancia

Je to pomer vstupného napätia k vstupnému prúdu. Mal by byť nekonečný bez akéhokoľvek úniku prúdu z napájania na vstupy. Vo väčšine operačných zosilňovačov však dôjde k niekoľkým únikom prúdu Pico ampér.



3. Výstupná impedancia


Ideálny operačný zosilňovač by mal mať nulovú výstupnú impedanciu bez vnútorného odporu. Aby mohol dodávať plný prúd do záťaže pripojenej k výstupu.

4. Šírka pásma

Ideálny operačný zosilňovač by mal mať nekonečnú frekvenčnú odozvu, aby mohol zosilniť ľubovoľnú frekvenciu od jednosmerných signálov po najvyššie frekvencie striedavého prúdu. Väčšina operačných zosilňovačov má ale obmedzenú šírku pásma.

5. Ofset

Ak je rozdiel napätia medzi vstupmi nulový, výstup zosilňovača by mal byť nulový. Ale vo väčšine operačných zosilňovačov nebude výstup nulový, keď bude vypnutý, ale bude z neho mať minútové napätie.

Konfigurácia pinov OPAMP:

OP-AMP-PINY

V typickom operačnom zosilňovači bude 8 pinov. Toto sú

Pin1 - Offset Null

Pin2 - Invertujúci vstup INV

Pin3 - neinvertujúci vstup Non-INV

Pin4 - zem - záporné napájanie

Pin5 - Offset Null

Pin6 - výstup

Pin7 - Kladné napájanie

Pin8 - stroboskop

4 typy zisku v OPAMP:

Zisk napätia - vstupné a výstupné napätie

Aktuálny zisk - prúd dovnútra a prúd von

Transkonduktancia - vstupné a výstupné napätie

Trans odpor - prúd a napätie mimo

Fungovanie operačného zosilňovača:

Tu sme použili operačný zosilňovač LM358. Zvyčajne musí byť neinvertujúci vstup venovaný predpätiu a invertujúci vstup je skutočný zosilňovač pripojený k spätnej väzbe 60k odporu z výstupu na vstup. A rezistor 10k je zapojený do série s kondenzátorom a do obvodu je daný prívod 1V sínusovej vlny, teraz uvidíme, ako sa bude zisk riadiť ziskom R2 / R1 = 60k / 10k = 6, potom je výstup 6V . Ak zmeníme zisk o 40, potom bude výstup 4V sínusovej vlny.

Video o práci operačného zosilňovača

Za normálnych okolností ide o duálny zosilňovač napájania, ktorý sa dá ľahko nakonfigurovať na jediný zdroj napájania pomocou odporovej siete. V tomto rezistor R3 a R4 umiestni na neinvertujúci vstup napätie polovice napájacieho napätia, čo spôsobí, že výstupné napätie bude tiež polovica napájacieho napätia a vytvorí akýsi predpätý rezistor R3 a R4 môže mať ľubovoľnú hodnotu od 1 000 až 100 000, ale vo všetkých prípadoch by mali byť rovnaké. K neinvertujúcemu vstupu bol pridaný ďalší kondenzátor 1 F, aby sa znížil šum spôsobený konfiguráciou. Pre túto konfiguráciu je potrebné použitie spojovacích kondenzátorov pre vstup a výstup.

3 aplikácie OPAMP:

1. Zosilnenie

Zosilnený výstupný signál z Op Amp je rozdiel medzi dvoma vstupnými signálmi.

ZOSILNENIE

Schéma uvedená vyššie predstavuje jednoduché pripojenie Op Amp. Ak sú obidva vstupy napájané rovnakým napätím, Op Amp potom zoberie rozdiel medzi týmito dvoma napätiami a bude rovný 0. Op Amp to znásobí ziskom 1 000 000, takže výstupné napätie je 0. Keď sú 2 V daný na jeden vstup a 1 volt na druhý, potom Op Amp vezme svoj rozdiel a znásobí sa so ziskom. To je 1 volt x 1 000 000. Ale tento zisk je veľmi vysoký, aby sa znížil zisk, spätná väzba z výstupu na vstup sa zvyčajne vykonáva cez rezistor.

Invertujúci zosilňovač:

INVERTINGOVÝ ZOSILOVAČ

Vyššie uvedený obvod je invertujúci zosilňovač s neinvertujúcim vstupom pripojeným k zemi. Dva rezistory R1 a R2 sú zapojené do obvodu takým spôsobom, že R1 napája vstupný signál, zatiaľ čo R2 vracia výstup na vstup Invertujúci. Tu, keď je vstupný signál kladný, bude výstup záporný a naopak. Zmena napätia na výstupe vzhľadom na vstup závisí od pomeru rezistorov R1 a R2. R1 je vybrané ako 1K a R2 ako 10K. Ak vstup prijme 1 volt, bude cez R1 prúd 1 mA a výstup bude musieť byť - 10 voltov, aby sa mohol napájať prúdom 1 mA cez R2 a udržiavať nulové napätie na inverznom vstupe. Preto je zosilnenie napätia R2 / R1. To je 10K / 1K = 10

Neinvertujúci zosilňovač:

NEINVERTIFIKAČNÝ ZOSILOVAČ

Vyššie uvedený obvod je neinvertujúci zosilňovač. Tu neinvertujúci vstup prijíma signál, zatiaľ čo invertujúci vstup je pripojený medzi R2 a R1. Keď sa vstupný signál pohybuje buď kladne alebo záporne, výstup bude vo fáze a udržuje napätie na invertujúcom vstupe rovnaké ako napätie neinvertujúceho vstupu. Zisk napätia bude v tomto prípade vždy vyšší ako 1 (1 + R2 / R1).

dva. Sledovač napätia

NASLEDUJÚCE NAPÄTIE

Obvod vyššie je sledovač napätia. Tu poskytuje vysokú vstupnú impedanciu, nízku výstupnú impedanciu. Pri zmene vstupného napätia sa zmení výstup aj invertujúci vstup rovnako.

3. Komparátor

Operačný zosilňovač porovnáva napätie privedené na jeden vstup s napätím privedeným na druhý vstup. Akýkoľvek rozdiel medzi napätím, ak je malý, vedie operačný zosilňovač do sýtosti. Keď sú napätia dodávané na oba vstupy rovnakej veľkosti a rovnakej polarity, potom je výstup operačného zosilňovača 0 V.

Komparátor produkuje obmedzené výstupné napätia, ktoré sa dajú ľahko prepojiť s digitálnou logikou, aj keď je potrebné overiť kompatibilitu.

Video na operačnom zosilňovači ako obvodová schéma komparátora

Tu máme operačný zosilňovač používaný ako komparátor s invertujúcimi a neinvertujúcimi svorkami a pripojený k nim nejaký delič potenciálu a merač a na výstupe voltmetr a Viedlo k výstup. Základný vzorec pre komparátor je, že ak je znak „+“ väčší ako „–“, potom je výstup vysoký (jeden), inak je výstup nulový. Ak je napätie na zápornom vstupe nižšie ako referenčné napätie, výstup je vysoký a keď záporný vstup stúpne nad napätie na kladnom napätí, výstup klesá.

3 Požiadavky na OPAMP:

1. Nulové vyrovnanie

Väčšina OPAMP má na výstupe offsetové napätie, aj keď sú vstupné napätia rovnaké. Aby sa výstup dostal na nulové napätie, používa sa metóda offset nulovania. Vo väčšine operačných zosilňovačov existuje malý posun kvôli ich inherentnej vlastnosti a výsledkom nesúladu v usporiadaní vstupného predpätia. Takže na výstupe niektorých operačných zosilňovačov je k dispozícii malé výstupné napätie, aj keď je vstupný signál nulový. Túto nevýhodu je možné napraviť dodaním malého offsetového napätia na vstupy. Toto sa nazýva napätie vstupného posunu. Na odstránenie alebo vynulovanie posunutia má väčšina operačných zosilňovačov dva kolíky, ktoré umožňujú vynulovanie posunutia. Za týmto účelom by mal byť hrniec alebo predvoľba s typickou hodnotou 100 K pripojená medzi kolíky 1 a 5 pomocou stierača k zemi. Nastavením predvoľby možno výstup nastaviť na nulové napätie.

POSUNUTIE-NULLING dva. Stroboskop alebo fázová kompenzácia

Operačné zosilňovače môžu byť niekedy nestabilné a aby boli stabilné pre celé frekvenčné pásmo, je čiapočka obvykle zapojená medzi záblesk 8 a záblesk Strobe. Zvyčajne je pridaný diskový kondenzátor 47pF fázová kompenzácia takže OpAmp zostane stabilný. To je najdôležitejšie, ak sa OpAmp používa ako citlivý zosilňovač.

KROČENIE 3. Spätná väzba

Ako viete, Op-Amp má veľmi vysokú úroveň zosilnenia, obvykle okolo 1 000,00 krát. Predpokladajme, že Op-Amp má zisk 10 000, potom Op-Amp zosilní rozdiel napätia vo svojich neinvertujúcich vstupoch (V +) a invertujúcich vstupoch (V-). Takže výstupné napätie V out je
10 000 x (V + - V-)

1

Na diagrame je signál aplikovaný na neinvertujúci vstup a v invertujúcom vstupe je pripojený k výstupu. Takže V + = V in a V- = Vout. Preto Vout = 10 000 x (Vin - Vout). Preto je výstupné napätie takmer rovnaké ako vstupné napätie.

Teraz sa pozrime, ako spätná väzba funguje. Jednoduché pridanie odporu medzi invertujúci vstup a výstup výrazne zníži zisk. Prijatím zlomku výstupného napätia na invertujúci vstup sa môže zosilnenie značne znížiť.

dva

Podľa predchádzajúcej rovnice, V out = 10 000 x (V + - V-). Ale tu je pridaný spätnoväzbový rezistor. Takže tu V + je Vin a V- je R1.R1 + R2 x V out. Preto je V out 10 000 x (Vin - R1.R1 + R2xVout). Takže V out = R1 + R2.R1x Vin

Negatívna odozva:

Tu je výstup Op-Amp pripojený k jeho invertujúcemu (-) vstupu, teda výstup je privádzaný späť na vstup, aby sa dosiahla rovnováha. Vstupný signál na neinvertujúcom (+) vstupe sa teda odrazí na výstupe. Operačný zosilňovač so zápornou spätnou väzbou bude riadiť jeho výstup na potrebnú úroveň, a preto bude rozdiel napätia medzi jeho invertujúcimi a neinvertujúcimi vstupmi takmer nulový.

Pozitívna spätná väzba:

Tu sa výstupné napätie privádza späť na neinvertujúci (+) vstup. Vstupný signál sa privádza na invertujúci vstup. V prípade konštrukcie s pozitívnou spätnou väzbou, ak je invertujúci vstup pripojený k zemi, potom bude výstupné napätie z operačného zosilňovača závisieť od veľkosti a polarity napätia na neinvertujúcom vstupe. Keď je vstupné napätie kladné, potom bude výstup Op-Amp kladný a toto kladné napätie sa privedie na neinvertujúci vstup, čo vedie k úplnému kladnému výstupu. Ak je vstupné napätie záporné, stav sa obráti.

Aplikácia operačných zosilňovačov - zvukový predzosilňovač

Filtre a predzosilňovače:

Výkonové zosilňovače prídu za predzosilňovače a pred reproduktory. Moderné prehrávače CD a DVD nepotrebujú predzosilňovače. Potrebujú ovládanie hlasitosti a selektory zdrojov. Použitím ovládacích prvkov spínania a pasívneho hlasitosti sa môžeme vyhnúť predzosilňovačom.

Obvod predzosilňovača zvuku pomocou operačného zosilňovača

Poďme si stručne o výkonových zosilňovačoch zvuku

Výkonový zosilňovač je komponent, ktorý dokáže riadiť hlasné reproduktory tak, že prevádza signál nízkej úrovne na veľký signál. Úlohou výkonových zosilňovačov je produkovať relatívne vysoké napätie a vysoký prúd. Rozsah zosilnenia napätia je bežne medzi 20 a 30. Výkonové zosilňovače majú veľmi nízky výstupný odpor.

Špecifikácie výkonového zosilňovača zvuku

  • Maximálny výstupný výkon:

Výstupné napätie je nezávislé od záťaže pre malé aj veľké signály. Dané napätie pôsobiace na záťaž spôsobuje dvojnásobné množstvo prúdu. Dodá sa teda dvojnásobné množstvo energie. Výkon je kontinuálny priemerný výkon sínusovej vlny, takže výkon je možné merať pomocou sínusovej vlny, ktorej RMS napätie sa meria dlhodobo.

  • Frekvenčná odozva:

Frekvenčná odozva musí rozšíriť celé zvukové pásmo 20 Hz na 20 KHz. Tolerancia voči frekvenčnej odozve je ± 3 dB. Bežný spôsob určovania šírky pásma je zosilňovač, ktorý je znížený o 3db z nominálnej hodnoty 0 dB.

  • Hluk:

Ak zosilňovače pracujú s vysokými frekvenciami, výkonové zosilňovače by mali vytvárať nízky šum. Parametre šumu môžu byť vážené alebo nevážené. Nevážený šum bude špecifikovaný pre šírku pásma 20 KHz. Na základe citlivosti ucha sa vezme do úvahy špecifikácia váženého šumu. Vážené meranie hluku má tendenciu tlmiť hluk pri vyšších frekvenciách, a preto je vážené meranie hluku celkom lepšie ako meranie neváženého šumu.

  • Skreslenie:

Celkové harmonické skreslenie je bežné skreslenie, ktoré sa zvyčajne špecifikuje pri rôznych frekvenciách. Toto bude špecifikované na úrovni výkonu, ktorá je daná impedanciou budiaceho zaťaženia výkonového zosilňovača.