V naslednjem članku razpravljamo o glavnih parametrih operacijskih ojačevalnikov in povezanih osnovnih aplikacijskih vezjih operacijskih ojačevalnikov z enačbami za reševanje njihovih specifičnih vrednosti komponent.
Operacijski ojačevalniki (operacijski ojačevalniki) so posebna vrsta integriranega vezja, ki vključuje neposredno sklopljeni ojačevalnik z visokim ojačenjem s splošnimi odzivnimi lastnostmi, prilagojenimi s povratno zvezo.
Operacijski ojačevalnik je svoje ime dobil po dejstvu, da lahko izvede širok nabor matematičnih izračunov. Zaradi svojega odziva je operacijski ojačevalnik znan tudi kot linearno integrirano vezje in je osrednja komponenta številnih analognih sistemov.
Operacijski ojačevalnik ima izjemno visoko ojačanje (ki se lahko približuje neskončnosti), ki ga je mogoče prilagoditi s povratno informacijo. Dodajanje kondenzatorjev ali induktorjev povratnemu omrežju lahko povzroči ojačenje, ki se spreminja s frekvenco, kar vpliva na splošno stanje delovanja integriranega vezja.
Kot je prikazano na zgornji sliki, je osnovni operacijski ojačevalnik naprava s tremi terminali, ki ima dva vhoda in en izhod. Vhodne sponke so razvrščene kot 'invertirajoče' ali 'neinvertirajoče'.
Parametri operacijskega ojačevalnika
Ko se napaja z enakimi vhodnimi napetostmi, je izhod idealnega operacijskega ojačevalnika ali 'op amp' enak nič ali '0 voltov'.
VIN 1 = VIN 2 daje VOUT = 0
Praktični operacijski ojačevalniki imajo nepopolno uravnotežen vhod, zaradi česar skozi vhodne sponke tečejo neenakomerni prednapetostni tokovi. Da bi uravnotežili izhod operacijskega ojačevalnika, je treba med dvema vhodnima sponkama zagotoviti vhodno izravnalno napetost.
1) Vhodni prednapetostni tok
Ko je izhod uravnotežen ali ko je V VEN = 0, vhodni prednapetostni tok (I B ) je enaka polovici skupnih posameznih tokov, ki vstopajo v dve vhodni povezavi. Pogosto gre za zelo majhno število; na primer jaz B = 100 nA je normalna vrednost.
2) Vhodni odmikalni tok
Razlika med vsakim posameznim tokom, ki doseže vhodne sponke, je znana kot vhodni izravnalni tok (I to ). Ponovno je pogosto izjemno nizke vrednosti; na primer, skupna vrednost je jaz to = 10 nA.
3) Vhodna napetost odmika
Da bi bil operacijski ojačevalnik uravnotežen, je potrebna vhodna napetost V to je treba uporabiti čez vhodni terminal. Običajno je vrednost V to je = 1 mV.
Vrednote I to in V to oba se lahko spreminjata s temperaturo in ta sprememba se imenuje I to drift in V to drift oz.
4) Razmerje zavrnitve napajanja (PSRR)
Razmerje med spremembo vhodne napetosti odmika in ustrezno spremembo napetosti napajanja je znano kot razmerje zavrnitve napajanja ali PSRR. Ta je pogosto v območju od 10 do 20 uV/V.
Dodatni parametri za operacijske ojačevalnike, ki jih je mogoče omeniti, so:
5) Dobiček odprte zanke/ojačanje zaprte zanke
Ojačanje z odprto zanko se nanaša na ojačenje operacijskega ojačevalnika brez povratnega vezja, medtem ko se ojačenje z zaprto zanko nanaša na ojačenje operacijskega ojačevalnika s povratnim vezjem. Na splošno je predstavljen kot A d .
6) Razmerje zavrnitve običajnega načina (CMRR)
To je razmerje med signalom razlike in skupnim signalom in služi kot merilo zmogljivosti diferencialnega ojačevalnika. Za izražanje tega razmerja uporabljamo decibele (dB).
7) Hitrost obračanja
Hitrost padanja je hitrost, pri kateri se spreminja izhodna napetost ojačevalnika v pogojih velikega signala. Predstavljena je z enoto V/us.
Osnovna aplikacijska vezja operacijskega ojačevalnika
V naslednjih odstavkih bomo spoznali več zanimivih osnovnih vezij operacijskega ojačevalnika. Vsaka od osnovnih zasnov je razložena s formulami za razrešitev vrednosti in značilnosti njihovih komponent.
OJAČEVALNIK ALI PUFR
Vezje za obračalni ojačevalnik ali pretvornik lahko vidite na sliki 1 zgoraj. Dobiček vezja je podan z:
Izklopljen = - R2/R1
Upoštevajte, da je ojačanje negativno, kar kaže, da vezje deluje kot fazno obračajoči napetostni sledilnik, če sta oba upora enaka (tj. R1 = R2). Izhod bi bil enak vhodu, z obrnjeno polariteto.
V resnici je mogoče upore odstraniti za pridobitev enotnosti in jih nadomestiti z neposrednimi premostitvenimi žicami, kot je prikazano na sliki 2 spodaj.
To je mogoče, ker je R1 = R2 = 0 v tem vezju. Običajno je R3 odstranjen iz vezja sledilnika invertne napetosti.
Izhod operacijskega ojačevalnika bo ojačal vhodni signal, če je R1 manjši od R2. Na primer, če je R1 2,2 K in R1 22 K, se dobiček lahko izrazi kot:
Izklopljeno = - 22.000/2.200 = -10
Negativni simbol označuje fazno inverzijo. Vhodna in izhodna polariteta sta obrnjeni.
Če je R1 večji od R2, lahko isto vezje tudi oslabi (zmanjša jakost) vhodni signal. Če je na primer R1 120 K in R2 47 K, bi bil dobiček vezja približno:
Izklop = 47.000/120.000 = - 0,4
Spet je polarnost izhoda inverzna polarnosti vhoda. Čeprav vrednost R3 ni posebno pomembna, bi morala biti približno enaka vzporedni kombinaciji R1 in R2. Kateri je:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
Za prikaz tega upoštevajte naš prejšnji primer, kjer je R1 = 2,2 K in R2 = 22 K. Vrednost R3 v tej situaciji bi morala biti približno:
R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48.400.000/24.200 = 2000 Ω
Za R3 lahko izberemo najbližjo standardno vrednost upora, ker natančna vrednost ni potrebna. V tem primeru bi lahko uporabili upor 1,8 K ali 2,2 K.
Fazna inverzija, ki jo ustvari vezje na sliki 2, v več situacijah morda ni sprejemljiva. Če želite operacijski ojačevalnik uporabiti kot neinvertirajoči ojačevalnik (ali kot preprost medpomnilnik), ga povežite, kot je prikazano na sliki 3 spodaj.
Dobiček v tem vezju je izražen na naslednji način:
Izklop = 1 + R2/R1
Izhod in vhod imata enako polariteto in sta v fazi.
Upoštevajte, da mora biti dobiček vedno vsaj 1 (enota). Z uporabo neinvertirajočega vezja ni mogoče oslabiti (zmanjšati) signalov.
Dobiček vezja bo sorazmerno močnejši, če je vrednost R2 bistveno večja od R1. Na primer, če je R1 = 10 K in R2 = 47 K, bo ojačanje operacijskega ojačevalnika, kot je navedeno spodaj:
Izklop = 1 + 470.000/10.000 = 1 + 47 = 48
Če pa je R1 bistveno večji od R2, bo dobiček le nekaj večji od enote. Na primer, če je R1 = 100 K in R2 = 22 K, bi bil dobiček:
Izklop = 1 + 22.000/100.000 = 1 + 0,22 = 1,22
V primeru, da sta oba upora enaka (R1 = R2), bi bilo ojačenje vedno 2. Da bi se prepričali o tem, preizkusite enačbo ojačenja v nekaj scenarijih.
Posebna situacija je, ko sta oba upora nastavljena na 0. Z drugimi besedami, kot je prikazano na sliki 4 spodaj, se namesto uporov uporabljajo neposredne povezave.
Dobiček je v tem primeru točno ena. To je v skladu s formulo dobička:
Izklop = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1
Vhod in izhod sta enaka. Aplikacije za to neinvertirano napetostno sledilno vezje vključujejo ujemanje impedance, izolacijo in vmesni pomnilnik.
ADDER (ojačevalnik seštevka)
Z operacijskim ojačevalnikom bi lahko dodali številne vhodne napetosti. Kot je prikazano na sliki 5 spodaj, se vhodni signali V1, V2,… Vn uporabljajo za operacijski ojačevalnik prek uporov R1, R2,… Rn.
Ti signali se nato združijo v izhodni signal, ki je enak vsoti vhodnih signalov. Za izračun dejanske zmogljivosti operacijskega ojačevalnika kot seštevalnika se lahko uporabi naslednja formula:
VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))
Glej negativni simbol. To pomeni, da je bil izhod obrnjen (polariteta je obrnjena). Z drugimi besedami, to vezje je invertni seštevalnik.
Vezje se lahko spremeni tako, da deluje kot neinvertirajući seštevalnik, tako da preklopite povezave na invertirne in neinvertirane vhode operacijskega ojačevalnika, kot je prikazano na sliki 6 spodaj.
Izhodno enačbo bi lahko poenostavili s predpostavko, da imajo vsi vhodni upori enake vrednosti.
VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)
DIFERENCIALNI OJAČEVALEC
Slika 7 zgoraj prikazuje osnovno vezje diferencialnega ojačevalnika. Vrednosti komponent so nastavljene tako, da je R1 = R2 in R3 = R4. Zato je mogoče zmogljivost vezja izračunati po naslednji formuli:
VOUT = VIN 2 - VIN 1
Samo dokler operacijski ojačevalnik lahko sprejme, da imata vhoda 1 in 2 različne impedance (vhod 1 ima impedanco R1 in vhod 2 ima impedanco R1 plus R3).
SEŠTEVALEC/ODŠTEVALEC
Slika 8 zgoraj prikazuje konfiguracijo vezja seštevalnika/odštevalnika operacijskega ojačevalnika. V primeru, da imata R1 in R2 enaki vrednosti in sta R3 in R4 prav tako nastavljena na enake vrednosti, potem:
VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)
Z drugimi besedami, Vout = V3 + V4 je vsota vhodov V3 in V4, medtem ko je odštevanje vhodov V1 in V2. Vrednosti za R1, R2, R3 in R4 so izbrane tako, da ustrezajo značilnostim operacijskega ojačevalnika. R5 mora biti enak R3 in R4, R6 pa mora biti enak R1 in R2.
MNOŽILNIK
Enostavne operacije množenja je mogoče izvesti z vezjem, prikazanim na sliki 9 zgoraj. Upoštevajte, da je to isto vezje kot na sliki 1. Za doseganje doslednega ojačanja (in posledično množenja vhodne napetosti v razmerju R2/R1) in natančnih rezultatov uporabite natančne upore s predpisanimi vrednostmi za R1 in R2 je treba uporabiti. Predvsem to vezje obrne izhodno fazo. Napetost na izhodu bo enaka:
VOUT = - (VIN x Izklopljeno)
kjer je Av dobiček, kot ga določata R1 in R2. VOUT in VIN sta izhodna oziroma vhodna napetost.
Kot je prikazano na sliki 10 zgoraj, se množilna konstanta lahko spremeni, če je R2 spremenljiv upor (potenciometer). Okoli kontrolne gredi lahko namestite kalibrirno številčnico z oznakami za različne skupne ojačitve. Konstanto množenja je mogoče odčitati neposredno s te številčnice z uporabo kalibriranega odčitka.
INTEGRATOR
Op-amp bo vsaj teoretično deloval kot integrator, ko je invertni vhod povezan z izhodom prek kondenzatorja.
Kot je prikazano na sliki 11 zgoraj, mora biti vzporedni upor priključen čez ta kondenzator, da se ohrani stabilnost enosmernega toka. To vezje izvaja naslednje razmerje za integracijo vhodnega signala:
Vrednost R2 mora biti izbrana tako, da se ujema s parametri operacijskega ojačevalnika, tako da:
VOUT = R2/R1 x VIN
DIFERENCIATOR
Vezje operacijskega ojačevalnika diferenciatorja vključuje kondenzator v vhodni liniji, ki se poveže z invertirajočim vhodom, in upor, ki ta vhod poveže z izhodom. Vendar ima to vezje jasne omejitve, zato bi bila boljša nastavitev vzporedna upor in kondenzator, kot je prikazano na sliki 12 zgoraj.
Naslednja enačba določa, kako dobro deluje to vezje:
VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt
LOG OJAČEVALNIKI
Osnovno vezje (slika 13 zgoraj) uporablja tranzistor NPN in operacijski ojačevalnik za ustvarjanje izhoda, sorazmernega z logom vhoda:
VOUT = (- k log 10 ) PET/PET O
'Obrnjeno' vezje, ki deluje kot osnovni anti-log ojačevalnik, je prikazano v spodnjem diagramu. Značilno je, da je kondenzator nizke vrednosti (npr. 20 pF).
AVDIO OJAČEVALEC
Operacijski ojačevalnik je v bistvu enosmerni ojačevalnik, vendar se lahko uporablja tudi za aplikacije izmeničnega toka. Preprost zvočni ojačevalnik je prikazan na sliki 14 zgoraj.
AVDIO MEŠALNIK
V tem vezju je prikazana modifikacija zvočnega ojačevalnika (slika 15 zgoraj). Vidite lahko, kako je podoben vezju seštevalnika na sliki 5. Različni vhodni signali so mešani ali združeni. Vhodni potenciometer vsakega vhodnega signala omogoča nastavitev ravni. Relativna razmerja različnih vhodnih signalov v izhodu lahko tako prilagodi uporabnik.
DELILNIK SIGNALA
Vezje razdelilnika signala, prikazano na sliki 16 zgoraj, je ravno nasprotno od mešalnika. Posamezen izhodni signal je razdeljen na več enakih izhodov, ki napajajo različne vhode. S tem vezjem je več signalnih linij ločenih ena od druge. Za prilagoditev zahtevane ravni ima vsaka izhodna linija ločen potenciometer.
PRETVORNIK NAPETOSTI V TOK
Vezje, predstavljeno na sliki 17 zgoraj, bo povzročilo, da bosta impedanca obremenitve R2 in R1 doživela enak tokovni tok.
Vrednost tega toka bi bila sorazmerna z napetostjo vhodnega signala in neodvisna od obremenitve.
Vendar pa bo zaradi velikega vhodnega upora, ki ga zagotavlja neinvertirajoči terminal, tok razmeroma nizke vrednosti. Ta tok ima vrednost, ki je neposredno sorazmerna z VIN/R1.
PRETVORNIK TOK V NAPETOST
Če je izhodna napetost enaka IIN x R2 in je uporabljena zasnova (slika 18 zgoraj), lahko tok vhodnega signala teče naravnost preko povratnega upora R2.
Povedano drugače, vhodni tok se pretvori v sorazmerno izhodno napetost.
Prednapetostno vezje, ustvarjeno na obračalnem vhodu, nastavi spodnjo mejo tokovnega toka, ki preprečuje prehod toka skozi R2. Za odpravo 'šuma' lahko temu vezju dodamo kondenzator, kot je prikazano na sliki.
TRENUTNI VIR
Zgornja slika 19 prikazuje, kako se operacijski ojačevalnik lahko uporablja kot vir toka. Vrednosti upora se lahko izračunajo z uporabo naslednjih enačb:
R1 = R2
R3 = R4 + R5
Izhodni tok je mogoče oceniti z naslednjo formulo:
Iout = (R3 x VIN) / (R1 x R5)
MULTIVIBRATOR
Operacijski ojačevalnik lahko prilagodite za uporabo kot multivibrator. Slika 20 zgoraj prikazuje dve osnovni vezji. Zasnova zgoraj levo je prosto delujoč (nestabilen) multivibrator, katerega frekvenco nadzira:
V spodnjem desnem diagramu je mogoče videti monostabilno multivibratorsko vezje, ki ga je mogoče aktivirati s pravokotnim impulznim vhodom. Navedene vrednosti komponent so za operacijski ojačevalnik CA741.
GENERATOR KVADRATNIH VALOV
Slika 21 zgoraj prikazuje funkcionalno vezje generatorja pravokotnih valov, osredotočeno okoli operacijskega ojačevalnika. To vezje generatorja pravokotnih valov bi lahko bilo najbolj preprosto. Poleg operacijskega ojačevalnika so potrebni samo trije zunanji upori in en kondenzator.
Dva glavna elementa, ki določata časovno konstanto vezja (izhodno frekvenco), sta upor R1 in kondenzator C1. Vendar pa na izhodno frekvenco vpliva tudi pozitivna povratna povezava R2 in R3. Čeprav so enačbe pogosto nekoliko zapletene, jih je mogoče poenostaviti za določena razmerja R3/R2. Za ilustracijo:
Če je R3/R2 ≈ 1,0, potem je F ≈ 0,5/(R1/C1)
ali,
Če je R3/R2 ≈ 10, potem je F ≈ 5/(R1/C1)
Najbolj praktična metoda je uporaba enega od teh standardnih razmerij in spreminjanje vrednosti R1 in C1, da se doseže zahtevana frekvenca. Za R2 in R3 se lahko uporabijo konvencionalne vrednosti. Na primer, razmerje R3/R2 bo 10, če je R2 = 10K in R3 = 100K, torej:
F = 5/(R1/C1)
V večini primerov bomo zahtevano frekvenco že poznali, izbrati pa bomo morali le ustrezne vrednosti komponent. Najenostavnejša metoda je, da najprej izberete vrednost C1, ki se zdi razumna, in nato preuredite enačbo, da najdete R1:
R1 = 5/(F x C1)
Poglejmo tipičen primer frekvence 1200 Hz, ki jo iščemo. Če je C1 priključen na kondenzator 0,22uF, mora imeti R1 vrednost, kot je prikazano v naslednji formuli:
R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω
Tipičen 18K upor se lahko uporablja v večini aplikacij. Potenciometer se lahko doda zaporedno z R1, da se poveča uporabnost in prilagodljivost tega vezja, kot je prikazano na sliki 22 spodaj. To omogoča ročno prilagajanje izhodne frekvence.
Za to vezje se uporabljajo enaki izračuni, vendar se vrednost R1 spremeni tako, da ustreza serijski kombinaciji fiksnega upora R1a in prilagojene vrednosti potenciometra R1b:
R1 = R1a + R1b
Fiksni upor je vstavljen, da zagotovi, da vrednost R1 nikoli ne pade na nič. Razpon izhodnih frekvenc je določen s fiksno vrednostjo R1a in najvišjim uporom R1b.
GENERATOR SPREMENLJIVE ŠIRINE IMPULZA
Kvadratni val je popolnoma simetričen. Delovni cikel pravokotnega signala je opredeljen kot razmerje med časom visoke ravni in celotnim časom cikla. Kvadratni valovi imajo po definiciji delovni cikel 1:2.
S samo dvema dodatnima komponentama lahko pravokotni generator valov iz prejšnjega razdelka spremenimo v pravokotni generator valov. Slika 23 zgoraj prikazuje posodobljeno vezje.
Dioda D1 omejuje prehod toka preko R4 na negativne polcikle. R1 in C1 sestavljata časovno konstanto, kot je izražena v naslednji enačbi:
T1 = 5/(2C1 x R1)
Vendar je pri pozitivnih pol-ciklih dioda dovoljena prevodnost in vzporedna kombinacija R1 in R4 skupaj s C1 definira časovno konstanto, kot je prikazano v naslednjem izračunu:
T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))
Celotna dolžina cikla je samo vsota dveh časovnih konstant polcikla:
Tt = T1 + T2
Izhodna frekvenca je obratna vrednost skupne časovne konstante celotnega cikla:
F = 1/Tt
Tukaj delovni cikel ne bo enak 1:2, ker se bo časovna konstanta za odseke visoke in nizke ravni cikla razlikovala. Posledično bodo nastale asimetrične valovne oblike. R1 ali R4 je mogoče narediti nastavljivega ali celo oba, vendar se zavedajte, da bi s tem spremenili izhodno frekvenco in delovni cikel.
SINUSNI OSCILATOR
Sinusni val, ki je prikazan na sliki 24 spodaj, je najosnovnejši od vseh izmeničnih signalov.
V tem izjemno čistem signalu ni popolnoma nobene harmonične vsebine. V sinusnem valu je samo ena osnovna frekvenca. Pravzaprav je ustvariti popolnoma čist sinusni val brez popačenj precej težko. K sreči se lahko z uporabo oscilatorskega vezja, zgrajenega okoli operacijskega ojačevalnika, precej približamo optimalni valovni obliki.
Slika 25 zgoraj prikazuje običajno vezje oscilatorja s sinusnim valom, ki vključuje operacijski ojačevalnik. Twin-T vezje, ki služi kot pasovno zavrnjeni (ali zarezni) filter, služi kot povratno omrežje. Kondenzator C1 ter upora R1 in R2 sestavljajo en T. C2, C3, R3 in R4 sestavljajo drugi T. Shema je obrnjena. Za pravilno delovanje tega vezja morajo biti vrednosti komponent v naslednjih razmerjih:
Naslednja formula določa izhodno frekvenco:
F = 1/(6,28 x R1 x C2)
S spremembo vrednosti R4 bi lahko nekoliko prilagodili nastavitev povratnega omrežja twin-T. Običajno je to lahko majhen trimer potenciometer. Potenciometer se nastavi na najvišji upor in se nato postopoma zmanjšuje, dokler vezje lebdi na robu nihanja. Izhodni sinusni val se lahko pokvari, če je upor nastavljen prenizko.
SCHMITT SPROŽILEC
Tehnično gledano lahko Schmittov sprožilec imenujemo regenerativni primerjalnik. Njegova primarna funkcija je pretvorba vhodne napetosti, ki se počasi spreminja v izhodni signal, pri določeni vhodni napetosti.
Povedano drugače, ima lastnost 'povratnega učinka', imenovano histereza, ki deluje kot napetostni 'sprožilec'. Operacijski ojačevalnik postane osnovni gradnik za delovanje Schmittovega sprožilca (glejte sliko 26 zgoraj). Naslednji dejavniki določajo sprožilno ali izklopno napetost:
IN potovanje = (V ven x R1) / (-R1 + R2)
V tej vrsti vezja je histereza dvojna izklopna napetost.
Na sliki 27 spodaj je prikazano drugo Schmittovo sprožilno vezje. V tem vezju naj bi se izhod 'sprožil', ko enosmerni vhod doseže približno eno petino napajalne napetosti.
Napajalna napetost je lahko kjer koli med 6 in 15 volti, zato lahko glede na izbrano napajalno napetost sprožilec nastavite tako, da deluje na 1,2 do 3 volte. Če je potrebno, se lahko dejansko sprožilno točko spremeni tudi s spremembo vrednosti R4.
Izhod bo enak napajalni napetosti takoj, ko se sproži. Če je izhod priključen na žarnico z žarilno nitko ali LED (skozi serijski predstikalni upor), bo lučka (ali LED) zasvetila, ko vhodna napetost doseže sprožilno vrednost, kar pomeni, da je bila na vhodu dosežena ta natančna raven napetosti.
Zavijanje
To je bilo torej nekaj osnovnih vezij operacijskih ojačevalnikov z razloženimi parametri. Upam, da ste razumeli vse značilnosti in formule, povezane z operacijskim ojačevalnikom.
Če imate katero koli drugo osnovno zasnovo vezja operacijskega ojačevalnika, za katero menite, da jo je treba vključiti v zgornji članek, vas prosimo, da jo omenite v svojih komentarjih spodaj.
