A következő cikkben a fő műveleti erősítők paramétereit és a kapcsolódó műveleti erősítők alapvető alkalmazási áramköreit egyenletekkel tárgyaljuk, az egyes komponensek értékeinek megoldásához.
Az op-erősítők (műveleti erősítők) az integrált áramkörök speciális típusa, amelyek egy közvetlenül csatolt, nagy nyereségű erősítőt tartalmaznak, amelynek általános válaszjellemzői visszacsatolójelekkel szabályozzák.
Az op-amp onnan kapta a nevét, hogy matematikai számítások széles skáláját képes végrehajtani. Válasza miatt az op-erősítőt lineáris integrált áramkörnek is nevezik, és számos analóg rendszer központi eleme.
Egy műveleti erősítő rendkívül magas erősítéssel rendelkezik (esetleg a végtelenhez közelít), amely visszacsatoláson keresztül állítható. Kondenzátorok vagy induktorok hozzáadása a visszacsatoló hálózathoz olyan erősítést eredményezhet, amely a frekvenciával változik, és befolyásolja az integrált áramkör általános működési állapotát.
Amint a fenti ábrán látható, az alapvető műveleti erősítő három terminálból áll, két bemenettel és egy kimenettel. A bemeneti kapcsok 'invertáló' vagy 'nem invertáló' kategóriába sorolhatók.
Op Amper paraméterek
Ha egyenlő bemeneti feszültséggel látják el, az ideális műveleti erősítő vagy 'op amp' kimenete nulla vagy '0 volt'.
VIN 1 = VIN 2 VOUT = 0
A gyakorlati műveleti erősítők tökéletlenül kiegyensúlyozott bemenettel rendelkeznek, ami egyenetlen előfeszítő áramot eredményez a bemeneti kapcsokon. A műveleti erősítő kimenetének kiegyensúlyozása érdekében bemeneti eltolási feszültséget kell biztosítani a két bemeneti kapocs között.
1) Bemeneti előfeszítő áram
Ha a kimenet kiegyensúlyozott, vagy ha V KI = 0, a bemeneti előfeszítő áram (I B ) egyenlő a két bemeneti csatlakozásba belépő összes egyedi áram felével. Ez gyakran nagyon apró szám; például én B = 100 nA normál érték.
2) Bemeneti eltolási áram
A bemeneti kapcsokat elérő egyes áramok közötti különbséget bemeneti eltolási áramnak nevezzük (I ez ). Ismét gyakran rendkívül alacsony értékű; például közös érték az I ez = 10 nA.
3) Bemeneti eltolási feszültség
A műveleti erősítő egyensúlyban tartása érdekében egy V bemeneti eltolási feszültséget ez a bemeneti terminálon keresztül kell alkalmazni. Általában V értéke ez értéke = 1 mV.
Az I. értékei ez és V ez mindkettő változhat a hőmérséklet függvényében, és ezt a változást I-nek nevezzük ez drift és V ez sodródás, ill.
4) Tápegység visszautasítási arány (PSRR)
A bemeneti eltolási feszültség változásának és a tápfeszültség megfelelő változásának arányát tápellátás elutasítási arányának, vagy PSRR-nek nevezzük. Ez gyakran a 10-20 uV/V tartományba esik.
A műveleti erősítők további paraméterei, amelyek megemlíthetők:
5) Nyílt hurkú erősítés/Zárt hurkú erősítés
A nyílt hurkú erősítés a műveleti erősítő erősítésére utal visszacsatoló áramkör nélkül, míg a zárt hurkú erősítés egy visszacsatoló áramkörrel rendelkező műveleti erősítő erősítésére vonatkozik. Általában A-ként ábrázolják d .
6) Közös módú elutasítási arány (CMRR)
Ez a különbségjel és a közös módú jel aránya, és a differenciálerősítő teljesítményének mértékeként szolgál. Ennek az aránynak a kifejezésére a decibeleket (dB) használjuk.
7) Slew Rate
Az elfordulási sebesség az a sebesség, amellyel az erősítő kimeneti feszültsége nagy jelviszonyok mellett változik. Ezt a V/us mértékegységgel ábrázoljuk.
Op Amp alapvető alkalmazási áramkörök
A következő bekezdésekben számos érdekes műveleti erősítő alapáramkört fogunk megismerni. Az alaptervek mindegyikét képletekkel magyarázzák, amelyek megoldják az összetevők értékét és jellemzőit.
ERŐSÍTŐ VAGY PUFFER
Az invertáló erősítő vagy inverter áramköre a fenti 1. ábrán látható. Az áramkör erősítését a következő képlet adja meg:
Ki = - R2/R1
Vegye figyelembe, hogy az erősítés negatív, ami azt jelzi, hogy az áramkör fázisfordító feszültségkövetőként működik, ha a két ellenállás egyenlő (azaz R1 = R2). A kimenet megegyezik a bemenettel, fordított polaritással.
A valóságban az ellenállások eltávolíthatók az egységerősítés érdekében, és helyettesíthetők közvetlen áthidaló vezetékekkel, amint az alábbi 2. ábrán látható.
Ez azért lehetséges, mert R1 = R2 = 0 ebben az áramkörben. Az R3-at általában eltávolítják az invertáló feszültségkövető áramkörből.
A műveleti erősítő kimenete felerősíti a bemeneti jelet, ha R1 kisebb, mint R2. Például, ha R1 2,2 K és R1 22 K, az erősítés a következőképpen fejezhető ki:
Ki = -22 000/2200 = -10
A negatív szimbólum fázisfordítást jelöl. A bemeneti és kimeneti polaritás felcserélődik.
Ha az R1-et nagyobbra teszi, mint az R2-t, ugyanaz az áramkör gyengítheti (csökkentheti annak erősségét) a bemeneti jelet. Például, ha R1 120 K és R2 47 K, az áramköri erősítés nagyjából:
Ki = 47 000/120 000 = - 0,4
A kimenet polaritása ismét a bemenet polaritása fordítottja. Bár R3 értéke nem különösebben fontos, körülbelül egyenlőnek kell lennie R1 és R2 párhuzamos kombinációjával. Ami:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
Ennek demonstrálására tekintsük az előző példánkat, ahol R1 = 2,2 K és R2 = 22 K. Az R3 értékének ebben a helyzetben közelítőleg kell lennie:
R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48 400 000/24 200 = 2000 Ω
Kiválaszthatjuk a legközelebbi szabványos ellenállásértéket az R3-hoz, mert a pontos érték nem szükséges. Ebben az esetben 1,8 K vagy 2,2 K ellenállás használható.
A 2. ábrán látható áramkör által létrehozott fázisinverzió több esetben nem elfogadható. Ha az op-erősítőt nem invertáló erősítőként (vagy egyszerű pufferként) szeretné használni, csatlakoztassa az alábbi 3. ábra szerint.
Ebben az áramkörben az erősítést a következőképpen fejezzük ki:
Ki = 1 + R2/R1
A kimenet és a bemenet azonos polaritású és fázisban vannak.
Ne feledje, hogy az erősítésnek mindig legalább 1-nek (egységnek) kell lennie. A jelek csillapítása (csökkentése) nem invertáló áramkörrel nem lehetséges.
Az áramkör erősítése viszonylag erősebb lesz, ha az R2 értéke lényegesen nagyobb, mint az R1. Például, ha R1 = 10 K és R2 = 47 K, a műveleti erősítő erősítése az alábbiak szerint alakul:
Ki = 1 + 470 000/10 000 = 1 + 47 = 48
Ha azonban R1 lényegesen nagyobb, mint R2, az erősítés csak valamivel lesz nagyobb egységnél. Például, ha R1 = 100 K és R2 = 22 K, az erősítés a következő lenne:
Ki = 1 + 22 000/100 000 = 1 + 0,22 = 1,22
Abban az esetben, ha a két ellenállás azonos (R1 = R2), az erősítés mindig 2. Hogy meggyőződj erről, próbáld ki az erősítési egyenletet néhány forgatókönyvben.
Egy sajátos helyzet az, amikor mindkét ellenállás 0-ra van állítva. Más szóval, amint az alábbi 4. ábrán látható, az ellenállások helyett közvetlen csatlakozásokat használnak.
A nyereség ebben az esetben pontosan egy. Ez megfelel az erősítési képletnek:
Ki = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1
A bemenet és a kimenet azonos. Ennek a nem invertáló feszültségkövető áramkörnek az alkalmazásai közé tartozik az impedancia illesztés, a leválasztás és a puffer.
ADDER (összegző erősítő)
Számos bemeneti feszültség hozzáadható műveleti erősítővel. Amint az alábbi 5. ábrán látható, a V1, V2,… Vn bemeneti jelek az R1, R2,… Rn ellenállásokon keresztül jutnak a műveleti erősítőhöz.
Ezeket a jeleket azután egyesítik, hogy létrehozzák a kimeneti jelet, amely megegyezik a bemeneti jelek összegével. A következő képlet használható a műveleti erősítő valós teljesítményének kiszámításához összeadóként:
VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))
Lásd a negatív szimbólumot. Ez azt jelenti, hogy a kimenet megfordult (a polaritás megfordult). Más szavakkal, ez az áramkör egy invertáló összeadó.
Az áramkör úgy módosítható, hogy nem invertáló összeadóként működjön az op-amp invertáló és nem invertáló bemenetei közötti csatlakozások átkapcsolásával, amint az alábbi 6. ábrán látható.
A kimeneti egyenlet egyszerűbbé tehető, ha feltételezzük, hogy az összes bemeneti ellenállás értéke azonos.
VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)
DIFFERENCIÁLIS ERŐSÍTŐ
A fenti 7. ábra egy differenciálerősítő alapáramkörét mutatja. Az összetevők értékei úgy vannak beállítva, hogy R1 = R2 és R3 = R4. Ezért az áramkör teljesítménye a következő képlettel számítható ki:
VOUT = VIN 2 – VIN 1
Csak addig, amíg a műveleti erősítő el tudja fogadni, hogy az 1. és 2. bemenet eltérő impedanciájú (az 1. bemenet impedanciája R1, a 2. bemenet impedanciája pedig R1 plusz R3).
HOZZÁADÓ/KIVONÓ
A fenti 8. ábra egy műveleti erősítő összeadó/kivonó áramkör konfigurációját mutatja be. Abban az esetben, ha R1 és R2 értéke azonos, és R3 és R4 szintén azonos értékre vannak állítva, akkor:
VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)
Más szavakkal, Vout = V3 + V4 a V3 és V4 bemenetek összege, míg a V1 és V2 bemenetek kivonása. Az R1, R2, R3 és R4 értékei úgy vannak kiválasztva, hogy megfeleljenek a műveleti erősítő jellemzőinek. R5 egyenlő R3 és R4, R6 pedig R1 és R2.
SZORZÓ
Egyszerű szorzási műveletek végezhetők el a fenti 9. ábrán látható áramkörrel. Ne feledje, hogy ez ugyanaz az áramkör, mint az 1. ábrán. A konzisztens erősítés (és ezt követően a bemeneti feszültség R2/R1 arányban való megszorzása) és a pontos eredmények elérése érdekében precíziós ellenállásokat az előírt R1 és R2 értékekkel. kell használni. Figyelemre méltó, hogy ez az áramkör megfordítja a kimeneti fázist. A kimeneti feszültség egyenlő lesz:
VOUT = - (VIN x Ki)
ahol Av az R1 és R2 által meghatározott erősítés. A VOUT és a VIN a kimeneti és a bemeneti feszültség.
Amint a fenti 10. ábrán látható, a szorzási állandó megváltoztatható, ha R2 változó ellenállás (potenciométer). A vezérlőtengely köré egy kalibrációs tárcsát szerelhet fel különböző általános erősítési jelekkel. A szorzási állandó kalibrált leolvasással közvetlenül leolvasható erről a tárcsáról.
INTEGRÁTOR
Az op-erősítő legalább elméletileg integrálóként fog működni, ha az invertáló bemenet kondenzátoron keresztül kapcsolódik a kimenethez.
A fenti 11. ábrán látható módon párhuzamos ellenállást kell csatlakoztatni ehhez a kondenzátorhoz az egyenáramú stabilitás fenntartása érdekében. Ez az áramkör a következő kapcsolatot valósítja meg a bemeneti jel integrálásához:
Az R2 értékét úgy kell kiválasztani, hogy megfeleljen a műveleti erősítő paramétereinek, így:
VOUT = R2/R1 x VIN
MEGKÜLÖNBÖZTETŐ
A differenciáló műveleti erősítő áramkör egy kondenzátort tartalmaz a bemeneti vezetékben, amely az invertáló bemenethez csatlakozik, és egy ellenállást, amely ezt a bemenetet a kimenethez köti. Ennek az áramkörnek azonban világos korlátai vannak, ezért előnyösebb az ellenállás és a kondenzátor párhuzamos beállítása a fenti 12. ábrán látható módon.
A következő egyenlet határozza meg, hogy ez az áramkör milyen jól működik:
VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt
LOG ERŐSÍTŐK
Az alapáramkör (13. ábra fent) egy NPN tranzisztort és egy műveleti erősítőt alkalmaz, hogy a bemenet naplójával arányos kimenetet állítson elő:
VOUT = (- k log 10 ) PN/P O
Az 'invertált' áramkör, amely alapvető anti-log erősítőként működik, az alsó diagramon látható. A kondenzátor általában alacsony értékű (például 20 pF).
AUDIO AMP
A műveleti erősítő alapvetően egy egyenáramú erősítő, de váltóáramú alkalmazásokhoz is alkalmazható. Egy egyszerű hangerősítő látható a fenti 14. ábrán.
AUDIO KEVERŐ
Ebben az áramkörben az audioerősítő egy módosítása látható (fenti 15. ábra). Az 5. ábrán láthatja, hogyan hasonlít az összeadó áramkörre. A különböző bemeneti jelek keverednek vagy egyesülnek. Minden bemeneti jel bemeneti potenciométere lehetővé teszi a szint beállítását. A különböző bemeneti jelek relatív arányát a kimenetben így a felhasználó beállíthatja.
JELOSÓ
A fenti 16. ábrán látható jelosztó áramkör éppen a keverő ellentéte. Egyetlen kimeneti jel több azonos kimenetre van osztva, amelyek különböző bemeneteket táplálnak. A több jelvezetéket ezzel az áramkörrel választják el egymástól. A kívánt szint beállításához minden kimeneti sor külön potenciométert tartalmaz.
FESZÜLTSÉG AZ ÁRAMÁTALAKÍTÓHOZ
A fenti 17. ábrán bemutatott áramkör hatására az R2 és R1 terhelési impedancia azonos áramot fog tapasztalni.
Ez az áramérték arányos a bemeneti jel feszültségével és független a terheléstől.
A nem invertáló kapocs által biztosított nagy bemeneti ellenállás miatt azonban az áram viszonylag alacsony értékű lesz. Ennek az áramnak az értéke egyenesen arányos a VIN/R1-gyel.
ÁRAM-FESZÜLTSÉG ÁTALAKÍTÓ
Ha a kimeneti feszültség egyenlő IIN x R2-vel, és a konstrukciót (18. ábra) alkalmazzuk, a bemeneti jel árama egyenesen áramolhat az R2 visszacsatoló ellenálláson keresztül.
Más szóval, a bemeneti áramot arányos kimeneti feszültséggé alakítják.
Az invertáló bemeneten létrehozott előfeszítő áramkör alsó határt állít be az áram áramlására, ami megakadályozza, hogy az áram áthaladjon az R2-n. A 'zaj' kiküszöbölésére egy kondenzátort lehet hozzáadni ehhez az áramkörhöz az ábrán látható módon.
AKTUÁLIS FORRÁS
A fenti 19. ábra bemutatja, hogyan használható egy műveleti erősítő áramforrásként. Az ellenállásértékek a következő egyenletekkel számíthatók ki:
R1 = R2
R3 = R4 + R5
A kimeneti áramot a következő képlettel lehet kiértékelni:
Kimenet = (R3 x VIN) / (R1 x R5)
MULTIVIBRATOR
Műveleti erősítőt adaptálhat multivibrátorként való használatra. A fenti 20. ábra két alapvető áramkört mutat be. A bal felső sarokban lévő kialakítás egy szabadon futó (stabil) multivibrátor, amelynek frekvenciáját a következők szabályozzák:
A jobb alsó diagramon egy négyszöghullámú impulzus bemenettel aktiválható monostabil multivibrátor áramkör látható. A megadott összetevőértékek egy CA741 műveleti erősítőre vonatkoznak.
SZÖRGETHULLÁM GENERÁTOR
A fenti 21. ábra egy funkcionális négyszöghullám-generátor áramkört mutat be, amely egy műveleti erősítő köré épül. Ez a négyzethullámú generátor áramkör lehet a legegyszerűbb. Mindössze három külső ellenállásra és egy kondenzátorra van szükség a műveleti erősítőn kívül.
Az áramkör időállandóját (kimeneti frekvenciáját) meghatározó két fő elem az R1 ellenállás és a C1 kondenzátor. Az R2 és R3 alapú pozitív visszacsatolású kapcsolat azonban hatással van a kimeneti frekvenciára is. Bár az egyenletek gyakran kissé bonyolultak, bizonyos R3/R2 arányok esetén egyszerűbbé tehetők. Szemléltetésképpen:
Ha R3/R2 ≈ 1,0, akkor F ≈ 0,5/(R1/C1)
vagy,
Ha R3/R2 ≈ 10, akkor F ≈ 5/(R1/C1)
A legpraktikusabb módszer ezen standard arányok valamelyikének alkalmazása, és az R1 és C1 értékek megváltoztatása a kívánt frekvencia elérése érdekében. R2 és R3 esetében a szokásos értékek alkalmazhatók. Például az R3/R2 arány 10 lesz, ha R2 = 10K és R3 = 100K, így:
F = 5/(R1/C1)
A legtöbb esetben már tisztában leszünk a szükséges gyakorisággal, és csak a megfelelő komponensértékeket kell kiválasztanunk. A legegyszerűbb módszer az, ha először kiválasztunk egy ésszerűnek tűnő C1 értéket, majd átrendezzük az egyenletet, hogy megtaláljuk az R1-et:
R1 = 5/(F x C1)
Nézzünk egy tipikus példát az 1200 Hz-es frekvenciára, amit keresünk. Ha a C1 egy 0,22 uF-os kondenzátorhoz van csatlakoztatva, akkor az R1-nek a következő képlet szerint kell lennie:
R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω
A legtöbb alkalmazásban tipikus 18K-os ellenállás alkalmazható. Az R1-gyel sorba kapcsolható potenciométer az áramkör hasznosságának és alkalmazkodóképességének növelése érdekében, amint az alábbi 22. ábrán látható. Ez lehetővé teszi a kimeneti frekvencia kézi beállítását.
Ennél az áramkörnél ugyanazokat a számításokat alkalmazzuk, azonban az R1 értéke megváltozik, hogy megfeleljen az R1a rögzített ellenállás soros kombinációjának és az R1b potenciométer beállított értékének:
R1 = R1a + R1b
A rögzített ellenállás azért van behelyezve, hogy az R1 értéke soha ne csökkenjen nullára. A kimeneti frekvenciák tartományát az R1a rögzített értéke és az R1b legnagyobb ellenállása határozza meg.
VÁLTOZTATÓ PULZUSSZÉLESSÉGŰ GENERÁTOR
A négyszöghullám teljesen szimmetrikus. A négyszögjel működési ciklusa a magas szintű idő és a teljes ciklusidő aránya. A négyszöghullámok definíció szerint 1:2-es munkaciklussal rendelkeznek.
Mindössze két további komponenssel az előző rész négyszöghullám-generátora téglalap hullámgenerátorrá alakítható. A fenti 23. ábra a frissített áramkört mutatja.
A D1 dióda korlátozza az áram áthaladását az R4-en keresztül negatív félciklusokon. R1 és C1 az alábbi egyenletben kifejezett időállandót alkotják:
T1 = 5/(2C1 x R1)
Pozitív félciklusokon azonban a dióda vezet, és az R1 és R4 párhuzamos kombinációja a C1-gyel együtt határozza meg az időállandót, amint azt a következő számítás mutatja:
T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))
A teljes ciklushossz csak a két félciklus időállandójának összege:
Tt = T1 + T2
A kimeneti frekvencia a teljes ciklus teljes időállandójának inverze:
F = 1/Tt
Itt a munkaciklus nem egyenlő 1:2-vel, mert a ciklus magas és alacsony szintű szakaszainak időállandója különbözik. Ennek eredményeként aszimmetrikus hullámformák jönnek létre. Lehetőség van R1 vagy R4 állíthatóvá tételére, vagy akár mindkettőre, de ne feledje, hogy ez megváltoztatja a kimeneti frekvenciát és a munkaciklust is.
SZINUSHULLÁMOS OSCILLATOR
A szinuszhullám, amely a 24. ábrán látható, az összes váltakozó áramú jel közül a legalapvetőbb.
Ebben a rendkívül tiszta jelben egyáltalán nincs harmonikus tartalom. Egy szinuszhullámban csak egy alapfrekvencia van. Valójában egy teljesen tiszta, torzításmentes szinuszhullám létrehozása meglehetősen nehéz. Szerencsére egy műveleti erősítő köré épített oszcillátor áramkörrel elég közel kerülhetünk az optimális hullámformához.
A fenti 25. ábra egy hagyományos szinuszos oszcillátor áramkört ábrázol, amely műveleti erősítőt tartalmaz. Egy iker-T áramkör, amely sávelhárító (vagy bevágás) szűrőként szolgál, visszacsatoló hálózatként szolgál. A C1 kondenzátor és az R1 és R2 ellenállások alkotják az egyik T-t. C2, C3, R3 és R4 alkotják a másik T-t. A kapcsolási rajz fordítottja. Az áramkör megfelelő működéséhez az összetevőértékeknek a következő összefüggésekkel kell rendelkezniük:
A következő képlet határozza meg a kimeneti frekvenciát:
F = 1/(6,28 x R1 x C2)
Az R4 értékének megváltoztatásával a twin-T visszacsatolású hálózat hangolása némileg módosítható. Általában ez egy apró trimmer potenciométer lehet. A potenciométert a legnagyobb ellenállásra állítják, majd fokozatosan csökkentik, amíg az áramkör az oszcilláció határára nem kerül. A kimeneti szinuszhullám megsérülhet, ha az ellenállás túl alacsonyra van állítva.
SCHMITT TRIGGER
Technikailag a Schmitt-triggert regeneratív komparátornak nevezhetjük. Elsődleges feladata a lassan változó bemeneti feszültség kimeneti jellé alakítása egy adott bemeneti feszültség mellett.
Másképpen fogalmazva, van egy 'hátrány' tulajdonsága, az úgynevezett hiszterézis, amely feszültség 'triggerként' működik. A műveleti erősítő lesz a Schmitt trigger működésének alapvető építőköve (lásd a fenti 26. ábrát). A következő tényezők határozzák meg a kioldási vagy kioldási feszültséget:
BAN BEN utazás = (V ki x R1) / (-R1 + R2)
Az ilyen típusú áramkörben a hiszterézis kétszerese a kioldási feszültségnek.
Az alábbi 27. ábrán egy másik Schmitt trigger áramkör látható. Ebben az áramkörben a kimenetet 'kioldónak' mondják, amikor az egyenáramú bemenet eléri a tápfeszültség körülbelül egyötödét.
A tápfeszültség 6 és 15 V között lehet, ezért a választott tápfeszültségtől függően a trigger 1,2 és 3 V között állítható be. Szükség esetén a tényleges kioldási pont is módosítható az R4 értékének módosításával.
A kioldás után a kimenet megegyezik a tápfeszültséggel. Ha a kimenet izzólámpához vagy LED-hez van csatlakoztatva (soros előtétellenálláson keresztül), a lámpa (vagy LED) akkor világít, amikor a bemeneti feszültség eléri a kioldó értéket, jelezve, hogy a bemeneten elértük ezt a pontos feszültségszintet.
Becsomagolás
Tehát ez néhány műveleti erősítő alapáramkör volt a paramétereik magyarázatával. Remélem, megértetted az op erősítők összes jellemzőjét és képletét.
Ha van bármilyen más alapvető műveleti erősítő áramköre, amelyet úgy gondol, hogy bele kell foglalnia a fenti cikkbe, kérjük, említse meg őket az alábbi megjegyzésekben.
