Vysvětlení základních obvodů a parametrů operačního zesilovače

Vyzkoušejte Náš Nástroj Pro Odstranění Problémů





V následujícím článku probíráme hlavní parametry operačního zesilovače a související základní aplikační obvody operačního zesilovače s rovnicemi pro řešení jejich specifických hodnot komponent.

Operační zesilovače (operační zesilovače) jsou specializovaným typem integrovaného obvodu, který obsahuje přímo vázaný zesilovač s vysokým ziskem s celkovou charakteristikou odezvy upravenou zpětnou vazbou.



Operační zesilovač odvozuje svůj název od skutečnosti, že může provádět širokou škálu matematických výpočtů. Kvůli své odezvě je operační zesilovač také známý jako lineární integrovaný obvod a je základní součástí mnoha analogových systémů.

Operační zesilovač má mimořádně vysoký zisk (možná blížící se nekonečnu), který lze nastavit pomocí zpětné vazby. Přidání kondenzátorů nebo induktorů do zpětnovazební sítě může vést k zesílení, které se mění s frekvencí, což ovlivní celkový provozní stav integrovaného obvodu.



Jak je znázorněno na obrázku výše, základní operační zesilovač je zařízení se třemi terminály, které má dva vstupy a jeden výstup. Vstupní svorky jsou klasifikovány jako 'invertující' nebo 'neinvertující'.

Parametry operačního zesilovače

Při napájení se stejným vstupním napětím je výstup ideálního operačního zesilovače neboli 'operačního zesilovače' nula nebo '0 voltů'.

VIN 1 = VIN 2 dává VOUT = 0

Praktické operační zesilovače mají nedokonale vyvážený vstup, což způsobuje, že vstupními svorkami protékají nerovnoměrné předpětí. Aby se vyrovnal výstup operačního zesilovače, musí být mezi dvěma vstupními svorkami zajištěno vstupní offsetové napětí.

1) Vstupní proud předpětí

Když je výstup vyvážený, nebo když V VEN = 0, vstupní předpětí (I B ) se rovná polovině celkových jednotlivých proudů vstupujících do dvou vstupních připojení. Často je to velmi malé číslo; například já B = 100 nA je normální hodnota.

2) Vstupní offsetový proud

Rozdíl mezi každým jednotlivým proudem dosahujícím vstupní svorky je známý jako vstupní offsetový proud (I tento ). Opět má často extrémně nízkou hodnotu; například běžnou hodnotou je I tento = 10 nA.

3) Vstupní offset napětí

Aby byl operační zesilovač vyvážený, vstupní offset napětí V tento musí být aplikován přes vstupní svorku. Obvykle hodnota V tento je = 1 mV.

Hodnoty I tento a V tento obě se mohou měnit s teplotou a tato změna se označuje jako I tento drift a V tento drift, resp.

4) Poměr odmítnutí napájení (PSRR)

Poměr změny vstupního offsetového napětí k odpovídající změně napájecího napětí je známý jako poměr odmítnutí napájení nebo PSRR. To je často v rozmezí 10 až 20 uV/V.

Další parametry pro operační zesilovače, které by mohly být zmíněny, jsou:

5) Zesílení v otevřené smyčce/Zisk v uzavřené smyčce

Zisk v otevřené smyčce se týká zesílení operačního zesilovače bez obvodu zpětné vazby, zatímco zisk v uzavřené smyčce se týká zisku operačního zesilovače se zpětnovazebním obvodem. Obecně je reprezentován jako A d .

6) Poměr odmítnutí společného režimu (CMRR)

Toto je poměr rozdílového signálu k signálu v běžném režimu a slouží jako měřítko výkonu diferenciálního zesilovače. K vyjádření tohoto poměru používáme decibely (dB).

7) Rychlost přeběhu

Rychlost přeběhu je rychlost, se kterou se výstupní napětí zesilovače mění za podmínek velkého signálu. Vyjadřuje se pomocí jednotky V/us.

Základní aplikační obvody operačního zesilovače

V následujících odstavcích se seznámíme s několika zajímavými základními obvody operačních zesilovačů. Každý ze základních návrhů je vysvětlen pomocí vzorců pro řešení hodnot a vlastností jejich součástí.

ZESILOVAČ NEBO BUFFER

Obvod pro invertující zesilovač nebo invertor lze vidět na obrázku 1 výše. Zisk obvodu je dán:

Vypnuto = - R2/R1

Všimněte si, že zisk je záporný, což znamená, že obvod funguje jako sledovač napětí s invertováním fáze, pokud jsou dva odpory stejné (tj. R1 = R2). Výstup by byl identický se vstupem s obrácenou polaritou.

Ve skutečnosti mohou být rezistory odstraněny pro jednotný zisk a nahrazeny přímými propojovacími dráty, jak je znázorněno na obr. 2 níže.

To je možné, protože R1 = R2 = 0 v tomto obvodu. Typicky je R3 odstraněn z obvodu sledovače invertujícího napětí.

Výstup operačního zesilovače zesílí vstupní signál, pokud je R1 menší než R2. Pokud je například R1 2,2 K a R1 je 22 K, zisk lze vyjádřit jako:

Vypnuto = - 22 000/2 200 = -10

Záporný symbol označuje inverzi fáze. Vstupní a výstupní polarita jsou obrácené.

Tím, že R1 bude větší než R2, může stejný obvod také zeslabit (snížit sílu) vstupního signálu. Pokud je například R1 120 K a R2 je 47 K, obvodový zisk by byl zhruba:

Vypnuto = 47 000/120 000 = - 0,4

Opět platí, že polarita výstupu je inverzní k polaritě vstupu. Ačkoli hodnota R3 není nijak zvlášť důležitá, měla by být přibližně rovna paralelní kombinaci R1 a R2. Který je:

R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)

Abychom to demonstrovali, zvažte náš předchozí příklad, kde R1 = 2,2 K a R2 = 22 K. Hodnota R3 by v této situaci měla být přibližně:

R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48 400 000/24 ​​200 = 2 000 Ω

Můžeme zvolit nejbližší standardní hodnotu odporu pro R3, protože přesná hodnota není nutná. V tomto případě lze použít rezistor 1,8 K nebo 2,2 K.

Fázová inverze vytvořená obvodem na obr. 2 nemusí být v několika situacích přijatelná. Chcete-li použít operační zesilovač jako neinvertující zesilovač (nebo jako jednoduchý buffer), připojte jej podle obrázku 3 níže.

Zisk v tomto obvodu je vyjádřen následovně:

Vypnuto = 1 + R2/R1

Výstup a vstup mají stejnou polaritu a jsou ve fázi.

Mějte na paměti, že zisk musí být vždy minimálně 1 (jednota). Pomocí neinvertujícího obvodu není možné signály zeslabit (snížit).

Zisk obvodu bude srovnatelně silnější, pokud je hodnota R2 výrazně větší než R1. Například, pokud R1 = 10 K a R2 = 47 K, bude zisk operačního zesilovače takový, jak je uvedeno níže:

Vypnuto = 1 + 470 000/10 000 = 1 + 47 = 48

Pokud je však R1 výrazně větší než R2, zisk bude pouze o něco větší než jedna. Pokud například R1 = 100 K a R2 = 22 K, zisk by byl:

Vypnuto = 1 + 22 000/100 000 = 1 + 0,22 = 1,22

V případě, že jsou dva odpory identické (R1 = R2), bude zisk vždy 2. Abyste se o tom přesvědčili, vyzkoušejte rovnici zesílení v několika scénářích.

Specifická situace je, když jsou oba odpory nastaveny na 0. Jinými slovy, jak je vidět na obr. 4 níže, místo rezistorů se používá přímé zapojení.

Zisk je v tomto případě přesně jeden. To odpovídá vzorce zisku:

Vypnuto = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1

Vstup a výstup jsou identické. Aplikace pro tento neinvertující obvod sledovače napětí zahrnují impedanční přizpůsobení, izolaci a vyrovnávací paměť.

ADDER (součtový zesilovač)

Pomocí operačního zesilovače lze přidat řadu vstupních napětí. Jak je znázorněno na obr. 5 níže, vstupní signály V1, V2,… Vn jsou přiváděny do operačního zesilovače přes odpory R1, R2,… Rn.

Tyto signály jsou poté kombinovány, aby vytvořily výstupní signál, který se rovná součtu vstupních signálů. Pro výpočet skutečného výkonu operačního zesilovače jako sčítačky lze použít následující vzorec:

VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))

Viz symbol záporu. To znamená, že výstup byl invertován (obrácena polarita). Jinými slovy, tento obvod je invertující sčítačka.

Obvod lze změnit tak, aby fungoval jako neinvertující sčítačka přepnutím připojení k invertujícím a neinvertujícím vstupům operačního zesilovače, jak je znázorněno na obr. 6 níže.

Výstupní rovnici lze zjednodušit za předpokladu, že všechny vstupní odpory mají stejné hodnoty.

VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)

DIFERENCIÁLNÍ ZESILOVAČ

Obr. 7 výše znázorňuje základní obvod diferenciálního zesilovače. Hodnoty komponent jsou nastaveny tak, že R1 = R2 a R3 = R4. Proto lze výkon obvodu vypočítat pomocí následujícího vzorce:

VOUT = VIN 2 - VIN 1

Pouze pokud operační zesilovač může akceptovat, že vstupy 1 a 2 mají různé impedance (vstup 1 má impedanci R1 a vstup 2 má impedanci R1 plus R3).

Sčítačka/odečítač

Obrázek 8 výše znázorňuje konfiguraci sčítacího/odčítacího obvodu operačního zesilovače. V případě, že R1 a R2 mají stejné hodnoty a R3 a R4 jsou rovněž nastaveny na stejné hodnoty, pak:

VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)

Jinými slovy, Vout = V3 + V4 je součet vstupů V3 a V4, zatímco je to odečtení vstupů V1 a V2. Hodnoty pro R1, R2, R3 a R4 jsou vybrány tak, aby odpovídaly charakteristikám operačního zesilovače. R5 by se mělo rovnat R3 a R4 a R6 by mělo být rovno R1 a R2.

NÁSOBITEL

Jednoduché operace násobení lze provádět obvodem znázorněným na obr. 9 výše. Mějte na paměti, že se jedná o stejný obvod jako na obr. 1. Pro dosažení konzistentního zesílení (a následně násobení vstupního napětí v poměru R2/R1) a přesných výsledků, přesné rezistory s předepsanými hodnotami pro R1 a R2 by měl být použit. Je pozoruhodné, že výstupní fáze je tímto obvodem invertována. Napětí na výstupu se bude rovnat:

VOUT = - (VIN x vypnuto)

kde Av je zisk, určený pomocí R1 a R2. VOUT a VIN jsou výstupní a vstupní napětí.

Jak je vidět na obr. 10 výše, násobící konstantu lze změnit, pokud R2 je proměnný odpor (potenciometr). Kolem ovládací hřídele můžete namontovat kalibrační kotouč se značkami pro různé běžné zisky. Multiplikační konstantu lze číst přímo z tohoto číselníku pomocí kalibrovaného čtení.

INTEGRÁTOR

Operační zesilovač bude přinejmenším teoreticky fungovat jako integrátor, když je invertující vstup propojen s výstupem přes kondenzátor.

Jak je znázorněno na obr. 11 výše, přes tento kondenzátor musí být připojen paralelní odpor, aby byla zachována stabilita stejnosměrného proudu. Tento obvod implementuje následující vztah pro integraci vstupního signálu:

Hodnota R2 by měla být vybrána tak, aby odpovídala parametrům operačního zesilovače, takže:

VOUT = R2/R1 x VIN

DIFERENCIÁTOR

Obvod derivačního operačního zesilovače obsahuje kondenzátor ve vstupním vedení, který se připojuje k invertujícímu vstupu, a rezistor, který spojuje tento vstup s výstupem. Tento obvod má však jasné limity, a proto by bylo výhodným nastavením paralelně rezistor a kondenzátor, jak je znázorněno na obr. 12 výše.

Následující rovnice určuje, jak dobře tento obvod funguje:

VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt

LOG ZESILOVAČE

Základní obvod (obr. 13 výše) využívá NPN tranzistor a operační zesilovač pro generování výstupu úměrného logaritmu vstupu:

VOUT = (- k log 10 ) PÁ/PÁ Ó

'Invertovaný' obvod, pracující jako základní anti-log zesilovač, je znázorněn na spodním schématu. Typicky má kondenzátor nízkou hodnotu (např. 20 pF).

AUDIO AMP

Operační zesilovač je v podstatě stejnosměrný zesilovač, ale může být také použit pro střídavé aplikace. Jednoduchý zesilovač zvuku je znázorněn na obrázku 14 výše.

AUDIO MIXER

V tomto zapojení je znázorněna modifikace audio zesilovače (obr. 15 výše). Jak se podobá obvodu sčítačky, můžete vidět na obr. 5. Různé vstupní signály jsou smíchány nebo sloučeny. Vstupní potenciometr každého vstupního signálu umožňuje nastavení úrovně. Relativní poměry různých vstupních signálů na výstupu tak může uživatel nastavit.

ROZDĚLIČ SIGNÁLU

Obvod rozdělovače signálu na obr. 16 výše je pravým opakem směšovače. Jediný výstupní signál je rozdělen do několika identických výstupů, které napájejí různé vstupy. Pomocí tohoto obvodu je od sebe odděleno více signálových vedení. Pro nastavení požadované úrovně obsahuje každá výstupní linka samostatný potenciometr.

MĚNIČ NAPĚTÍ NA PROUD

Obvod znázorněný na obr. 17 výše způsobí, že zatěžovací impedance R2 a R1 bude mít stejný tok proudu.

Hodnota tohoto proudu by byla úměrná napětí vstupního signálu a nezávislá na zátěži.

Avšak kvůli vysokému vstupnímu odporu poskytovaného neinvertující svorkou bude mít proud relativně nízkou hodnotu. Tento proud má hodnotu, která je přímo úměrná VIN/R1.

MĚNIČ PROUDU NA NAPĚTÍ

Pokud je výstupní napětí rovno IIN x R2 a je použito provedení (obr. 18 výše), proud vstupního signálu může protékat přímo přes zpětnovazební rezistor R2.

Jinak řečeno, vstupní proud se transformuje na úměrné výstupní napětí.

Obvod předpětí vytvořený na invertujícím vstupu nastavuje spodní limit průtoku proudu, který zabraňuje průchodu jakéhokoli proudu přes R2. Pro odstranění 'šumu' lze do tohoto obvodu přidat kondenzátor, jak je znázorněno na obrázku.

AKTUÁLNÍ ZDROJ

Výše uvedený obrázek 19 ukazuje, jak lze operační zesilovač použít jako zdroj proudu. Hodnoty rezistorů lze vypočítat pomocí následujících rovnic:

R1 = R2

R3 = R4 + R5

Výstupní proud lze vyhodnotit pomocí následujícího vzorce:

Iout = (R3 x VIN) / (R1 x R5)

MULTIVIBRÁTOR

Operační zesilovač můžete upravit pro použití jako multivibrátor. Obr. 20 výše zobrazuje dva základní obvody. Konstrukce vlevo nahoře je volně běžící (stabilní) multivibrátor, jehož frekvence je řízena:

Na schématu vpravo dole je vidět monostabilní multivibrátorový obvod, který lze aktivovat pulsním vstupem obdélníkové vlny. Uvedené hodnoty komponent jsou pro operační zesilovač CA741.

GENERÁTOR ČTVERCOVÝCH VLN

Obr. 21 výše zobrazuje funkční obvod generátoru obdélníkových vln se středem kolem operačního zesilovače. Tento obvod generátoru obdélníkových vln by mohl být nejpřímější. Kromě samotného operačního zesilovače jsou potřeba pouze tři externí odpory a jeden kondenzátor.

Dva hlavní prvky, které určují časovou konstantu obvodu (výstupní kmitočet), jsou rezistor R1 a kondenzátor C1. Zapojení kladné zpětné vazby založené na R2 a R3 má však také vliv na výstupní frekvenci. I když jsou rovnice často poněkud komplikované, lze je pro konkrétní poměry R3/R2 zjednodušit. Pro ilustraci:

Pokud R3/R2 ≈ 1,0, pak F ≈ 0,5/(R1/C1)

nebo,

Pokud R3/R2 ≈ 10, pak F ≈ 5/(R1/C1)

Nejpraktičtější metodou je použít jeden z těchto standardních poměrů a změnit hodnoty R1 a C1 pro dosažení požadované frekvence. Pro R2 a R3 mohou být použity běžné hodnoty. Například poměr R3/R2 bude 10, pokud R2 = 10K a R3 = 100K, tedy:

F = 5/(R1/C1)

Ve většině případů si již budeme uvědomovat požadovanou frekvenci a bude nám stačit zvolit vhodné hodnoty komponent. Nejjednodušší metodou je nejprve vybrat hodnotu C1, která se zdá být rozumná, a poté přeskupit rovnici tak, aby bylo nalezeno R1:

R1 = 5/(F x C1)

Podívejme se na typický příklad frekvence 1200 Hz, kterou hledáme. Pokud je C1 připojen ke kondenzátoru 0,22uF, pak by měl mít R1 hodnotu, jak je znázorněno v následujícím vzorci:

R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω

Ve většině aplikací může být použit typický odpor 18K. Potenciometr může být přidán do série s R1 pro zvýšení užitečnosti a adaptability tohoto obvodu, jak je znázorněno na obr. 22 níže. To umožňuje ruční nastavení výstupní frekvence.

Pro tento obvod se používají stejné výpočty, avšak hodnota R1 se změní tak, aby odpovídala sériové kombinaci pevného odporu R1a a nastavené hodnoty potenciometru R1b:

R1 = R1a + Rlb

Pevný odpor je vložen, aby bylo zajištěno, že hodnota R1 nikdy neklesne na nulu. Rozsah výstupních frekvencí je určen pevnou hodnotou R1a a nejvyšším odporem R1b.

GENERÁTOR VARIABILNÍ ŠÍŘKY PULZU

Čtvercová vlna je zcela symetrická. Pracovní cyklus signálu obdélníkové vlny je definován jako poměr doby vysoké úrovně k celkové době cyklu. Čtvercové vlny mají podle definice pracovní cyklus 1:2.

S pouhými dvěma dalšími součástmi lze generátor obdélníkových vln z předchozí části přeměnit na generátor obdélníkových vln. Obr. 23 výše zobrazuje aktualizovaný obvod.

Dioda D1 omezuje průchod proudu přes R4 při záporných půlcyklech. R1 a C1 tvoří časovou konstantu, jak je vyjádřeno v následující rovnici:

T1 = 5/(2C1 x R1)

Při kladných půlcyklech však dioda může vést a paralelní kombinace R1 a R4 spolu s C1 definuje časovou konstantu, jak ukazuje následující výpočet:

T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))

Celková délka cyklu je pouze součtem dvou časových konstant polovičního cyklu:

Tt = T1 + T2

Výstupní frekvence je inverzní k celkové časové konstantě celého cyklu:

F = 1/Tt

Zde se pracovní cyklus nebude rovnat 1:2, protože časová konstanta pro úseky vysoké a nízké úrovně cyklu se bude lišit. Výsledkem budou asymetrické průběhy. Je možné nastavit R1 nebo R4, nebo dokonce oba, ale uvědomte si, že by to změnilo jak výstupní frekvenci, tak pracovní cyklus.

SINOVÝ OSCILÁTOR

Sinusovka, která je znázorněna na obr. 24 níže, je nejzákladnější ze všech střídavých signálů.

V tomto extrémně čistém signálu není absolutně žádný harmonický obsah. V sinusovce je pouze jedna základní frekvence. Ve skutečnosti je vytvoření zcela čisté sinusovky bez zkreslení poměrně obtížné. Naštěstí s použitím oscilátorového obvodu postaveného kolem operačního zesilovače se můžeme dostat docela blízko k optimálnímu tvaru vlny.

Obr. 25 výše zobrazuje běžný sinusový oscilátorový obvod obsahující operační zesilovač. Obvod twin-T sloužící jako pásmový (nebo zářezový) filtr slouží jako zpětnovazební síť. Kondenzátor C1 a rezistory R1 a R2 tvoří jeden T. C2, C3, R3 a R4 tvoří druhý T. Schéma to má obráceně. Aby tento obvod správně fungoval, musí mít hodnoty součástí následující vztahy:

Následující vzorec určuje výstupní frekvenci:

F = 1/(6,28 x R1 x C2)

Změnou hodnoty R4 by mohlo být ladění sítě se zpětnou vazbou twin-T poněkud vyladěno. Obvykle to může být malý trimrový potenciometr. Potenciometr se nastaví na nejvyšší odpor a pak se postupně snižuje, až se obvod jen vznáší na hranici oscilace. Výstupní sinusová vlna se může poškodit, pokud je odpor nastaven příliš nízko.

SPUŠTĚČ SCHMITT

Technicky vzato může být Schmittův spouštěč označen jako regenerační komparátor. Jeho primární funkcí je transformovat vstupní napětí, které se pomalu mění na výstupní signál, při určitém vstupním napětí.

Jinými slovy, má vlastnost „vůle“ zvanou hystereze, která funguje jako napěťový „spouštěč“. Operační zesilovač se stává základním stavebním kamenem pro operaci Schmittovy spouště (viz obr. 26 výše). Následující faktory určují spouštěcí nebo vypínací napětí:

V výlet = (V ven x R1) / (-R1 + R2)

V tomto typu obvodu je hystereze dvojnásobkem vypínacího napětí.

Na obr. 27 níže je znázorněn další Schmittův spouštěcí obvod. V tomto obvodu se výstup údajně „spustí“, když stejnosměrný vstup zasáhne asi pětinu napájecího napětí.

Napájecí napětí může být kdekoli mezi 6 a 15 volty, proto v závislosti na zvoleném napájecím napětí může být spoušť nastavena na 1,2 až 3 volty. Je-li to nutné, může být aktuální spouštěcí bod také změněn úpravou hodnoty R4.

Výstup bude stejný jako napájecí napětí, jakmile se spustí. Pokud je výstup připojen k žárovce nebo LED (přes sériový předřadný odpor), lampa (nebo LED) se rozsvítí, jakmile vstupní napětí dosáhne spouštěcí hodnoty, což znamená, že na vstupu bylo dosaženo této přesné úrovně napětí.

Zabalení

Takže to bylo několik základních obvodů operačních zesilovačů s vysvětlenými parametry. Doufám, že jste pochopili všechny charakteristiky a vzorce související s operačním zesilovačem.

Pokud máte nějaký jiný základní návrh obvodu operačního zesilovače, o kterém si myslíte, že by měl být zahrnut do výše uvedeného článku, neváhejte je zmínit prostřednictvím svých komentářů níže.