Úvod do operačných zosilňovačov: 7 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

V tomto návode uvediem úvod do operačného zosilňovača, jedného z najužitočnejších analógových zariadení. Toto zariadenie môže byť nakonfigurované ako neinvertujúci alebo invertujúci zosilňovač, komparátor, zosilňovač napätia, súčtový zosilňovač, zosilňovač prístrojov, vyrovnávacia pamäť, aktívny filter, oscilátor Wien Bridge a mnoho ďalších aplikácií. Operačný zosilňovač je dodávaný v rôznych konfiguráciách, ako napríklad jeden 8 -pinový DIP LM741 alebo 14 -pinový štvorpólový zosilňovač LM324 zobrazený vyššie. Existujú aj typy, ktoré sa dodávajú vo variantoch pre povrchovú montáž.

Krok 1: Čo je operačný zosilňovač?

Operačný zosilňovač, ktorý je v skratke známy aj ako operačný zosilňovač, je zosilňovač napätia s vysokým ziskom spojený s jednosmerným prúdom, integrovaný do čipu IC. Majú dva vstupy (diferenciálny vstup) a jeden výstup. Používajú sa ako stavebné kamene v analógovej elektronike, pretože prvé zariadenia vyšli na konci šesťdesiatych rokov minulého storočia. Jednou z krás týchto zariadení je, že povahou ich štandardizácie výrazne zjednodušili elektronický dizajn. Navrhovanie zosilňovačov s diskrétnymi komponentmi si vyžiadalo veľa vylepšení kvôli rozdielom medzi aktívnymi zariadeniami. Ak sú všetky zosilňovače vyrobené z rovnakej kremíkovej matrice, môžu byť všetky vyrobené rovnako a majú rovnaké vlastnosti. Pri navrhovaní s operačnými zosilňovačmi je možné dosiahnuť konkrétny zisk pre zariadenie inštaláciou dvoch externých rezistorov so špecifickým pomerom odporu. Napríklad, ak je požadované zosilnenie napätia 100, do obvodu je možné vložiť odpor 100k a odpor 1k, aby sa získal pomer 100. Pri použití tejto stratégie je zisk vždy rovnaký. Najpopulárnejším operačným zosilňovačom všetkých čias je 741, ktorý existuje od začiatku 70. rokov a používajú ho generácie fanúšikov vo všetkom, od audio zosilňovačov po napájacie zdroje. Priemysel 741 nepoužíval priemysel už mnoho rokov, pretože boli vyvinuté lepšie operačné zosilňovače, ale medzi priaznivcami stále majú priaznivcov a dajú sa ľahko získať. Prvé zariadenia vyšli buď v štýle 8 -pinového dvojitého radového balenia, alebo v kruhovej kovovej plechovke. Neskôr boli k dispozícii zariadenia na povrchovú montáž. 741 a ďalšie operačné zosilňovače jeho vintage používali bipolárne tranzistory so zariadeniami používajúcimi tranzistorové vstupy s efektom poľa, ktoré vyšli neskôr. Začali sa používať tranzistorové vstupy s poľným efektom kvôli potrebe mať väčšiu vstupnú impedanciu a nižší prúdový odber.

Krok 2: Neinvertujúci zosilňovač

Neinvertujúci zosilňovač je prvý obvod, ktorý pokryjeme. Vo vyššie uvedenom diagrame je operačný zosilňovač zapojený tak, že vstup smeruje k pozitívnemu vstupu a odpor so spätnou väzbou smeruje k zápornému vstupu. Pomer Rf k Rg určuje zisk. V prípade vyššie uvedeného obvodu je zosilnenie napätia 10. Diagram v strede obmedzení „skutočného sveta“zosilňovača 741, keď je do vstupu privádzaná 10 kHz štvorcová vlna, ale vychádza ako trojuholníkový priebeh v dôsledku obmedzená rýchlosť prepínania zariadenia. Keď je vstup znížený na 1 kHz štvorcovej vlny, výstup sa zlepší a vyzerá viac ako skutočná štvorcová vlna. Meranie schopnosti operačného zosilňovača sledovať zmeny amplitúdy vstupného signálu sa nazýva „rýchlosť prechodu“a meria sa vo voltoch na mikrosekundu. 741 má veľmi krotké hodnotenie pri 0,5 voltoch na mikrosekundu. Vysokorýchlostné operačné zosilňovače majú hodnotenie až 5 000 voltov za mikrosekundu, hoci typický typ, akým je TL081, bude mať priemerné hodnotenie 13 voltov za mikrosekundu.

Krok 3: Invertujúci zosilňovač

Operačný zosilňovač môže byť nakonfigurovaný tak, že 1-voltový negatívny priebežný priebeh je možné prevrátiť a zosilniť tak, aby poskytol 10-voltový pozitívny priebežný priebeh. Použitie tejto konfigurácie môže byť kdekoľvek, kde je potrebná fázová zmena, napríklad v budiacich stupňoch diskrétnych tranzistorových zosilňovačov.

Krok 4: Použitie operačného zosilňovača ako prevodníka zo štvorcovej vlny na sínusovú vlnu

Vyššie uvedený obvod zmení 1 000 Hz štvorcovú vlnu na 1 000 Hz sínusovú vlnu. Robí to tak, že sa odfiltrujú všetky frekvenčné zložky (harmonické) nad a pod základnou, ktorou je sínusová vlna. Namiesto použitia odporov v spätnoväzbovom obvode používame frekvenčne selektívne komponenty (kondenzátory), ktoré poskytujú negatívnu spätnú väzbu na zrušenie nechcených frekvencií. Stredný diagram ukazuje simulovaný skutočný obvod a vytvorený priebeh. Tretí diagram zobrazuje frekvenčnú charakteristiku obvodu. Technický názov tohto typu obvodu je aktívny pásmový filter. Umožňuje prejsť len veľmi úzkym pásmom frekvencií bez toho, aby bol zoslabený.

Krok 5: Použitie operačného zosilňovača ako komparátora

Existujú špecializované čipy, ktoré sú lepšími komparátormi, ale niekedy ich možno nebudete mať poruke, preto je vždy užitočné vedieť, ako vytvoriť komparátor z operačného zosilňovača. Rýchly prehľad toho, čo je komparátor, je v podstate operačný zosilňovač nastavený ako zosilňovač bez spätnej väzby, ktorý umožňuje zosilňovaču pracovať s maximálnym ziskom. Keď je jeden vstup viazaný na konkrétne napätie, ako sú 3 volty zobrazené na diagrame, obvod poskytne výstup, ktorý je takmer maximálnym napätím koľajnice, keď sú dva vstupy na rovnakom napätí. V prípade vyššie uvedeného obvodu poskytuje sínusová vlna 1 kHz výstup, keď stúpne nad 3 volty, a znova sa vypne, keď sínusová vlna klesne pod 3 volty. Komparátory sa bežne používajú v (ADC) a relaxačných oscilátoroch.

Krok 6: Zostavenie súčtového zosilňovača s operačným zosilňovačom

Sčítací zosilňovač vyššie zachytáva dva signály s frekvenciou 1 kHz, jeden s dĺžkou 10 mV od vrcholu k píku a druhý s výkonom 20 mV od vrcholu do píku. Výsledný výkon je 60 mV od vrcholu k vrcholu. Pretože je to invertujúci zosilňovač, vydáva signál opačnej fázy.

Sčítacie zosilňovače sa používajú v zvukových mixážnych pultoch, kde je potrebné kombinovať rôzne vstupy. Privedením signálov do potenciometrov sa signály môžu meniť tak, aby poskytovali požadovaný výstup.

Krok 7: Mixér troch vstupov

Tento obvod je možné použiť na kombináciu dvoch nástrojov a vokálnej stopy, podľa potreby je možné pridať ďalšie vstupy. Každú vstupnú úroveň je možné nastaviť nezávisle pomocou potenciometrov.