Τι είναι ένας λειτουργικός ενισχυτής;

Οι ενισχυτές λειτουργίας (Op-Amps) χρησιμοποιούνται ευρέως στα ηλεκτρονικά και στα μικροκυκλώματα. Διαθέτει εξαιρετικά τεχνικά χαρακτηριστικά (TC) για την ενίσχυση σημάτων. Για να κατανοήσουμε τις χρήσεις των ενισχυτών op-amps, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε την αρχή λειτουργίας τους, το διάγραμμα συνδεσμολογίας και τα βασικά TCs.

Τι είναι ένας λειτουργικός ενισχυτής

Ο ενισχυτής op-amp είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC) του οποίου ο κύριος σκοπός είναι να ενισχύει μια συνεχή τιμή. Έχει μόνο μία έξοδο, η οποία ονομάζεται διαφορική έξοδος. Αυτή η έξοδος έχει υψηλό συντελεστή ενίσχυσης σήματος (CU). Οι Op-Amps χρησιμοποιούνται κυρίως για την κατασκευή κυκλωμάτων με αρνητική ανάδραση (NF), η οποία καθορίζει το Q του αρχικού κυκλώματος κατά τη διάρκεια της κύριας ενίσχυσης TC. Οι Op-Amps χρησιμοποιούνται όχι μόνο ως μεμονωμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα, αλλά και σε διάφορα μπλοκ σύνθετων συσκευών.

Οι Op-Amps έχουν 2 εισόδους και 1 έξοδο και διαθέτουν επίσης εξόδους για τη σύνδεση ενός τροφοδοτικού (PSU). Η αρχή λειτουργίας ενός λειτουργικού ενισχυτή είναι απλή. Υπάρχουν 2 κανόνες που λαμβάνονται ως βάση. Οι κανόνες περιγράφουν τις απλές διεργασίες που συμβαίνουν στον τελεστικό ενισχυτή και ο τρόπος λειτουργίας του είναι σαφής ακόμη και για τους ανόητους. Στην έξοδο η διαφορά τάσης (U) είναι 0 και οι είσοδοι του τελεστικού ενισχυτή δεν απορροφούν σχεδόν καθόλου ρεύμα (I). Η μία είσοδος ονομάζεται μη αναστρέφουσα (V+) και η άλλη αναστρέφουσα (V-). Επιπλέον, οι είσοδοι του DUT έχουν υψηλή αντίσταση (R) και δεν καταναλώνουν σχεδόν καθόλου I.

Το τσιπ συγκρίνει τις τιμές U των εισόδων και εξάγει το σήμα με προενίσχυση. Ο op-amp έχει υψηλή τιμή έως και 1000000. Εάν προκύψει χαμηλή τιμή U στην είσοδο, είναι δυνατόν να λάβετε στην έξοδο τιμή ίση με την τιμή U της τροφοδοσίας (Uip). Εάν το U στην είσοδο V+ είναι μεγαλύτερο από το V-, η έξοδος θα έχει μέγιστη θετική τιμή. Εάν τροφοδοτείται το θετικό U της αναστρέφουσας εισόδου, η έξοδος θα έχει τη μέγιστη αρνητική τιμή τάσης.

Η βασική προϋπόθεση για τη λειτουργία του DSP είναι η χρήση διπολικού τροφοδοτικού. Είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί μονοπολικό τροφοδοτικό, αλλά αυτό θα περιορίσει σημαντικά τις δυνατότητες του DSP. Εάν χρησιμοποιήσετε μια μπαταρία και λάβετε τη θετική πλευρά της μπαταρίας ως 0, η μέτρηση θα δείξει 1,5 V. Αν πάρετε 2 μπαταρίες και τις συνδέσετε σε σειρά, τότε θα προκύψει πρόσθεση U, δηλαδή η συσκευή θα δείχνει 3 V.

Εάν θεωρήσετε το μείον καλώδιο της μπαταρίας ως μηδέν, το όργανο θα δείξει 3 V. Στην άλλη περίπτωση, αν λάβετε το συν καλώδιο ως 0, θα δείξει -3 V. Χρησιμοποιώντας το σημείο μεταξύ των δύο μπαταριών ως μηδενικό, έχετε μια πρωτόγονη διπολική τροφοδοσία. Ο μόνος τρόπος για να ελέγξετε αν το DUT λειτουργεί σωστά είναι να το συνδέσετε στο κύκλωμα.

Τύποι και σύμβολα σε ένα κύκλωμα

Με την εξέλιξη των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, οι λειτουργικοί ενισχυτές βελτιώνονται συνεχώς και εμφανίζονται νέα μοντέλα.

Ταξινομούνται ανάλογα με την εφαρμογή τους:

1. Βιομηχανική - η επιλογή χαμηλού κόστους.
2. Προσύγχρονη (εξοπλισμός μέτρησης ακριβείας).
3. Ηλεκτρομετρικά (χαμηλό Iin).
4. Μικρο-δύναμη (τροφοδοσία χαμηλής τιμής I).
5. Προγραμματιζόμενο (τα ρεύματα ρυθμίζονται με το I external).
6. Ισχυρό ή υψηλού ρεύματος (δίνει υψηλότερη τιμή I στον καταναλωτή).
7. Χαμηλή τάση (λειτουργεί σε U<3 V).
8. Υψηλή τάση (σχεδιασμένη για υψηλές τιμές U).
9. Ταχείας δράσης (υψηλός ρυθμός ανόδου και συχνότητα ενίσχυσης).
10. Τύπος χαμηλού θορύβου.
11. Τύπος ήχου (χαμηλή αρμονική παραμόρφωση).
12. Για διπολικό και μονοπολικό τύπο τροφοδοσίας.
13. Τύπος διαφοράς (ικανός να μετρά χαμηλό U με υψηλή παρεμβολή). Χρησιμοποιείται σε διακλαδώσεις.
14. Στάδια ενισχυτή από το ράφι.
15. Εξειδικευμένο.

Οι Op-Amps χωρίζονται σε 2 τύπους ανάλογα με τα σήματα εισόδου:

1. Με 2 εισόδους.
2. Με 3 εισόδους. Η 3η είσοδος χρησιμοποιείται για την επέκταση της λειτουργικότητας. Έχει εσωτερική ανατροφοδότηση.

Το κύκλωμα ενός λειτουργικού ενισχυτή είναι αρκετά πολύπλοκο και δεν υπάρχει λόγος να κατασκευάσει κανείς έναν τέτοιο και ο ραδιοερασιτέχνης χρειάζεται μόνο να γνωρίζει το σωστό κύκλωμα του λειτουργικού ενισχυτή, αλλά για να το κάνει αυτό, πρέπει να κατανοήσει την ανάθεση των ακροδεκτών.

Οι κύριες ονομασίες των ακροδεκτών του ολοκληρωμένου κυκλώματος έχουν ως εξής:

1. V+ - μη αναστρέφουσα είσοδος.
2. V- - Αντίστροφη είσοδος.
3. Vout είναι η έξοδος.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) είναι ο ακροδέκτης συν του τροφοδοτικού.
4. Vs- (Vss, Vee, Vcc-) είναι ο μείον ακροδέκτης του τροφοδοτικού.

Σχεδόν κάθε Op-Amp είναι εξοπλισμένος με 5 ακίδες. Ωστόσο, ορισμένα μοντέλα μπορεί να μην έχουν V-. Υπάρχουν μοντέλα με πρόσθετες εξόδους που επεκτείνουν τις δυνατότητες του DT.

Τα καλώδια τροφοδοσίας δεν χρειάζεται να επισημαίνονται, καθώς αυτό αυξάνει την αναγνωσιμότητα του κυκλώματος. Το καλώδιο τροφοδοσίας από τον θετικό ακροδέκτη ή πόλο του τροφοδοτικού τοποθετείται στην κορυφή του κυκλώματος.

Κύρια χαρακτηριστικά

Τα DUT, όπως και άλλα ραδιοεξαρτήματα, έχουν TC, τα οποία μπορούν να χωριστούν σε τύπους:

1. Ενίσχυση.
2. Εισαγωγή.
3. Έξοδος.
4. Ισχύς.
5. Παρασύρεται.
6. Συχνότητα.
7. Κέρδος.

Το κέρδος είναι το κύριο χαρακτηριστικό ενός op-amp. Χαρακτηρίζεται από τον λόγο του σήματος εξόδου προς το σήμα εισόδου. Αναφέρεται επίσης ως πλάτος ή μεταφορά TC, το οποίο αναπαρίσταται ως γράφημα εξάρτησης. Οι ποσότητες εισόδου περιλαμβάνουν όλες τις ποσότητες εισόδου για τον ενισχυτή op-amp: Rin, τα ρεύματα offset (Icm) και offset (Iin), την ολίσθηση και το μέγιστο διαφορικό U εισόδου (Udifmax).
Το Icm χρησιμοποιείται για τη λειτουργία του Op-Amp στις εισόδους. Το Iinx είναι απαραίτητο για τη λειτουργία του σταδίου εισόδου του ενισχυτή op-amp. Η μετατόπιση Iinh είναι η διαφορά του Icm για τους 2 ημιαγωγούς εισόδου του DUT.

Όταν κατασκευάζετε κυκλώματα, πρέπει να λαμβάνετε υπόψη αυτά τα I όταν συνδέετε αντιστάσεις. Εάν το Iinx δεν ληφθεί υπόψη, μπορεί να δημιουργηθεί διαφορικό U, το οποίο θα οδηγήσει σε εσφαλμένη λειτουργία του ενισχυτή op-amp.
Udifmax είναι το U που εφαρμόζεται μεταξύ των εισόδων του ενισχυτή op-amp. Η τιμή του χαρακτηρίζει τον αποκλεισμό βλάβης στους ημιαγωγούς του διαφορικού σταδίου.

Για αξιόπιστη προστασία, 2 δίοδοι και ένας σταθεροποιητής συνδέονται αντιπαράλληλα μεταξύ των εισόδων του τελεστικού ενισχυτή. Η διαφορική είσοδος R χαρακτηρίζεται από το R μεταξύ των δύο εισόδων και η είσοδος κοινού τρόπου R είναι η τιμή μεταξύ των 2 εισόδων του DT που είναι διασυνδεδεμένες και της μάζας (γείωση). Οι παράμετροι εξόδου του DUT είναι η έξοδος R (Rout), η μέγιστη έξοδος U και I. Η παράμετρος R out θα πρέπει να έχει μικρότερη τιμή για να παρέχει τα καλύτερα χαρακτηριστικά κέρδους.

Θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας επαναλήπτης εκπομπής για να επιτευχθεί μια μικρή τιμή R. Το I Out αλλάζει με έναν συλλέκτη I. Τα TC ισχύος αξιολογούνται με βάση τη μέγιστη ισχύ που καταναλώνει ο Op-Amp. Η αιτία της εσφαλμένης λειτουργίας του ενισχυτή op-amp είναι η διασπορά του TC των ημιαγωγών της βαθμίδας του διαφορικού ενισχυτή, η οποία εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά θερμοκρασίας (temperature drift). Οι παράμετροι συχνότητας του Op-Amp είναι βασικές. Συμβάλλουν στην ενίσχυση αρμονικών και παλμικών σημάτων (απόκριση ταχύτητας).

Ένας πυκνωτής περιλαμβάνεται τόσο στα ολοκληρωμένα κυκλώματα ανοίγματος γενικής χρήσης όσο και στα ολοκληρωμένα κυκλώματα ανοίγματος ειδικής χρήσης για να αποτρέψει τη δημιουργία σημάτων υψηλής συχνότητας. Στις χαμηλές συχνότητες τα κυκλώματα έχουν υψηλό συντελεστή C χωρίς ανατροφοδότηση (OC). Στην περίπτωση OC χρησιμοποιείται μη αναστρέφουσα μεταγωγή. Επιπλέον, σε ορισμένες περιπτώσεις, για παράδειγμα στην κατασκευή ενός αντιστρεπτικού ενισχυτή, δεν χρησιμοποιείται OC. Επιπλέον, οι ενισχυτές op έχουν δυναμικά χαρακτηριστικά:

1. Ο ρυθμός αύξησης της αύξησης Ug (SN Ug).
2. Ο χρόνος ρύθμισης του Uv (απόκριση του ενισχυτή op-amp όταν το U αυξάνεται).

Πού να χρησιμοποιήσετε

Υπάρχουν 2 τύποι κυκλωμάτων Op-Amp που διαφέρουν ως προς τον τρόπο σύνδεσής τους. Το κύριο μειονέκτημα των Op-Amps είναι η μεταβλητότητα του Q ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας. Οι κύριοι τομείς εφαρμογής είναι οι ενισχυτές: αντιστρεπτικοί (IU) και μη αντιστρεπτικοί (NIU). Στο κύκλωμα LUT, το Q στο U ρυθμίζεται με αντιστάσεις (το σήμα πρέπει να εφαρμόζεται στην είσοδο). Ο οπ-ενισχυτής περιέχει έναν οπ-ενισχυτή σειράς. Η σύνδεση αυτή γίνεται σε μία από τις αντιστάσεις. Εφαρμόζεται μόνο στο V-.

Σε ένα DUT, τα σήματα μετατοπίζονται κατά φάση. Για να αλλάξει το πρόσημο της αρνητικής τάσης εξόδου, απαιτείται παράλληλη λειτουργία με το U. Η είσοδος, η οποία είναι μη αναστρέφουσα είσοδος, πρέπει να είναι γειωμένη. Το σήμα εισόδου τροφοδοτείται στην αναστρέφουσα είσοδο μέσω μιας αντίστασης. Εάν η μη αναστρέφουσα είσοδος πάει στη γη, η διαφορά U μεταξύ των εισόδων του Op-Amp είναι 0.

Είναι δυνατόν να διακρίνουμε τις συσκευές στις οποίες χρησιμοποιούνται τα DUT:

1. Προενισχυτές.
2. Ενισχυτές σημάτων συχνότητας ήχου και βίντεο.
3. Συγκριτές U.
4. Difusers.
5. Διαφοροποιητικοί παράγοντες.
6. Ολοκληρωτές.
7. Στοιχεία φίλτρου.
8. Ανορθωτές (βελτιωμένη ακρίβεια των παραμέτρων εξόδου).
9. Σταθεροποιητές U και I.
10. Αναλογικές προς αναλογικές αριθμομηχανές.
11. ADC (Αναλογικοί σε ψηφιακούς μετατροπείς).
12. DAC (μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό).
13. Συσκευές για την παραγωγή διαφόρων σημάτων.
14. Μηχανική υπολογιστών.

Οι λειτουργικοί ενισχυτές και οι εφαρμογές τους έχουν διαδοθεί ευρέως σε διάφορες συσκευές.

Σχετικά άρθρα: