Wzmacniacze operacyjne (Op-Amps) są szeroko stosowane w elektronice i mikroukładach. Posiada doskonałe właściwości techniczne (TC) do wzmacniania sygnałów. Aby zrozumieć zastosowania op-ampów, należy poznać zasadę ich działania, schemat połączeń i podstawowe obwody prądowe.
Spis treści
Co to jest wzmacniacz operacyjny?
Op-amp to układ scalony (IC), którego głównym zadaniem jest wzmacnianie wartości prądu stałego. Posiada tylko jedno wyjście, nazywane wyjściem różnicowym. Wyjście to charakteryzuje się wysokim współczynnikiem wzmocnienia sygnału (CU). Wzmacniacze operacyjne są głównie używane do budowy obwodów z ujemnym sprzężeniem zwrotnym (NF), które określa Q oryginalnego obwodu przy głównym wzmocnieniu TC. Wzmacniacze operacyjne są stosowane nie tylko jako pojedyncze układy scalone, ale także w różnych blokach złożonych urządzeń.
Op-ampery mają 2 wejścia i 1 wyjście, a także wyjścia do podłączenia zasilacza (PSU). Zasada działania wzmacniacza operacyjnego jest prosta. Podstawą są dwie zasady. Zasady opisują proste procesy zachodzące w op-ampie, a sposób działania op-ampa jest jasny nawet dla manekinów. Na wyjściu różnica napięć (U) wynosi 0, a wejścia op-ampa nie pobierają prawie żadnego prądu (I). Jedno wejście jest nieodwracające (V+), a drugie odwracające (V-). Ponadto wejścia DUT mają dużą rezystancję (R) i prawie nie zużywają prądu.
Układ porównuje wartości U wejść i wyprowadza sygnał przez wstępne wzmocnienie. Op-amp ma wysoką wartość do 1000000. Jeśli na wejściu wystąpi niska wartość U, możliwe jest uzyskanie na wyjściu wartości równej wartości U zasilania (Uip). Jeśli napięcie U na wejściu V+ jest większe niż V-, wyjście będzie miało maksymalną wartość dodatnią. Jeśli na wejście odwracające podawany jest sygnał dodatni U, na wyjściu pojawi się maksymalna wartość napięcia ujemnego.
Podstawowym warunkiem działania procesora DSP jest zastosowanie dwubiegunowego źródła zasilania. Możliwe jest zastosowanie zasilania unipolarnego, ale spowoduje to poważne ograniczenie możliwości procesora DSP. Jeśli użyjesz baterii i przyjmiesz jej dodatnią stronę jako 0, pomiar wykaże 1,5 V. Jeśli weźmiesz dwie baterie i połączysz je szeregowo, nastąpi dodanie U, czyli urządzenie będzie wskazywać 3 V.
Jeśli za zero przyjmiemy minus baterii, przyrząd pokaże 3 V. W drugim przypadku, jeśli przyjmiemy, że przewód plusowy ma wartość 0, na wyświetlaczu pojawi się napięcie -3 V. Wykorzystując punkt pomiędzy dwiema bateriami jako zero, otrzymujemy prymitywny zasilacz bi-polarny. Jedynym sposobem sprawdzenia, czy DUT działa poprawnie, jest podłączenie go do obwodu.
Rodzaje i symbole na obwodzie
Wraz z rozwojem obwodów elektrycznych wzmacniacze operacyjne są stale ulepszane i pojawiają się nowe modele.
Są one klasyfikowane według ich zastosowania:
- Przemysłowe - opcja niskokosztowa.
- Presynchroniczne (precyzyjne urządzenia pomiarowe).
- Elektrometryczne (niskie Iin).
- Mikrozasilanie (zasilanie o niskim współczynniku I).
- Programowalne (prądy są ustawiane za pomocą I zewnętrznego).
- Mocny lub wysokoprądowy (dostarcza odbiornikowi wyższą wartość I).
- Niskie napięcie (działa przy napięciu U<3 V).
- Wysokie napięcie (zaprojektowane dla wysokich wartości U).
- Szybkie działanie (duża szybkość zmian i częstotliwość wzmacniania).
- Typ niskoszumowy.
- Typ dźwięku (niskie zniekształcenia harmoniczne).
- Dla zasilania bipolarnego i unipolarnego.
- Różnicowy (możliwość pomiaru niskiego U przy wysokim poziomie zakłóceń). Używane w bocznikach.
- Stopnie wzmacniaczy dostępne na rynku.
- Specjalizacja.
Op-ampery dzielą się na dwa typy w zależności od sygnałów wejściowych:
- Z 2 wejściami.
- Z 3 wejściami. Trzecie wejście jest używane do rozszerzenia funkcjonalności. Posiada wewnętrzne sprzężenie zwrotne.
Obwód wzmacniacza operacyjnego jest dość skomplikowany i nie ma sensu go tworzyć, a radioamator musi jedynie znać prawidłowy obwód wzmacniacza operacyjnego, ale aby to zrobić, musi zrozumieć przyporządkowanie pinów.
Podstawowe oznaczenia pinów układów scalonych:
- V+ - wejście nieodwracające.
- V- - wejście odwracające.
- Vout to wyjście.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) to zacisk plusowy zasilacza.
- Vs- (Vss, Vee, Vcc-) to minusowy zacisk zasilacza.
Praktycznie każdy wzmacniacz operacyjny jest wyposażony w 5 styków. Niektóre modele mogą jednak nie mieć funkcji V-. Istnieją modele wyposażone w dodatkowe wyjścia, które rozszerzają możliwości systemu DT.
Przewody zasilające nie muszą być oznakowane, ponieważ zwiększa to czytelność obwodu. Przewód zasilający z dodatniego zacisku lub bieguna zasilacza jest umieszczony w górnej części obwodu.
Główne cechy
Urządzenia DUT, podobnie jak inne elementy radiowe, mają KT, które można podzielić na typy:
- Wzmacnianie.
- Wejście.
- Wyjście.
- Moc.
- Drift.
- Częstotliwość.
- Zysk.
Wzmocnienie jest główną cechą charakterystyczną op-ampa. Charakteryzuje się stosunkiem sygnału wyjściowego do sygnału wejściowego. Określa się ją również mianem amplitudy lub współczynnika przenoszenia TC, który jest przedstawiany w postaci wykresu zależności. Wielkości wejściowe obejmują wszystkie wielkości wejściowe dla opampa: Rin, prądów przesunięcia (Icm) i przesunięcia (Iin), dryftu i maksymalnej wejściowej różnicy załączeń U (Udifmax).
Icm jest używany do obsługi wzmacniacza operacyjnego na wejściach. Iinx jest potrzebny do działania stopnia wejściowego op-ampa. Przesunięcie Iinh jest różnicą Icm dla dwóch półprzewodników wejściowych DUT.
Budując obwody, należy wziąć pod uwagę te punkty I podczas podłączania rezystorów. Jeśli nie uwzględni się Iinx, może to spowodować powstanie różnicy U, co doprowadzi do nieprawidłowego działania opampa.
Udifmax to wartość U przyłożona między wejściami op-ampu. Jego wartość określa, czy nie doszło do uszkodzenia półprzewodników stopnia różnicowego.
W celu zapewnienia niezawodnej ochrony między wejściami op-ampa są podłączone przeciwrównolegle 2 diody i stabilizator. Wejście różnicowe R jest charakteryzowane przez wartość R między dwoma wejściami, a wejście wspólnego trybu R jest wartością między dwoma wejściami DT, które są połączone, a masą (masą). Parametrami wyjściowymi DUT są: wartość wyjściowa R (Rout), maksymalna wartość wyjściowa U oraz I. Parametr R out powinien mieć mniejszą wartość, aby uzyskać najlepszą charakterystykę wzmocnienia.
Aby uzyskać małą wartość współczynnika R, należy zastosować wzmacniacz emitera. I Out jest zamieniane na kolektor I. Wartości TC mocy są oceniane na podstawie maksymalnej mocy pobieranej przez wzmacniacz operacyjny. Przyczyną nieprawidłowej pracy op-ampa jest rozrzut napięcia zasilania półprzewodników stopnia wzmacniacza różnicowego, który zależy od wskaźników temperatury (dryf temperaturowy). Parametry częstotliwościowe kondensatora op-ampera są podstawowe. Przyczyniają się one do wzmocnienia sygnałów harmonicznych i impulsowych (szybka reakcja).
Kondensator jest dołączany do układów scalonych otwierających zarówno ogólnego, jak i specjalnego przeznaczenia, aby zapobiec generowaniu sygnałów o wysokiej częstotliwości. Przy niskich częstotliwościach obwody mają wysoki współczynnik C bez sprzężenia zwrotnego (OC). W przypadku OC stosowane jest przełączanie nieodwracające. Ponadto w niektórych przypadkach, na przykład w konstrukcji wzmacniacza odwracającego, nie stosuje się OC. Ponadto op-ampy mają charakterystykę dynamiczną:
- Szybkość narastania sygnału Ug (SN Ug).
- Czas ustawiania Uv (reakcja op-ampa na skokowe zwiększenie napięcia U).
Gdzie stosować
Istnieją dwa typy obwodów wzmacniaczy operacyjnych, które różnią się sposobem ich łączenia. Główną wadą wzmacniaczy operacyjnych jest zmienność współczynnika Q w zależności od trybu pracy. Główne obszary zastosowań to wzmacniacze: odwracające (IU) i nieodwracające (NIU). W układzie LUT, Q na U jest ustawiane za pomocą rezystorów (sygnał musi być podany na wejście). Op-amp zawiera op-amp typu szeregowego. To połączenie jest wykonywane z jednym z rezystorów. Jest on stosowany tylko do V-.
W DUT sygnały są przesunięte w fazie. Aby zmienić znak ujemnego napięcia wyjściowego, konieczne jest działanie równoległe z U. Wejście, które nie jest wejściem odwracającym, musi być uziemione. Sygnał wejściowy jest doprowadzany do wejścia odwracającego przez rezystor. Jeśli wejście nieodwracające jest podłączone do masy, różnica U między wejściami wzmacniaczy operacyjnych wynosi 0.
Możliwe jest rozróżnienie urządzeń, w których używane są DUT:
- Przedwzmacniacze.
- Wzmacniacze sygnałów o częstotliwości audio i wideo.
- U komparatorów.
- Różnice między użytkownikami.
- Wyróżniki.
- Integratorzy.
- Wkłady filtracyjne.
- Prostowniki (zwiększona dokładność parametrów wyjściowych).
- Stabilizatory U i I.
- Kalkulatory analogowo-analogowe.
- Przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC).
- DAC (przetworniki cyfrowo-analogowe).
- Urządzenia do generowania różnych sygnałów.
- Inżynieria komputerowa.
Wzmacniacze operacyjne i ich zastosowania stały się powszechne w różnych urządzeniach.
Powiązane artykuły:
