Operačné zosilňovače (Op-Amps) sa široko používajú v elektronike a mikroobvodoch. Má vynikajúce technické vlastnosti (TC) na zosilňovanie signálov. Na pochopenie použitia op-ampov je potrebné poznať princíp ich činnosti, schému zapojenia a základné TC.
Čo je operačný zosilňovač
Op-amp je integrovaný obvod (IC), ktorého hlavným účelom je zosilňovať jednosmernú hodnotu. Má len jeden výstup, ktorý sa nazýva diferenciálny výstup. Tento výstup má vysoký faktor zosilnenia signálu (CU). Optické zosilňovače sa používajú najmä na vytváranie obvodov so zápornou spätnou väzbou (NF), ktorá určuje Q pôvodného obvodu počas hlavného zosilnenia TC. Optické zosilňovače sa používajú nielen ako samostatné IC, ale aj v rôznych blokoch komplexných zariadení.
Optické zosilňovače majú 2 vstupy a 1 výstup a tiež výstupy na pripojenie napájacieho zdroja (PSU). Princíp činnosti operačného zosilňovača je jednoduchý. Základom sú 2 pravidlá. Pravidlá opisujú jednoduché procesy, ktoré prebiehajú v optickom zosilňovači, a to, ako optický zosilňovač funguje, je jasné aj pre hlupákov. Na výstupe je rozdiel napätí (U) 0 a vstupy op-ampu neodoberajú takmer žiadny prúd (I). Jeden vstup sa nazýva neinvertujúci (V+) a druhý invertujúci (V-). Okrem toho majú vstupy DUT vysoký odpor (R) a nespotrebúvajú takmer žiadny I.
Čip porovnáva hodnoty U na vstupoch a výstupný signál predzosilňuje. Op-amp má vysokú hodnotu až 1000000. Ak sa na vstupe vyskytne nízka hodnota U, na výstupe je možné získať hodnotu rovnú napájaciemu U (Uip). Ak je U na vstupe V+ väčšie ako V-, výstup bude mať maximálnu kladnú hodnotu. Ak je na invertujúci vstup privedené kladné U, výstup bude mať maximálnu zápornú hodnotu napätia.
Základnou požiadavkou na prevádzku DSP je použitie bipolárneho napájania. Je možné použiť unipolárne napájanie, ale to výrazne obmedzí možnosti DSP. Ak použijete batériu a kladnú stranu batérie vezmete ako 0, meranie ukáže 1,5 V. Ak vezmete 2 batérie a zapojíte ich do série, dôjde k pridaniu U, t. j. zariadenie bude ukazovať 3 V.
Ak mínusový vodič batérie považujete za nulu, prístroj bude ukazovať 3 V. V opačnom prípade, ak vezmete plusový vodič ako 0, zobrazí sa -3 V. Použitím bodu medzi dvoma batériami ako nuly získate primitívny bipolárny zdroj napájania. Jediný spôsob, ako skontrolovať, či DUT funguje správne, je pripojiť ho k obvodu.
Typy a symboly na obvode
S vývojom elektrických obvodov sa operačné zosilňovače neustále zdokonaľujú a objavujú sa nové modely.
Rozdeľujú sa podľa spôsobu použitia:
- Priemyselné - nízkonákladová možnosť.
- Presynchrónne (presné meracie zariadenia).
- Elektrometrické (nízka hodnota Iin).
- Napájanie z mikrozdroja (nízka hodnota I).
- Programovateľné (prúdy sa nastavujú pomocou I externého).
- Výkonné alebo vysokoprúdové (spotrebiteľovi poskytujú vyššiu hodnotu I).
- Nízke napätie (pracuje pri U<3 V).
- Vysoké napätie (určené pre vysoké hodnoty U).
- Rýchle pôsobenie (vysoká rýchlosť otáčania a frekvencia zosilnenia).
- Typ s nízkou hlučnosťou.
- Typ zvuku (nízke harmonické skreslenie).
- Pre bipolárny a unipolárny typ napájania.
- Rozdielový typ (schopný merať nízke U s vysokým rušením). Používa sa v bočníkoch.
- Stupne zosilňovača, ktoré sú dostupné v ponuke.
- Špecializované.
Op-Ampy sa delia na 2 typy podľa vstupných signálov:
- S 2 vstupmi.
- S 3 vstupmi. Tretí vstup sa používa na rozšírenie funkcií. Má vnútornú spätnú väzbu.
Zapojenie operačného zosilňovača je pomerne zložité a nemá zmysel ho vyrábať a rádioamatér potrebuje poznať len správne zapojenie operačného zosilňovača, ale na to musí rozumieť priradeniu pinov.
Hlavné označenia pinov IC sú nasledovné:
- V+ - neinvertujúci vstup.
- V- - Inverzný vstup.
- Vout je výstup.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) je plusová svorka napájacieho zdroja.
- Vs- (Vss, Vee, Vcc-) je mínusová svorka napájania.
Prakticky každý optický zosilňovač je vybavený 5 vývodmi. Niektoré modely však nemusia mať V-. Existujú modely s ďalšími výstupmi, ktoré rozširujú možnosti DT.
Napájacie vodiče nemusia byť označené, pretože to zvyšuje čitateľnosť obvodu. Napájací vodič z kladnej svorky alebo pólu napájacieho zdroja je umiestnený v hornej časti obvodu.
Hlavné funkcie
DUT, podobne ako iné rádiové komponenty, majú TC, ktoré možno rozdeliť na typy:
- Zosilnenie.
- Vstupné údaje.
- Výstup.
- Výkon.
- Drift.
- Frekvencia.
- Zisk.
Zosilnenie je hlavnou charakteristikou op-ampu. Je charakterizovaný pomerom výstupného signálu k vstupnému signálu. Označuje sa aj ako amplitúdový alebo prenosový TC, ktorý je znázornený ako graf závislosti. Vstupné veličiny zahŕňajú všetky veličiny pre vstup op-ampu: Rin, ofsetový (Icm) a ofsetový (Iin) prúd, drift a maximálny vstupný diferenciál U (Udifmax).
Icm sa používa na prevádzku optického zosilňovača na vstupoch. Iinx je potrebný na prevádzku vstupného stupňa op-ampu. Posun Iinh je rozdiel Icm pre 2 vstupné polovodiče DUT.
Pri zostavovaní obvodov musíte pri pripájaní rezistorov zohľadniť tieto I. Ak sa Iinx nezohľadní, môže vzniknúť diferenciál U, čo povedie k nesprávnej činnosti op-ampu.
Udifmax je U, ktoré sa aplikuje medzi vstupy op-ampu. Jeho hodnota charakterizuje vylúčenie poškodenia polovodičov diferenciálneho stupňa.
Na spoľahlivú ochranu sú medzi vstupy op-ampu protibežne zapojené 2 diódy a stabilizátor. Diferenciálny vstup R je charakterizovaný hodnotou R medzi dvoma vstupmi a vstup so spoločným režimom R je hodnota medzi 2 vstupmi DT, ktoré sú prepojené, a hmotou (zemou). Výstupné parametre DUT sú výstup R (Rout), maximálny výstup U a I. Parameter R out by mal mať menšiu hodnotu, aby sa dosiahli najlepšie charakteristiky zosilnenia.
Na dosiahnutie malej hodnoty R sa musí použiť opakovač žiariča. I Out sa zmení na kolektor I. Výkonové TC sa vyhodnocujú podľa maximálneho výkonu spotrebovaného optickým zosilňovačom. Príčinou nesprávnej činnosti op-ampu je rozptyl TC polovodičov diferenčného zosilňovacieho stupňa, ktorý závisí od teplotných indexov (teplotný drift). Frekvenčné parametre Op-Amp sú základné. Prispievajú k zosilneniu harmonických a impulzných signálov (rýchla odozva).
Kondenzátor je súčasťou integrovaných obvodov s otváračmi na všeobecné použitie aj na špeciálne použitie, aby sa zabránilo generovaniu vysokofrekvenčných signálov. Pri nízkych frekvenciách majú obvody vysoký C-faktor bez spätnej väzby (OC). V prípade OC sa používa neinvertujúce spínanie. Okrem toho sa v niektorých prípadoch, napríklad pri konštrukcii invertujúceho zosilňovača, nepoužíva OC. Okrem toho majú op-ampéry dynamické vlastnosti:
- Rýchlosť otáčania Uvs (SN Uvs).
- Čas nastavenia Uv (odozva op-ampu pri skokovej zmene U).
Kde používať
Existujú 2 typy obvodov Op-Amp, ktoré sa líšia spôsobom zapojenia. Hlavnou nevýhodou optických zosilňovačov je premenlivosť Q v závislosti od režimu prevádzky. Hlavnými oblasťami použitia sú zosilňovače: invertujúce (IU) a neinvertujúce (NIU). V obvode LUT sa Q na U nastavuje pomocou rezistorov (signál musí byť privedený na vstup). Op-amp obsahuje sériový op-amp. Toto pripojenie je pripojené k jednému z rezistorov. Používa sa len pre V-.
V DUT sú signály fázovo posunuté. Na zmenu znamienka záporného výstupného napätia je potrebná paralelná operácia s U. Vstup, ktorý je neinvertujúci, musí byť uzemnený. Vstupný signál sa privádza na invertujúci vstup cez rezistor. Ak neinvertujúci vstup ide na zem, rozdiel U medzi vstupmi Op-Amp je 0.
Je možné rozlišovať zariadenia, v ktorých sa používajú DUT:
- Predzosilňovače.
- Zosilňovače frekvenčných zvukových a obrazových signálov.
- U komparátorov.
- Rozdiely.
- Rozlišovacie znaky.
- Integrátori.
- Filtračné prvky.
- Usmerňovače (zvýšená presnosť výstupných parametrov).
- U a I stabilizátory.
- Analógovo analógové kalkulačky.
- ADC (analógovo-digitálne prevodníky).
- DAC (digitálno-analógový prevodník).
- Zariadenia na generovanie rôznych signálov.
- Počítačové inžinierstvo.
Operačné zosilňovače a ich aplikácie sa rozšírili v rôznych prístrojoch.
Súvisiace články:
