I den følgende artikel diskuterer vi de vigtigste op amp parametre og de relaterede op amp grundlæggende applikationskredsløb med ligninger til løsning af deres specifikke komponentværdier.
Op-amps (operationel forstærkere) er en specialiseret type integreret kredsløb, der inkluderer en direkte koblet højforstærker forstærker med en overordnet responskarakteristik justeret af en feedback.
Op-amp'en har sit navn fra det faktum, at den kan udføre en lang række matematiske beregninger. På grund af sin respons er en op-amp også kendt som et lineært integreret kredsløb og er kernekomponenten i mange analoge systemer.
En op-forstærker har en ekstraordinær høj forstærkning (måske nærmer sig uendeligt), som kan justeres via en feedback. Tilføjelsen af kondensatorer eller induktorer til feedback-netværket kan resultere i forstærkning, der ændrer sig med frekvensen, hvilket påvirker det integrerede kredsløbs overordnede driftstilstand.
Som vist i figuren ovenfor er den grundlæggende operationsforstærker en enhed med tre terminaler med to indgange og en udgang. Indgangsterminalerne er klassificeret som 'inverterende' eller 'ikke-inverterende'.
Op Amp parametre
Når den forsynes med ens indgangsspændinger, er udgangen af den ideelle operationsforstærker, eller 'op amp,' nul eller '0 volt.'
VIN 1 = VIN 2 giver VOUT = 0
Praktiske op-amps har et ufuldkomment afbalanceret input, hvilket får ujævne forspændingsstrømme til at strømme gennem indgangsterminalerne. For at afbalancere op-forstærkerens output skal der være en input offset spænding mellem de to indgangsterminaler.
1) Input Bias Current
Når outputtet er balanceret, eller når V UD = 0, indgangsforspændingsstrømmen (I B ) er lig med halvdelen af de samlede individuelle strømme, der kommer ind i de to indgangsforbindelser. Det er ofte et meget lille antal; for eksempel I B = 100 nA er en normal værdi.
2) Input offset strøm
Forskellen mellem hver enkelt strøm, der når indgangsterminalerne, er kendt som input offset-strømmen (I dette ). Igen er det ofte af ekstremt lav værdi; for eksempel er en fælles værdi I dette = 10 nA.
3) Input offset spænding
For at holde op-forstærkeren afbalanceret, skal en input offset-spænding V dette skal påføres på tværs af indgangsterminalen. Normalt værdien af V dette er = 1 mV.
Værdier af I dette og V dette kan begge variere med temperaturen, og denne variation kaldes I dette drift og V dette henholdsvis drift.
4) Strømforsyningsafvisningsforhold (PSRR)
Forholdet mellem ændringen i input offsetspænding og den tilsvarende ændring i strømforsyningsspændingen er kendt som strømforsyningsafvisningsforholdet eller PSRR. Dette er ofte i området fra 10 til 20 uV/V.
Yderligere parametre for op-amps, der kan nævnes, er:
5) Åben sløjfeforstærkning/Lukket sløjfeforstærkning
Open-loop-forstærkning refererer til en op-amps forstærkning uden et feedback-kredsløb, hvorimod closed-loop-forstærkning refererer til en op-amps forstærkning med et feedback-kredsløb. Det er generelt repræsenteret som A d .
6) Common-mode afvisningsforhold (CMRR)
Dette er forholdet mellem differenssignalet og common-mode signalet og tjener som et mål for en differentialforstærkers ydeevne. Vi bruger decibel (dB) til at udtrykke dette forhold.
7) Slew Rate
Slew rate er den hastighed, hvormed udgangsspændingen af en forstærker ændres under store signalforhold. Det er repræsenteret ved hjælp af enheden V/us.
Op Amp Basic Application Circuits
I de følgende afsnit vil vi lære om flere interessante op amp grundlæggende kredsløb. Hvert af de grundlæggende designs er forklaret med formler for at løse deres komponentværdier og funktioner.
FORSTÆRKER ELLER BUFFER
Kredsløbet for en inverterende forstærker eller en inverter kan ses i figur 1 ovenfor. Forstærkningen af kredsløbet er givet af:
Fra = - R2/R1
Bemærk, at forstærkningen er negativ, hvilket indikerer, at kredsløbet fungerer som en faseinverterende spændingsfølger, hvis de to modstande er ens (dvs. R1 = R2). Udgangen ville være identisk med indgangen, med polariteten omvendt.
I virkeligheden kan modstandene fjernes for enhedsforstærkning og erstattes af direkte jumperledninger, som vist i fig. 2 nedenfor.
Dette er muligt, fordi R1 = R2 = 0 i dette kredsløb. Typisk fjernes R3 fra det inverterende spændingsfølgerkredsløb.
Op amp output vil forstærke indgangssignalet, hvis R1 er mindre end R2. For eksempel, hvis R1 er 2,2 K og R1 er 22 K, kan forstærkningen udtrykkes som:
Fra = - 22.000/2.200 = -10
Det negative symbol angiver faseinversion. Indgangs- og udgangspolariteterne er omvendt.
Ved at gøre R1 større end R2, kan det samme kredsløb også dæmpe (reducere styrken af) inputsignalet. For eksempel, hvis R1 er 120 K og R2 er 47 K, ville kredsløbsforstærkningen være nogenlunde:
Fra = 47.000/120.000 = - 0,4
Igen er polariteten af udgangen den omvendte af indgangens. Selvom R3's værdi ikke er særlig vigtig, bør den være omtrent lig med den parallelle kombination af R1 og R2. Som er:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
For at demonstrere dette, overvej vores tidligere eksempel, hvor R1 = 2,2 K og R2 = 22 K. R3's værdi i denne situation bør være cirka:
R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48.400.000/24.200 = 2000 Ω
Vi kan vælge den nærmeste standardmodstandsværdi for R3, fordi den præcise værdi ikke er nødvendig. En 1,8 K eller en 2,2 K modstand kunne bruges i dette tilfælde.
Den faseinversion, der skabes af kredsløbet i fig. 2, er muligvis ikke acceptabel i flere situationer. For at bruge op-ampen som en ikke-inverterende forstærker (eller som en simpel buffer), skal du tilslutte den som vist i fig. 3 nedenfor.
Forstærkningen i dette kredsløb er udtrykt som følger:
Off = 1 + R2/R1
Output og input har samme polaritet og er i fase.
Husk, at forstærkningen altid skal være på minimum 1 (enhed). Det er ikke muligt at dæmpe (reducere) signaler ved hjælp af et ikke-inverterende kredsløb.
Forstærkningen af kredsløbet vil være forholdsvis stærkere, hvis R2-værdien er væsentligt større end R1. For eksempel, hvis R1 = 10 K og R2 = 47 K, vil forstærkningen af op-forstærkeren være som angivet nedenfor:
Fra = 1 + 470.000/10.000 = 1 + 47 = 48
Men hvis R1 er væsentligt større end R2, vil forstærkningen kun være noget mere end enhed. For eksempel, hvis R1 = 100 K og R2 = 22 K, vil forstærkningen være:
Fra = 1 + 22.000/100.000 = 1 + 0,22 = 1,22
Hvis de to modstande er identiske (R1 = R2), vil forstærkningen altid være 2. For at overbevise dig selv om dette, prøv forstærkningsligningen i nogle få scenarier.
En specifik situation er, når begge modstande er sat til 0. Med andre ord, som det ses i fig. 4 nedenfor, bruges direkte forbindelser i stedet for modstandene.
Gevinsten er præcis én i dette tilfælde. Dette er i overensstemmelse med forstærkningsformlen:
Fra = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1
Input og output er identiske. Anvendelser for dette ikke-inverterende spændingsfølgerkredsløb omfatter impedanstilpasning, isolation og buffer.
ADDER (summerende forstærker)
Et antal indgangsspændinger kunne tilføjes ved hjælp af en op-forstærker. Som illustreret i fig. 5 nedenfor, tilføres indgangssignalerne V1, V2,... Vn til operationsforstærkeren via modstande R1, R2,... Rn.
Disse signaler kombineres derefter for at producere udgangssignalet, som er lig med summen af inputsignalerne. Følgende formel kan bruges til at beregne op-forstærkerens reelle ydeevne som en adderer:
VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))
Se det negative symbol. Det betyder, at udgangen er blevet inverteret (polariteten er omvendt). Med andre ord er dette kredsløb en inverterende adderer.
Kredsløbet kan ændres til at fungere som en ikke-inverterende adder ved at skifte forbindelserne til op-amp'ens inverterende og ikke-inverterende indgange, som vist i fig. 6 nedenfor.
Udgangsligningen kunne gøres enklere ved at antage, at alle inputmodstande har identiske værdier.
VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)
Differentialforstærker
Fig. 7 ovenfor viser grundkredsløbet for en differentialforstærker. Komponentværdierne indstilles således, at R1 = R2 og R3 = R4. Derfor kan kredsløbets ydeevne beregnes ved hjælp af følgende formel:
VOUT = VIN 2 - VIN 1
Kun så længe op-forstærkeren kan acceptere, at indgange 1 og 2 har forskellige impedanser (indgang 1 har en impedans på R1 og indgang 2 har en impedans på R1 plus R3).
ADMINISTRATION/SUBTRAKTØR
Figur 8 ovenfor viser konfigurationen for et op-forstærker-adder-/subtraktionskredsløb. I det tilfælde, hvor R1 og R2 har de samme værdier, og R3 og R4 ligeledes er sat til de samme værdier, så:
VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)
Med andre ord er Vout = V3 + V4 summen af V3 og V4 input, mens det er subtraktion af V1 og V2 input. Værdierne for R1, R2, R3 og R4 er valgt, så de passer til op-forstærkerens karakteristika. R5 skal være lig med R3 og R4, og R6 skal være lig med R1 og R2.
MULTIPLIER
Simple multiplikationsoperationer kan udføres med kredsløbet vist i fig. 9 ovenfor. Husk, at dette er det samme kredsløb som i fig. 1. For at opnå en ensartet forstærkning (og efterfølgende en multiplikation af indgangsspændingen i forholdet R2/R1) og præcise resultater, skal præcisionsmodstande med de foreskrevne værdier for R1 og R2 skal bruges. Især er udgangsfasen inverteret af dette kredsløb. Spændingen ved udgangen vil være lig med:
VOUT = - (VIN x Off)
hvor Av er forstærkningen, som bestemt af R1 og R2. VOUT og VIN er henholdsvis udgangs- og indgangsspændingerne.
Som det ses i fig. 10 ovenfor, kan multiplikationskonstanten ændres, hvis R2 er en variabel modstand (potentiometer). Rundt om styreakslen kan du montere en kalibreringsskive med mærker for forskellige almindelige gevinster. Multiplikationskonstanten kan aflæses direkte fra denne skive ved hjælp af en kalibreret aflæsning.
INTEGRATOR
En op-amp vil i det mindste teoretisk fungere som en integrator, når den inverterende input kobles med udgangen gennem en kondensator.
Som angivet i fig. 11 ovenfor skal en parallel modstand forbindes over denne kondensator for at opretholde DC-stabilitet. Dette kredsløb implementerer følgende forhold til at integrere inputsignal:
R2's værdi skal vælges for at matche op amp parametrene, således at:
VOUT = R2/R1 x VIN
DIFFERENTIATOR
Differentiator-op-amp-kredsløbet inkluderer en kondensator i indgangslinjen, der forbinder til den inverterende indgang, og en modstand, der forbinder denne indgang til udgangen. Dette kredsløb har imidlertid klare grænser, derfor ville en foretrukken opsætning være at parallelisere modstanden og kondensatoren som illustreret i fig. 12 ovenfor.
Følgende ligning bestemmer, hvor godt dette kredsløb fungerer:
VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt
LOG FORSTÆRKERE
Grundkredsløbet (fig. 13 ovenfor) anvender en NPN-transistor og en op-amp til at generere et output, der er proportionalt med indgangens log:
VOUT = (- k log 10 ) FRI/FRI O
Det 'inverterede' kredsløb, der fungerer som en grundlæggende anti-log-forstærker, er afbildet i det nederste diagram. Typisk er kondensatoren af lav værdi (f.eks. 20 pF).
AUDIO AMP
En op-forstærker er i det væsentlige en DC-forstærker, men kan også anvendes til AC-applikationer. En ligetil lydforstærker er vist i figur 14 ovenfor.
LYD MIXER
En modifikation af lydforstærkeren er vist i dette kredsløb (fig. 15 ovenfor). Du kan se, hvordan det ligner adderkredsløbet i fig. 5. De forskellige inputsignaler blandes eller flettes. Hvert inputsignals inputpotentiometer giver mulighed for niveaujustering. De relative proportioner af de forskellige indgangssignaler i udgangen kan således justeres af brugeren.
SIGNALSPLITTER
Signalsplitterkredsløbet set i fig. 16 ovenfor er lige det modsatte af en mixer. Et enkelt udgangssignal er opdelt i flere identiske udgange, der leverer forskellige input. De flere signallinjer er adskilt fra hinanden ved hjælp af dette kredsløb. For at justere det nødvendige niveau inkluderer hver udgangslinje et separat potentiometer.
SPÆNDING TIL STRØMOMformer
Kredsløbet vist i fig. 17 ovenfor vil få belastningsimpedansen R2 og R1 til at opleve det samme strømflow.
Denne strømværdi ville være proportional med indgangssignalets spænding og uafhængig af belastningen.
Men på grund af den høje indgangsmodstand, som den ikke-inverterende terminal giver, vil strømmen være af relativt lav værdi. Denne strøm har en værdi, der er direkte proportional med VIN/R1.
STRØM TIL SPÆNDINGSOMformer
Hvis udgangsspændingen er lig med IIN x R2, og designet (fig. 18 ovenfor) anvendes, kan indgangssignalstrømmen flyde lige via feedbackmodstanden R2.
For at sige det på en anden måde, omdannes indgangsstrømmen til en proportional udgangsspænding.
Forspændingskredsløbet, der oprettes ved den inverterende indgang, sætter en nedre grænse for strømflowet, som forhindrer enhver strøm i at passere gennem R2. For at eliminere 'støj' kan der tilføjes en kondensator til dette kredsløb som vist på figuren.
NUVÆRENDE KILDE
Ovenstående figur 19 viser, hvordan en op-forstærker kan bruges som en strømkilde. Modstandsværdierne kan beregnes ved hjælp af følgende ligninger:
R1 = R2
R3 = R4 + R5
Udgangsstrømmen kan evalueres ved hjælp af følgende formel:
Iout = (R3 x VIN) / (R1 x R5)
MULTIVIBRATOR
Du kan tilpasse en op-forstærker til brug som en multivibrator. Fig. 20 ovenfor viser to grundlæggende kredsløb. Designet øverst til venstre er en frikørende (stabil) multivibrator, hvis frekvens styres af:
Et monostabilt multivibratorkredsløb, der kan aktiveres af en firkantbølgepulsindgang, kan ses i diagrammet nederst til højre. De angivne komponentværdier er for en CA741 operationsforstærker.
FIRKANTBØLGEGENERATOR
Fig. 21 ovenfor viser et funktionelt firkantbølgegeneratorkredsløb centreret omkring en operationsforstærker. Dette firkantbølgegeneratorkredsløb kunne muligvis være det mest ligetil. Der er kun brug for tre eksterne modstande og en kondensator ud over selve op-forstærkeren.
De to hovedelementer, der bestemmer kredsløbets tidskonstant (udgangsfrekvens) er modstanden R1 og kondensatoren C1. Den R2- og R3-baserede positive feedback-forbindelse har dog også indflydelse på udgangsfrekvensen. Selvom ligninger ofte er lidt komplicerede, kan de gøres enklere for bestemte R3/R2-forhold. Til illustration:
Hvis R3/R2 ≈ 1,0 så F ≈ 0,5/(R1/C1)
eller,
Hvis R3/R2 ≈ 10, så F ≈ 5/(R1/C1)
Den mest praktiske metode er at anvende et af disse standardforhold og ændre værdierne for R1 og C1 for at opnå den nødvendige frekvens. For R2 og R3 kan der anvendes konventionelle værdier. For eksempel vil R3/R2-forholdet være 10, hvis R2 = 10K og R3 = 100K, således:
F = 5/(R1/C1)
I de fleste tilfælde vil vi allerede være opmærksomme på den nødvendige frekvens, og vi behøver kun at vælge de passende komponentværdier. Den enkleste metode er først at vælge en C1-værdi, der virker rimelig, og derefter omarrangere ligningen for at finde R1:
R1 = 5/(F x C1)
Lad os se på et typisk eksempel på 1200 Hz frekvens, vi leder efter. Hvis C1 er forbundet til en 0,22uF kondensator, skal R1 have værdien som vist i følgende formel:
R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω
En typisk 18K modstand kan bruges i de fleste applikationer. Et potentiometer kan tilføjes i serie med R1 for at øge anvendeligheden og tilpasningsevnen af dette kredsløb, som illustreret i fig. 22 nedenfor. Dette gør det muligt at justere udgangsfrekvensen manuelt.
For dette kredsløb anvendes de samme beregninger, dog ændres R1's værdi for at matche seriekombinationen af den faste modstand R1a og den justerede værdi af potentiometeret R1b:
R1 = R1a + Rlb
Den faste modstand er indsat for at sikre, at værdien af R1 aldrig falder til nul. Området af udgangsfrekvenser bestemmes af den faste værdi af R1a og den højeste modstand af R1b.
GENERATOR FOR VARIABEL PULSBREDDE
En firkantbølge er totalt symmetrisk. Firkantbølgesignalets arbejdscyklus er defineret som forholdet mellem højniveautid og total cyklustid. Firkantbølger har en 1:2 arbejdscyklus pr. definition.
Med blot to komponenter mere kan firkantbølgegeneratoren fra det foregående afsnit omdannes til en rektangelbølgegenerator. Fig. 23 ovenfor viser det opdaterede kredsløb.
Diode D1 begrænser passagen af strøm via R4 ved negative halvcyklusser. R1 og C1 udgør tidskonstanten som udtrykt i følgende ligning:
T1 = 5/(2C1 x R1)
Ved positive halvcyklusser får dioden dog lov til at lede, og den parallelle kombination af R1 og R4 sammen med C1 definerer tidskonstanten, som vist i følgende beregning:
T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))
Den samlede cykluslængde er kun summen af de to halvcyklustidskonstanter:
Tt = T1 + T2
Udgangsfrekvensen er den omvendte af den samlede tidskonstant for hele cyklussen:
F = 1/Tt
Her vil arbejdscyklussen ikke være lig med 1:2, fordi tidskonstanten for cyklussens høj- og lavniveausektioner vil være forskellig. Asymmetriske bølgeformer vil blive produceret som et resultat. Det er muligt at gøre R1 eller R4 justerbare, eller endda dem begge, men vær opmærksom på, at det ville ændre både udgangsfrekvensen og arbejdscyklussen.
SINE BØLGE OSCILLATOR
Sinusbølgen, som er vist i fig. 24 nedenfor, er den mest basale af alle AC-signaler.
Der er absolut intet harmonisk indhold i dette ekstremt rene signal. Der er kun én grundlæggende frekvens i en sinusbølge. Faktisk er det ret svært at skabe en fuldstændig ren, forvrængningsfri sinusbølge. Heldigvis kan vi ved at bruge et oscillatorkredsløb bygget omkring en op-amp komme tæt på en optimal bølgeform.
Fig. 25 ovenfor viser et konventionelt sinusbølgeoscillatorkredsløb, der inkorporerer en op-amp. Et twin-T-kredsløb, der tjener som et båndafvisnings- (eller notch-) filter, fungerer som feedback-netværket. Kondensatoren C1 og modstandene R1 og R2 udgør den ene T. C2, C3, R3 og R4 udgør den anden T. Skemaet er omvendt. Komponentværdierne skal have følgende forhold, for at dette kredsløb fungerer korrekt:
Følgende formel bestemmer udgangsfrekvensen:
F = 1/(6,28 x R1 x C2)
Ved at ændre R4's værdi, kunne twin-T feedback netværk tuning justeres noget. Typisk kan dette være et lille trimmerpotentiometer. Potentiometeret indstilles til højeste modstand og reduceres derefter gradvist, indtil kredsløbet lige svæver på grænsen til svingning. Udgangssinusbølgen kan blive ødelagt, hvis modstanden justeres for lavt.
SCHMITT TRIGGER
Teknisk set kan en Schmitt-trigger omtales som en regenerativ komparator. Dens primære funktion er at transformere en indgangsspænding, der langsomt ændrer sig til et udgangssignal, ved en bestemt indgangsspænding.
For at sige det på en anden måde har den en 'backlash'-egenskab kaldet hysterese, som fungerer som en spændings-'trigger'. Op-forstærkeren bliver den grundlæggende byggeklods til Schmitt-triggeroperationen (se fig. 26 ovenfor). Følgende faktorer bestemmer udløsnings- eller udløsningsspændingen:
I rejse = (V ud x R1) / (-R1 + R2)
I denne type kredsløb er hysteresen det dobbelte af tripspændingen.
I fig. 27 nedenfor er et andet Schmitt-triggerkredsløb afbildet. I dette kredsløb siges udgangen at være 'udløst', når DC-indgangen rammer omkring en femtedel af forsyningsspændingen.
Forsyningsspændingen kan være hvor som helst mellem 6 og 15 volt, derfor kan udløseren afhængigt af den valgte forsyningsspænding indstilles til at fungere ved 1,2 til 3 volt. Om nødvendigt kan det faktiske udløsningspunkt også ændres ved at ændre værdien af R4.
Udgangen vil være den samme som forsyningsspændingen, så snart den udløses. Hvis udgangen er tilsluttet en glødepære eller LED (gennem en serie ballastmodstand), vil lampen (eller LED) lyse, når indgangsspændingen rammer udløsningsværdien, hvilket indikerer, at dette præcise spændingsniveau er opnået ved indgangen.
Afslutter
Så disse var et par op amp grundlæggende kredsløb med deres parametre forklaret. Håber du har forstået alle karakteristika og formler relateret til en op-forstærker.
Hvis du har et andet grundlæggende op-amp kredsløbsdesign, som du mener skal inkluderes i ovenstående artikel, er du velkommen til at nævne dem gennem dine kommentarer nedenfor.
