Co jsou to operační zesilovače?
Operační zesilovače jsou základními stavebními kameny systému Analogové elektronické obvody . Jsou to lineární zařízení se všemi vlastnostmi stejnosměrného zesilovače. Můžeme použít externí rezistory nebo kondenzátory pro Op Amp je mnoho různých způsobů, jak z nich udělat různé formy zesilovačů, jako je Invertující zesilovač, Neinvertující zesilovač, Napěťový sledovač, Komparátor, Diferenční zesilovač, Sumační zesilovač, Integrátor atd. OPAMP mohou být jednoduché, dual, quad atd. OPAMP jako CA3130, CA3140, TL0 71, LM311 atd. mají vynikající výkon s velmi nízkým vstupním proudem a napětím. Ideální operační zesilovač má kromě jiných terminálů tři důležité terminály. Vstupními svorkami jsou invertující vstup a neinvertující vstup. Třetí svorka je výstup, který může klesat a napájet proud a napětí. Výstupní signál je zisk zesilovače vynásobený hodnotou vstupního signálu.
5 Ideální postavy operačního zesilovače:
1. Otevřete zisk smyčky
Zisk otevřené smyčky je zisk operačního zesilovače bez pozitivní nebo negativní zpětné vazby. Ideální OP zesilovač by měl mít nekonečný zisk otevřené smyčky, ale obvykle se pohybuje mezi 20 000 a 2 00 000.
2. Vstupní impedance
Jde o poměr vstupního napětí k vstupnímu proudu. Mělo by to být nekonečné bez jakéhokoli úniku proudu ze zdroje na vstupy. Ve většině operačních zesilovačů však dojde k několika únikům proudu Pico ampér.
3. Výstupní impedance
Ideální operační zesilovač by měl mít nulovou výstupní impedanci bez vnitřního odporu. Aby mohl dodávat plný proud do zátěže připojené k výstupu.
4. Šířka pásma
Ideální operační zesilovač by měl mít nekonečnou frekvenční odezvu, aby mohl zesilovat jakoukoli frekvenci od stejnosměrných signálů po nejvyšší střídavé frekvence. Ale většina operačních zesilovačů má omezenou šířku pásma.
5. Ofset
Pokud je rozdíl napětí mezi vstupy nulový, výstup operačního zesilovače by měl být nulový. Ale ve většině operačních zesilovačů nebude výstup při vypnutí nulový, ale bude z něj minutové napětí.
Konfigurace pinů OPAMP:
V typickém operačním zesilovači bude 8 pinů. Tyto jsou
Pin1 - Offset Null
Pin2 - Invertující vstup INV
Pin3 - neinvertující vstup Non-INV
Pin4 - uzemnění - záporné napájení
Pin5 - Offset Null
Pin6 - výstup
Pin7 - Kladné napájení
Pin8 - stroboskop
4 typy zisku v OPAMPech:
Zisk napětí - Vstupní a výstupní napětí
Aktuální zisk - aktuální vstup a aktuální výstup
Transconductance - napětí a proud ven
Trans odpor - proud a napětí ven
Práce operačního zesilovače:
Zde jsme použili operační zesilovač LM358. Obvykle musí být předpětí předán neinvertující vstup a invertující vstup je skutečný zesilovač připojený k zpětné vazbě 60k rezistoru z výstupu na vstup. A rezistor 10k je zapojen do série s kondenzátorem a obvodu je dána dodávka sinusové vlny 1V, nyní uvidíme, jak bude zisk řízen ziskem R2 / R1 = 60k / 10k = 6, pak je výstup 6V . Pokud změníme zisk o 40, pak je výstup 4V sinusové vlny.
Video o práci operačního zesilovače
Za normálních okolností se jedná o duální zesilovač napájecího zdroje, který lze snadno nakonfigurovat na jediný napájecí zdroj pomocí odporové sítě. V tomto rezistoru R3 a R4 umístit napětí poloviny napájecího napětí přes neinvertující vstup, což způsobí, že výstupní napětí bude také polovina napájecího napětí a vytvoří jakési zkreslení rezistorů R3 a R4 může být libovolná 1 000 až 100 000, ale ve všech případech by měly být stejné. K neinvertujícímu vstupu byl přidán další kondenzátor 1 F, aby se snížil šum způsobený konfigurací. U této konfigurace je vyžadováno použití vazebních kondenzátorů pro vstup a výstup.
3 aplikace OPAMP:
1. Zesílení
Zesílený výstupní signál z Op Amp je rozdíl mezi dvěma vstupními signály.
Výše uvedený diagram představuje jednoduché připojení Op Amp. Pokud jsou oba vstupy napájeny stejným napětím, Op Amp potom vezme rozdíl mezi dvěma napětími a bude 0. Op Amp to znásobí ziskem 1 000 000, takže výstupní napětí je 0. Když jsou 2 volty vzhledem k jednomu vstupu a 1 voltu na druhém, pak zesilovač Op vezme svůj rozdíl a znásobí se ziskem. To je 1 volt x 1 000 000. Ale tento zisk je velmi vysoký, aby se snížil zisk, zpětná vazba z výstupu na vstup se obvykle provádí pomocí odporu.
Invertující zesilovač:
Výše zobrazený obvod je invertující zesilovač s neinvertujícím vstupem připojeným k zemi. Dva odpory R1 a R2 jsou v obvodu zapojeny takovým způsobem, že R1 napájí vstupní signál, zatímco R2 vrací výstup na invertující vstup. Zde, když je vstupní signál kladný, bude výstup záporný a naopak. Změna napětí na výstupu vzhledem ke vstupu závisí na poměru odporů R1 a R2. R1 je vybráno jako 1K a R2 jako 10K. Pokud vstup přijme 1 volt, bude přes R1 proud 1 mA a na výstupu bude muset být - 10 voltů, aby bylo možné dodávat proud 1 mA přes R2 a udržovat nulové napětí na invertujícím vstupu. Proto je napěťový zisk R2 / R1. To je 10K / 1K = 10
Neinvertující zesilovač:
Výše zobrazený obvod je neinvertující zesilovač. Zde neinvertující vstup přijímá signál, zatímco invertující vstup je připojen mezi R2 a R1. Když se vstupní signál pohybuje buď kladně nebo záporně, výstup bude ve fázi a udržuje napětí na invertujícím vstupu stejné jako napětí neinvertujícího vstupu. Zisk napětí bude v tomto případě vždy vyšší než 1 (1 + R2 / R1).
dva. Sledovač napětí
Výše uvedený obvod je sledovačem napětí. Zde poskytuje vysokou vstupní impedanci, nízkou výstupní impedanci. Při změně vstupního napětí se změní výstup i invertující vstup stejně.
3. Komparátor
Operační zesilovač porovnává napětí přivedené na jeden vstup s napětím přivedeným na druhý vstup. Jakýkoli rozdíl mezi napětím, pokud je malý, vede operační zesilovač k nasycení. Pokud jsou napětí dodávaná na oba vstupy stejné velikosti a stejné polarity, je výstup op-amp 0Volts.
Komparátor produkuje omezená výstupní napětí, která lze snadno propojit s digitální logikou, i když je třeba ověřit kompatibilitu.
Video na operačním zesilovači jako obvodové schéma komparátoru
Zde máme operační zesilovač používaný jako komparátor s invertujícími a neinvertujícími svorkami a připojený k nim nějaký dělič potenciálu a měřič a voltmetr na výstupu a Vedl k výstup. Základní vzorec pro komparátor je, že když je „+“ více než „–“, pak je výstup vysoký (jeden), jinak je výstup nulový. Když je napětí na záporném vstupu nižší než referenční napětí, je výstup vysoký a když záporný vstup překročí napětí na kladném, výstup se sníží.
3 Požadavky na OPAMP:
1. Offset Nulling
Většina OPAMP má na výstupu offsetové napětí, i když jsou vstupní napětí stejná. Pro výstup na nulové napětí se používá metoda nulování offsetu. Ve většině operačních zesilovačů je malý offset kvůli jejich inherentní vlastnosti a výsledkům z neshod v uspořádání předpětí. Na výstupu některých operačních zesilovačů je tedy k dispozici malé výstupní napětí, i když je vstupní signál nulový. Tuto nevýhodu lze napravit dodáním malého offsetového napětí na vstupy. Toto se označuje jako vstupní offsetové napětí. K odstranění nebo vynulování offsetu má většina operačních zesilovačů dva piny, které umožňují vynulování offsetu. Za tímto účelem by měl být mezi piny 1 a 5 spojen hrnec nebo předvolba s typickou hodnotou 100 tis. Nastavením předvolby lze výstup nastavit na nulové napětí.
dva. Stroboskopická nebo fázová kompenzace
Operační zesilovače mohou být někdy nestabilní a aby byly stabilní pro všechna frekvenční pásma, je Cap obvykle připojen mezi jeho stroboskopický pin 8 a pin1. Obvykle je přidán diskový kondenzátor 47pF fázová kompenzace takže OpAmp zůstane stabilní. To je nejdůležitější, pokud je OpAmp používán jako citlivý zesilovač.
3. Zpětná vazba
Jak víte, operační zesilovač má velmi vysokou úroveň zesílení, obvykle přibližně 1 000,00krát. Předpokládejme, že Op-Amp má zisk 10 000, pak Op-Amp zesílí rozdíl napětí ve svém neinvertujícím vstupu (V +) a invertujícím vstupu (V-). Takže výstupní napětí V out je
10 000 x (V + - V-)
V diagramu je signál aplikován na neinvertující vstup a v invertujícím vstupu je připojen k výstupu. Takže V + = V in a V- = Vout. Proto Vout = 10 000 x (Vin - Vout). Proto je výstupní napětí téměř stejné jako vstupní napětí.
Nyní se podívejme, jak zpětná vazba funguje. Pouhé přidání odporu mezi invertující vstup a výstup značně sníží zisk. Tím, že vezmete zlomek výstupního napětí na invertující vstup, můžete značně snížit zesílení.
Podle dřívější rovnice V out = 10 000 x (V + - V-). Ale zde je přidán zpětnovazební rezistor. Takže zde V + je Vin a V- je R1.R1 + R2 x V out. Proto je V out 10 000 x (Vin - R1.R1 + R2xVout). Takže V out = R1 + R2.R1x Vin
Negativní zpětná vazba:
Zde je výstup Op-Amp připojen k jeho invertujícímu (-) vstupu, takže je výstup přiváděn zpět na vstup, aby se dosáhlo rovnováhy. Vstupní signál na neinvertujícím (+) vstupu se tedy projeví na výstupu. Operační zesilovač se zápornou zpětnou vazbou bude řídit svůj výstup na nezbytnou úroveň, a proto bude rozdíl napětí mezi jeho invertujícími a neinvertujícími vstupy téměř nulový.
Pozitivní zpětná vazba:
Zde je výstupní napětí přivedeno zpět na neinvertující (+) vstup. Vstupní signál je přiváděn na invertující vstup. V konstrukci s kladnou zpětnou vazbou, pokud je invertující vstup připojen k zemi, bude výstupní napětí z operačního zesilovače záviset na velikosti a polaritě napětí na neinvertujícím vstupu. Když je vstupní napětí kladné, pak bude výstup Op-Amp kladný a toto kladné napětí bude přivedeno na neinvertující vstup, což povede k plnému kladnému výstupu. Pokud je vstupní napětí záporné, bude stav obrácen.
Aplikace operačních zesilovačů - předzesilovač zvuku
Filtry a předzesilovače:
Výkonové zesilovače přijdou za předzesilovači a před reproduktory. Moderní přehrávače CD a DVD nepotřebují předzesilovače. Potřebují ovládání hlasitosti a voliče zdrojů. Použitím ovládacích prvků přepínání a pasivního objemu se můžeme vyhnout předzesilovačům.
Pojďme si krátce představit audio výkonové zesilovače
Výkonový zesilovač je součást, která dokáže řídit hlasité reproduktory převodem signálu nízké úrovně na velký signál. Úkolem výkonových zesilovačů je produkce relativně vysokého napětí a vysokého proudu. Obvykle je rozsah napěťového zisku mezi 20 a 30. Výkonové zesilovače mají velmi nízký výstupní odpor.
Specifikace audio výkonového zesilovače
- Maximální výstupní výkon:
Výstupní napětí je nezávislé na zátěži pro malé i velké signály. Dané napětí aplikované na zátěž způsobí dvojnásobné množství proudu. Proto bude dodáno dvojnásobné množství energie. Jmenovitý výkon je spojitý průměrný sinusový výkon, takže výkon lze měřit pomocí sinusové vlny, jejíž RMS napětí se měří dlouhodobě.
- Frekvenční odezva:
Frekvenční odezva musí rozšířit celé zvukové pásmo 20 Hz až 20 KHz. Tolerance frekvenční odezvy je ± 3db. Konvenční způsob určování šířky pásma je zesilovač, který je o 3 dB nižší než nominální 0 dB.
- Hluk:
Výkonové zesilovače by měly produkovat nízký šum, pokud výkonové zesilovače používají vysoké frekvence. Parametr šumu může být vážený nebo nevážený. Nevážený šum bude specifikován na šířku pásma 20 KHz. Na základě citlivosti ucha bude brána v úvahu specifikace váženého šumu. Vážené měření šumu má tendenci tlumit hluk při vyšších frekvencích, a proto je vážené měření hluku docela lepší než měření neváženého šumu.
- Zkreslení:
Celkové harmonické zkreslení je běžné zkreslení obvykle specifikované na různých frekvencích. To bude specifikováno na úrovni výkonu, která je dána impedancí pohonu zátěže výkonového zesilovače.
