Uvod v operacijske ojačevalnike: 7 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:06

V tem navodilu bom predstavil operacijski ojačevalnik, eno najbolj uporabnih analognih naprav. To napravo lahko konfigurirate kot neinvertirajoči ali invertirni ojačevalnik, primerjalnik, napetostni ojačevalnik, seštevalni ojačevalnik, instrumentacijski ojačevalnik, medpomnilnik, aktivni filter, oscilator Wien bridge in številne druge aplikacije. Opamp je na voljo v različnih konfiguracijah, kot je en sam LM741 8 -polni DIP ali 14 -polni štirikotni ojačevalnik LM324, prikazan zgoraj. Obstajajo tudi vrste, ki so na voljo v različicah za površinsko montažo.

1. korak: Kaj je operacijski ojačevalnik?

Operacijski ojačevalnik, ki je znan tudi kot op-amp, je enosmerno vezan visokonapetostni ojačevalnik, vgrajen v IC čip. Imajo dva vhoda (diferenčni vhod) in en izhod. Uporabljajo se kot gradniki analogne elektronike od prvih naprav, ki so izšle v poznih šestdesetih letih. Ena od lepot teh naprav je, da so zaradi narave standardizacije močno poenostavile elektronsko oblikovanje. Oblikovanje ojačevalnikov z ločenimi komponentami je zahtevalo veliko prilagoditev zaradi razlik med aktivnimi napravami. Če so vsi ojačevalniki izdelani iz iste silicijeve matrice, so lahko vsi enaki in imajo enake lastnosti. Pri načrtovanju z operacijskimi ojačevalniki je mogoče z namestitvijo dveh zunanjih uporov s specifičnim razmerjem upora doseči določen dobiček za napravo. Na primer, če je zaželeno povečanje napetosti 100, lahko v vezje vstavimo 100k upor in 1k upor, da dobimo razmerje 100. Z uporabo te strategije je dobiček vedno enak. Najbolj priljubljen op-amp vseh časov je 741, ki obstaja že od zgodnjih 70-ih let in so ga generacije ljubiteljev uporabljale pri vsem, od zvočnih ojačevalnikov do napajalnikov. Industrija 741 že dolga leta ne uporablja, ker so bili razviti boljši op-ojačevalci, ki pa jih med ljubitelji še vedno imajo in jih je enostavno dobiti. Prve naprave so izšle v 8 -polnem dvojnem vrstnem paketu ali v okrogli kovinski pločevinki. Kasneje so postale na voljo naprave za površinsko montažo. 741 in drugi op-ojačevalci njegovega starega leta so uporabljali bipolarne tranzistorje z napravami, ki uporabljajo vhodne tranzistorje s efektom polja, ki bodo prišli kasneje. Vhodi tranzistorjev s poljskim učinkom so se začeli uporabljati zaradi potrebe po večji vhodni impedanci in nižjem trenutnem odtoku.

Korak: Neinvertirni ojačevalnik

Neinvertirni ojačevalnik je prvo vezje, ki ga bomo obravnavali. Na zgornjem diagramu je operacijski ojačevalnik povezan z vhodom na pozitivni vhod, upor za povratne informacije pa na negativni vhod. Razmerje med Rf in Rg določa dobiček. V primeru zgornjega tokokroga je dobiček napetosti 10. Diagram v sredini omejuje "realni svet" omejitev 741 op ojačevalnika, ko se na vhod napaja kvadratni val 10 kHz, ki pa izhaja kot trikotna valovna oblika omejena hitrost preklopa naprave. Ko se vhod spusti na kvadratni val 1 kHz, se izhod izboljša in izgleda bolj kot pravi kvadratni val. Merjenje sposobnosti operacijskega ojačevalnika, da sledi spremembam amplitude vhodnega signala, se imenuje "hitrost obračanja" in se meri v voltih na mikrosekundo. 741 ima zelo nizko oceno pri 0,5 voltov na mikrosekundo. Op-ojačevalniki za visoke hitrosti imajo ocene do 5000 voltov na mikrosekundo, čeprav bo imel tipičen, kot je TL081, povprečno oceno 13 voltov na mikrosekundo.

Korak: Invertirni ojačevalnik

Opamp je mogoče konfigurirati tako, da je 1-voltno negativno gibljivo valovno obliko obrnjeno in ojačano, da dobimo 10-voltno pozitivno valovno obliko. Za to konfiguracijo bi lahko uporabili povsod, kjer je potrebna sprememba faze, na primer v gonilniških fazah diskretnih tranzistorskih ojačevalnikov.

4. korak: Uporaba op ojačevalnika kot pretvornika kvadratnih valov v sinusni val

Zgornje vezje bo spremenilo kvadratni val 1000 Hz v sinusni val 1000 Hz. To stori tako, da izloči vse frekvenčne komponente (harmonike) nad in pod osnovno, to je sinusni val. Namesto uporov v povratnem vezju uporabljamo frekvenčno selektivne komponente (kondenzatorje), ki zagotavljajo negativne povratne informacije za odpravo neželenih frekvenc. Srednji diagram prikazuje dejansko simulirano vezje in oblikovano valovno obliko. Tretji diagram prikazuje frekvenčni odziv vezja. Tehnično ime te vrste vezja je aktivni pasovni filter. Omogoča prehod le zelo ozkega pasu frekvenc brez oslabitve.

5. korak: Uporaba optičnega ojačevalnika kot primerjalnika

Obstajajo namenski čipi, ki so boljši primerjalniki, včasih pa jih morda nimate pri roki, zato je vedno koristno vedeti, kako narediti primerjalnik iz opampa. Kratek pregled, kaj je primerjalnik, je v bistvu opamp, nastavljen kot ojačevalnik brez povratnih informacij, kar omogoča, da ojačevalnik deluje z največjo močjo. Ko je en vhod vezan na določeno napetost, na primer 3 volte, prikazane na diagramu, bo vezje dalo izhod, ki je skoraj največja napetost tirnice, če sta dva vhoda pri isti napetosti. V primeru zgornjega vezja sinusni val 1 kHz daje izhod, ko se dvigne nad 3 volti in se ponovno preklopi, ko sinusni val pade pod 3 volte. Primerjalniki se običajno uporabljajo v (ADC) in sprostitvenih oscilatorjih.

Korak 6: Izdelava seštevalnega ojačevalnika z opamom

Zgornji ojačevalnik za seštevanje sprejema dva signala po 1 kHz, enega od vrha do vrha 10 mV in drugega od vrha do vrha 20 mV. Rezultat je 60 mV od vrha do vrha. Ker gre za invertirni ojačevalnik, oddaja signal nasprotne faze.

Seštevalni ojačevalniki se uporabljajo v zvočnih mešalnikih, kjer je treba sešteti različne vhode. Z dovajanjem signalov v potenciometre lahko signale spreminjamo, da dobimo želeni izhod.

7. korak: Mešalnik zvoka s tremi vhodi

To vezje bi lahko uporabili za mešanje dveh instrumentov in vokalne skladbe, po potrebi bi lahko dodali več vložkov. Vsako vhodno stopnjo lahko neodvisno nastavite s potenciometri.