Wzmacniacze operacyjne

Co to są wzmacniacze operacyjne?

Wzmacniacze operacyjne są podstawowym budulcem Analogowe układy elektroniczne . Są to urządzenia liniowe o wszystkich właściwościach wzmacniacza prądu stałego. Możemy użyć zewnętrznych rezystorów lub kondensatorów do wzmacniacza operacyjnego na wiele różnych sposobów, aby uczynić je różnymi formami wzmacniaczy, takimi jak wzmacniacz odwracający, wzmacniacz nieodwracający, popychacz napięcia, komparator, wzmacniacz różnicowy, wzmacniacz sumujący, integrator itp. OPAMP mogą być pojedyncze, podwójne, poczwórne itp. OPAMPY, takie jak CA3130, CA3140, TL0 71, LM311 itp. mają doskonałą wydajność przy bardzo niskim prądzie wejściowym i napięciu. Idealny wzmacniacz operacyjny ma oprócz innych terminali trzy ważne terminale. Zaciski wejściowe to wejście odwracające i wejście nieodwracające. Trzeci zacisk to wyjście, które może opadać i dostarczać prąd i napięcie. Sygnał wyjściowy to wzmocnienie wzmacniacza pomnożone przez wartość sygnału wejściowego.

5 idealnych postaci wzmacniacza operacyjnego:

1. Wzmocnienie w otwartej pętli

Wzmocnienie w otwartej pętli to wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego bez dodatniego lub ujemnego sprzężenia zwrotnego. Idealny wzmacniacz OP powinien mieć nieskończone wzmocnienie w otwartej pętli, ale zwykle mieści się w zakresie od 20000 do 200000.

2. Impedancja wejściowa

Jest to stosunek napięcia wejściowego do prądu wejściowego. Powinien być nieskończony, bez upływu prądu z zasilania do wejść. Ale w większości wzmacniaczy operacyjnych będzie kilka upływów prądu Pico amper.

3. Impedancja wyjściowa

Idealny wzmacniacz operacyjny powinien mieć zerową impedancję wyjściową bez żadnego wewnętrznego oporu. Aby mógł dostarczać pełny prąd do obciążenia podłączonego do wyjścia.

4. Szerokość pasma

Idealny wzmacniacz operacyjny powinien mieć nieskończoną charakterystykę częstotliwościową, aby mógł wzmacniać dowolną częstotliwość od sygnałów DC do najwyższych częstotliwości AC. Jednak większość wzmacniaczy operacyjnych ma ograniczoną przepustowość.

5. Przesunięcie

Wyjście wzmacniacza operacyjnego powinno wynosić zero, gdy różnica napięcia między wejściami wynosi zero. Ale w większości wzmacniaczy operacyjnych wyjście nie będzie zerowe po wyłączeniu, ale będzie z niego minutowe napięcie.

Konfiguracja pinów OPAMP:

W typowym wzmacniaczu operacyjnym będzie 8 pinów. To są

Pin1 - Offset Null

Pin2 - Odwracanie wejścia INV

Pin3 - Wejście nieodwracające Non-INV

Pin4 - Masa - Ujemne zasilanie

Pin5 - przesunięcie zerowe

Pin6 - wyjście

Pin7 - Dodatnie zasilanie

Pin8 - stroboskop

4 rodzaje wzmocnienia w OPAMP:

Wzmocnienie napięcia - Wejście napięcia i wyjście

Wzmocnienie prądowe - Wejście prądu i Wyjście prądu

Transkonduktancja - Wejście i wyjście napięcia

Rezystancja trans - wejście prądu i wyjście napięcia

Działanie wzmacniacza operacyjnego:

Tutaj użyliśmy wzmacniacza operacyjnego LM358. Zwykle nieodwracające wejście musi być podawane do polaryzacji, a wejście odwracające jest rzeczywistym wzmacniaczem podłączonym do sprzężenia zwrotnego rezystora 60k od wyjścia do wejścia. A rezystor 10k jest połączony szeregowo z kondensatorem i do obwodu podawane jest napięcie sinusoidalne 1V, teraz zobaczymy, jak wzmocnienie będzie regulowane przez R2 / R1 = 60k / 10k = 6, wtedy na wyjściu jest 6V . Jeśli zmienimy wzmocnienie o 40, to na wyjściu mamy 4V sinusoidy.

Wideo na temat działania wzmacniacza operacyjnego

Zwykle jest to wzmacniacz z podwójnym zasilaniem, który można łatwo skonfigurować do pojedynczego źródła zasilania za pomocą sieci oporowej. W tym przypadku rezystory R3 i R4 umieszczają napięcie o wartości połowy napięcia zasilania na wejściu nieodwracającym, co powoduje, że napięcie wyjściowe jest również połową napięcia zasilania, tworząc rodzaj rezystorów napięcia polaryzacji R3 i R4 mogą mieć dowolną wartość z 1k do 100k, ale we wszystkich przypadkach powinny być równe. Dodatkowy kondensator 1 F został dodany do wejścia nieodwracającego w celu zmniejszenia szumów spowodowanych konfiguracją. W tej konfiguracji wymagane jest użycie kondensatorów sprzęgających na wejściu i wyjściu.

3 aplikacje OPAMP:

1. Wzmocnienie

Wzmocniony sygnał wyjściowy ze wzmacniacza operacyjnego jest różnicą między dwoma sygnałami wejściowymi.

Schemat pokazany powyżej to proste połączenie wzmacniacza operacyjnego. Jeśli oba wejścia są zasilane tym samym napięciem, wzmacniacz operacyjny pobierze różnicę między dwoma napięciami i będzie wynosić 0. Wzmacniacz operacyjny pomnoży to przez wzmocnienie 1 000 000, więc napięcie wyjściowe wynosi 0. Gdy 2 wolty to podane na jedno wejście i 1 wolt na drugie, wtedy wzmacniacz operacyjny weźmie różnicę i pomnoży się przez wzmocnienie. To jest 1 wolt x 1000000. Ale to wzmocnienie jest bardzo wysokie, więc aby zmniejszyć wzmocnienie, sprzężenie zwrotne z wyjścia do wejścia odbywa się zwykle przez rezystor.

Wzmacniacz odwracający:

Pokazany powyżej obwód to wzmacniacz odwracający z wejściem nieodwracającym podłączonym do masy. Dwa rezystory R1 i R2 są połączone w obwodzie w taki sposób, że R1 podaje sygnał wejściowy, podczas gdy R2 zwraca wyjście na wejście odwracające. Tutaj, gdy sygnał wejściowy jest dodatni, wyjście będzie ujemne i odwrotnie. Zmiana napięcia na wyjściu w stosunku do wejścia zależy od stosunku rezystorów R1 i R2. R1 jest wybrany jako 1K, a R2 jako 10K. Jeśli wejście otrzyma 1 V, wtedy przez R1 będzie przepływał prąd 1 mA, a wyjście będzie musiało wynosić - 10 V, aby dostarczyć prąd 1 mA przez R2 i utrzymać zerowe napięcie na wejściu odwracającym. Dlatego wzmocnienie napięcia wynosi R2 / R1. To znaczy 10K / 1K = 10

Wzmacniacz nieodwracający:

Obwód pokazany powyżej to wzmacniacz nieodwracający. Tutaj wejście nieodwracające odbiera sygnał, podczas gdy wejście odwracające jest podłączone między R2 i R1. Gdy sygnał wejściowy zmienia się na dodatni lub ujemny, wyjście będzie w fazie i utrzyma napięcie na wejściu odwracającym takie samo jak na wejściu nieodwracającym. Wzmocnienie napięcia w tym przypadku będzie zawsze większe niż 1, więc (1 + R2 / R1).

dwa. Popychacz napięcia

Powyższy obwód jest wtórnikiem napięcia. Tutaj zapewnia wysoką impedancję wejściową, niską impedancję wyjściową. Gdy zmienia się napięcie wejściowe, wyjście i wejście odwracające zmieniają się jednakowo.

3. Komparator

Wzmacniacz operacyjny porównuje napięcie przyłożone na jednym wejściu z napięciem przyłożonym na drugim wejściu. Jakakolwiek różnica między napięciami, jeśli jest niewielka, powoduje nasycenie wzmacniacza operacyjnego. Gdy napięcia podawane na oba wejścia mają taką samą wielkość i taką samą polaryzację, wyjście wzmacniacza operacyjnego ma wartość 0 woltów.

Komparator wytwarza ograniczone napięcia wyjściowe, które można łatwo łączyć z logiką cyfrową, nawet jeśli zgodność musi zostać zweryfikowana.

Wideo na temat wzmacniacza operacyjnego jako schematu obwodu komparatora

Tutaj mamy wzmacniacz operacyjny używany jako komparator z zaciskami odwracającymi i nieodwracającymi i podłączony do nich jakiś dzielnik potencjału i miernik oraz woltomierz na wyjściu i Spowodowało wyjście. Podstawowa formuła dla komparatora jest taka, że ​​kiedy „+” jest większe niż „–”, wtedy wyjście jest wysokie (jeden), w przeciwnym razie wyjście jest równe zero. Gdy napięcie na wejściu ujemnym jest niższe od napięcia odniesienia, wyjście jest wysokie, a gdy napięcie na wejściu ujemnym przekracza napięcie na wejściu dodatnim, poziom wyjścia jest niski.

3 Wymagania dla OPAMP:

1. Zerowanie przesunięcia

Większość OPAMP ma napięcie offsetowe na wyjściu, nawet jeśli napięcia wejściowe są takie same. Aby na wyjściu uzyskać napięcie zerowe, używana jest metoda zerowania offsetu. W większości wzmacniaczy operacyjnych występuje niewielkie przesunięcie ze względu na ich nieodłączną właściwość i wynika z niedopasowania w układzie odchylenia wejściowego. Tak więc małe napięcie wyjściowe jest dostępne na wyjściu niektórych wzmacniaczy operacyjnych, nawet jeśli sygnał wejściowy wynosi zero. Wadę tę można naprawić, dostarczając niewielkie napięcie przesunięcia na wejścia. Jest to znane jako napięcie przesunięcia wejściowego. Aby usunąć lub wyzerować przesunięcie, większość wzmacniaczy operacyjnych ma dwa styki umożliwiające zerowanie przesunięcia. W tym celu Pot lub Preset o typowej wartości 100K należy podłączyć między pinami 1 i 5, a wycieraczkę do ziemi. Dostosowując ustawienie wstępne, wyjście można ustawić na zerowe napięcie.

dwa. Strobing lub kompensacja fazy

Wzmacniacze operacyjne mogą czasami stać się niestabilne i aby uczynić je stabilnymi dla wszystkich pasm częstotliwości, czapka jest zwykle podłączana między pinem 8 i pinem 1 stroboskopu. Zwykle dodawany jest kondensator dyskowy 47pF kompensacja fazy tak, że OpAmp pozostanie stabilny. Jest to najważniejsze, jeśli OpAmp jest używany jako czuły wzmacniacz.

3. Informacje zwrotne

Jak wiecie, wzmacniacz operacyjny ma bardzo wysoki poziom wzmocnienia, zwykle około 1000,00 razy. Załóżmy, że wzmacniacz operacyjny ma wzmocnienie 10 000, a następnie wzmacniacz operacyjny wzmocni różnicę napięcia na wejściu nieodwracającym (V +) i wejściowym odwracającym (V-). Więc napięcie wyjściowe V out jest
10000 x (V + - V-)

Na schemacie sygnał jest podawany na wejście nieodwracające, a na wejściu odwracającym jest podłączony do wyjścia. Więc V + = V in i V- = Vout. Dlatego Vout = 10000 x (Vin - Vout). Stąd napięcie wyjściowe jest prawie równe napięciu wejściowemu.

Zobaczmy teraz, jak działa opinia. Zwykłe dodanie rezystora między wejściem odwracającym a wyjściem znacznie zmniejszy wzmocnienie. Pobierając ułamek napięcia wyjściowego na wejście odwracające, można znacznie zmniejszyć wzmocnienie.

Zgodnie z wcześniejszym równaniem, V out = 10000 x (V + - V-). Ale tutaj dodano rezystor sprzężenia zwrotnego. Więc tutaj V + to Vin, a V- to R1, R1 + R2 x V out. Dlatego V na wyjściu wynosi 10000 x (Vin - R1.R1 + R2xVout). Więc V out = R1 + R2.R1x Vin

Negatywna opinia:

Tutaj wyjście wzmacniacza operacyjnego jest podłączone do jego wejścia odwracającego (-), a zatem wyjście jest przesyłane z powrotem na wejście, aby osiągnąć równowagę. W ten sposób sygnał wejściowy na wejściu nieodwracającym (+) zostanie odzwierciedlony na wyjściu. Wzmacniacz operacyjny z ujemnym sprzężeniem zwrotnym doprowadzi swoje wyjście do wymaganego poziomu, a zatem różnica napięcia między wejściami odwracającymi i nieodwracającymi będzie prawie zerowa.

Pozytywne opinie:

Tutaj napięcie wyjściowe jest zwracane na wejście nieodwracające (+). Sygnał wejściowy jest podawany na wejście odwracające. W konstrukcji z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, jeśli wejście odwracające jest podłączone do masy, wówczas napięcie wyjściowe ze wzmacniacza operacyjnego będzie zależało od wielkości i polaryzacji napięcia na wejściu nieodwracającym. Gdy napięcie wejściowe jest dodatnie, wyjście wzmacniacza operacyjnego będzie dodatnie i to dodatnie napięcie zostanie doprowadzone do wejścia nieodwracającego, co da w wyniku pełne dodatnie wyjście. Jeśli napięcie wejściowe jest ujemne, stan zostanie odwrócony.

Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych - przedwzmacniacz audio

Filtry i przedwzmacniacze:

Wzmacniacze mocy pojawią się za przedwzmacniaczami i przed głośnikami. Nowoczesne odtwarzacze CD i DVD nie potrzebują przedwzmacniaczy. Potrzebują regulacji głośności i selektorów źródła. Używając przełączników i pasywnej głośności, możemy uniknąć przedwzmacniaczy.

Krótko o wzmacniaczach mocy audio

Wzmacniacz mocy to element, który może napędzać głośniki, przekształcając sygnał niskiego poziomu w duży sygnał. Zadaniem wzmacniaczy mocy jest wytwarzanie stosunkowo wysokiego napięcia i dużego prądu. Zwykle zakres wzmocnienia napięcia wynosi od 20 do 30. Wzmacniacze mocy mają bardzo niską rezystancję wyjściową.

Specyfikacje wzmacniacza mocy audio

• Maksymalna moc wyjściowa:

Napięcie wyjściowe jest niezależne od obciążenia, zarówno dla małych, jak i dużych sygnałów. Podane napięcie przyłożone do obciążenia powoduje dwukrotność natężenia prądu. W związku z tym zostanie dostarczona podwójna ilość energii. Moc znamionowa jest ciągłą średnią mocą fali sinusoidalnej, taką, że moc można zmierzyć za pomocą fali sinusoidalnej, której napięcie RMS jest mierzone długoterminowo.

• Pasmo przenoszenia:

Pasmo przenoszenia musi rozciągać pełne pasmo audio od 20 Hz do 20 kHz. Tolerancja odpowiedzi częstotliwościowej wynosi ± 3db. Konwencjonalny sposób określania szerokości pasma polega na tym, że wzmacniacz jest obniżony o 3 dB w stosunku do nominalnego 0 dB.

• Hałas:

Wzmacniacze mocy powinny wytwarzać niski poziom szumów, gdy wzmacniacze mocy używają wysokich częstotliwości. Parametr hałasu może być ważony lub nieważony. Szum nieważony zostanie określony dla szerokości pasma 20 kHz. W oparciu o wrażliwość ucha specyfikacja hałasu zostanie wzięta pod uwagę. Ważony pomiar hałasu ma tendencję do tłumienia hałasu przy wyższych częstotliwościach, dlatego ważony pomiar hałasu jest znacznie lepszy niż nieważony pomiar hałasu.

• Zniekształcenie:

Całkowite zniekształcenie harmoniczne to powszechne zniekształcenie zwykle określane przy różnych częstotliwościach. Zostanie to określone na poziomie mocy, który jest podawany wraz z impedancją obciążenia sterującą wzmacniaczem mocy.