I den følgende artikkelen diskuterer vi de viktigste op amp-parametrene og de relaterte op amp grunnleggende applikasjonskretsene med ligninger, for å løse deres spesifikke komponentverdier.
Op-amps (operasjonsforsterkere) er en spesialisert type integrert krets som inkluderer en direktekoblet høyforsterker forsterker med en generell responskarakteristikk justert av en tilbakemelding.
Op-ampen har fått navnet sitt fra det faktum at den kan utføre et bredt spekter av matematiske beregninger. På grunn av responsen er en op-amp også kjent som en lineær integrert krets og er kjernekomponenten i mange analoge systemer.
En op-forsterker har en ekstraordinær høy forsterkning (muligens nærmer seg uendelig), som kan justeres via en tilbakemelding. Tillegget av kondensatorer eller induktorer til tilbakemeldingsnettverket kan resultere i forsterkning som endres med frekvensen, og påvirker den integrerte kretsens generelle driftstilstand.
Som vist i figuren ovenfor, er den grunnleggende operasjonsforsterkeren en enhet med tre terminaler med to innganger og en utgang. Inngangsterminalene er klassifisert som 'inverterende' eller 'ikke-inverterende.'
Op Amp parametere
Når den leveres med like inngangsspenninger, er utgangen til den ideelle operasjonsforsterkeren, eller 'op amp,' null eller '0 volt.'
VIN 1 = VIN 2 gir VOUT = 0
Praktiske op-forsterkere har en ufullkommen balansert inngang, noe som fører til at ujevne forspenningsstrømmer flyter gjennom inngangsterminalene. For å balansere operasjonsforsterkerens utgang, må det gis en inngangsforskyvningsspenning mellom de to inngangsterminalene.
1) Input Bias Current
Når utgangen er balansert, eller når V UTE = 0, inngangsforspenningsstrømmen (I B ) er lik halvparten av de totale individuelle strømmene som kommer inn i de to inngangsforbindelsene. Det er ofte et veldig lite tall; for eksempel jeg B = 100 nA er en normal verdi.
2) Input offset strøm
Forskjellen mellom hver enkelt strøm som når inngangsterminalene er kjent som inngangsforskyvningsstrømmen (I dette ). Igjen, det er ofte av ekstremt lav verdi; for eksempel er en vanlig verdi I dette = 10 nA.
3) Input offset spenning
For å holde operasjonsforsterkeren balansert, må en inngangsforskyvningsspenning V dette må påføres over inngangsterminalen. Vanligvis verdien av V dette er = 1 mV.
Verdiene til I dette og V dette kan begge variere med temperatur, og denne variasjonen er referert til som I dette drift og V dette drift, henholdsvis.
4) Strømforsyningsavvisningsforhold (PSRR)
Forholdet mellom endringen i inngangsforskyvningsspenning og den tilsvarende endringen i strømforsyningsspenningen er kjent som strømforsyningsavvisningsforholdet, eller PSRR. Dette er ofte i området 10 til 20 uV/V.
Ytterligere parametere for op-ampere som kan nevnes er:
5) Åpen sløyfeforsterkning/Lukket sløyfeforsterkning
Åpen sløyfeforsterkning refererer til en op-amps forsterkning uten en tilbakemeldingskrets, mens closed-loop forsterkning refererer til en op-amps forsterkning med en tilbakemeldingskrets. Det er generelt representert som A d .
6) Common-mode rejection ratio (CMRR)
Dette er forholdet mellom forskjellssignalet og common-mode-signalet og fungerer som et mål på en differensialforsterkers ytelse. Vi bruker desibel (dB) for å uttrykke dette forholdet.
7) Dreiehastighet
Slew rate er hastigheten som utgangsspenningen til en forsterker endres med under store signalforhold. Det er representert ved hjelp av enheten V/us.
Op Amp Basic Application Circuits
I de følgende avsnittene vil vi lære om flere interessante op amp grunnleggende kretser. Hver av de grunnleggende designene er forklart med formler for å løse deres komponentverdier og funksjoner.
FORSTERKER ELLER BUFFER
Kretsen for en inverterende forsterker, eller en inverter, kan sees i figur 1 ovenfor. Forsterkningen til kretsen er gitt av:
Av = - R2/R1
Merk at forsterkningen er negativ én, noe som indikerer at kretsen fungerer som en faseinverterende spenningsfølger, hvis de to motstandene er like (dvs. R1 = R2). Utgangen vil være identisk med inngangen, med polariteten omvendt.
I virkeligheten kan motstandene fjernes for enhetsforsterkning og erstattes av direkte koblingsledninger, som vist i fig. 2 nedenfor.
Dette er mulig fordi R1 = R2 = 0 i denne kretsen. Vanligvis fjernes R3 fra den inverterende spenningsfølgerkretsen.
Op amp-utgangen vil forsterke inngangssignalet hvis R1 er mindre enn R2. For eksempel, hvis R1 er 2,2 K og R1 er 22 K, kan forsterkningen uttrykkes som:
Av = - 22,000/2,200 = -10
Det negative symbolet angir faseinversjon. Inngangs- og utgangspolaritetene er reversert.
Ved å gjøre R1 større enn R2, kan den samme kretsen også dempe (redusere styrken på) inngangssignalet. For eksempel, hvis R1 er 120 K og R2 er 47 K, vil kretsforsterkningen være omtrent:
Av = 47,000/120,000 = - 0.4
Igjen, polariteten til utgangen er invers av den til inngangen. Selv om R3s verdi ikke er spesielt viktig, bør den være omtrent lik den parallelle kombinasjonen av R1 og R2. Som er:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
For å demonstrere dette, vurdere vårt forrige eksempel, der R1 = 2,2 K og R2 = 22 K. R3s verdi i denne situasjonen bør være omtrentlig:
R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48.400.000/24.200 = 2000 Ω
Vi kan velge nærmeste standard motstandsverdi for R3 fordi den nøyaktige verdien ikke er nødvendig. En 1,8 K eller en 2,2 K motstand kan brukes i dette tilfellet.
Fasinversjonen skapt av kretsen i fig. 2 er kanskje ikke akseptabel i flere situasjoner. For å bruke op-ampen som en ikke-inverterende forsterker (eller som en enkel buffer), koble den til som illustrert i fig. 3 nedenfor.
Forsterkningen i denne kretsen uttrykkes som følger:
Av = 1 + R2/R1
Utgangen og inngangen har samme polaritet og er i fase.
Husk at gevinsten alltid må være på minimum 1 (enhet). Det er ikke mulig å dempe (redusere) signaler ved å bruke en ikke-inverterende krets.
Forsterkningen til kretsen vil være relativt sterkere hvis R2-verdien er betydelig større enn R1. For eksempel, hvis R1 = 10 K og R2 = 47 K, vil forsterkningen til operasjonsforsterkeren være som gitt nedenfor:
Av = 1 + 470,000/10,000 = 1 + 47 = 48
Men hvis R1 er betydelig større enn R2, vil gevinsten bare være noe mer enn enhet. For eksempel, hvis R1 = 100 K og R2 = 22 K, vil forsterkningen være:
Av = 1 + 22,000/100,000 = 1 + 0.22 = 1.22
I tilfelle de to motstandene er identiske (R1 = R2), vil forsterkningen alltid være 2. For å overbevise deg selv om dette, prøv forsterkningsligningen i noen få scenarier.
En spesifikk situasjon er når begge motstandene er satt til 0. Med andre ord, som vist i fig. 4 nedenfor, brukes direkte forbindelser i stedet for motstandene.
Gevinsten er nøyaktig én i dette tilfellet. Dette samsvarer med forsterkningsformelen:
Av = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1
Inngangen og utgangen er identiske. Applikasjoner for denne ikke-inverterende spenningsfølgerkretsen inkluderer impedanstilpasning, isolasjon og buffer.
ADDER (summeringsforsterker)
En rekke inngangsspenninger kan legges til ved hjelp av en operasjonsforsterker. Som illustrert i fig. 5 nedenfor, blir inngangssignalene V1, V2, ... Vn tilført operasjonsforsterkeren via motstandene R1, R2, ... Rn.
Disse signalene kombineres deretter for å produsere utgangssignalet, som er lik summen av inngangssignalene. Følgende formel kan brukes til å beregne op-ampens virkelige ytelse som en adderer:
VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))
Se det negative symbolet. Dette betyr at utgangen har blitt invertert (polariteten er reversert). Med andre ord er denne kretsen en inverterende adderer.
Kretsen kan endres til å fungere som en ikke-inverterende adderer ved å bytte tilkoblingene til op-ampens inverterende og ikke-inverterende innganger, som illustrert i fig. 6 nedenfor.
Utgangsligningen kan gjøres enklere ved å anta at alle inngangsmotstandene har identiske verdier.
VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)
Differensialforsterker
Fig. 7 ovenfor viser grunnkretsen til en differensialforsterker. Komponentverdiene settes slik at R1 = R2 og R3 = R4. Derfor kan ytelsen til kretsen beregnes ved å bruke følgende formel:
VOUT = VIN 2 - VIN 1
Bare så lenge op-forsterkeren kan akseptere at inngang 1 og 2 har forskjellige impedanser (inngang 1 har en impedans på R1 og inngang 2 har en impedans på R1 pluss R3).
ADHØR/SUTTRAKTØR
Figur 8 ovenfor viser konfigurasjonen for en op amp adderer/subtraktorkrets. I tilfelle når R1 og R2 har de samme verdiene og R3 og R4 er satt til samme verdier, så:
VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)
Med andre ord, Vout = V3 + V4 er summen av V3- og V4-inngangene mens det er subtraksjonen av V1- og V2-inngangene. Verdiene for R1, R2, R3 og R4 er valgt for å matche egenskapene til operasjonsforsterkeren. R5 skal være lik R3 og R4, og R6 skal være lik R1 og R2.
MULTIPLIER
Enkle multiplikasjonsoperasjoner kan utføres med kretsen vist i fig. 9 ovenfor. Husk at dette er samme krets som i fig. 1. For å oppnå en konsistent forsterkning (og deretter en multiplikasjon av inngangsspenningen i forholdet R2/R1) og presise resultater, presisjonsmotstander med de foreskrevne verdiene for R1 og R2 burde bli brukt. Spesielt er utgangsfasen invertert av denne kretsen. Spenningen ved utgangen vil være lik:
VOUT = - (VIN x Av)
hvor Av er forsterkningen, bestemt av R1 og R2. VOUT og VIN er henholdsvis utgangs- og inngangsspenningen.
Som vist i fig. 10 ovenfor, kan multiplikasjonskonstanten endres hvis R2 er en variabel motstand (potensiometer). Rundt kontrollakselen kan du montere en kalibreringsskive med merker for ulike vanlige gevinster. Multiplikasjonskonstanten kan leses direkte fra denne skiven ved å bruke en kalibrert avlesning.
INTEGRATOR
En op-amp vil i det minste teoretisk fungere som en integrator når den inverterende inngangen er koblet med utgangen gjennom en kondensator.
Som indikert i fig. 11 ovenfor, må en parallell motstand kobles over denne kondensatoren for å opprettholde DC-stabilitet. Denne kretsen implementerer følgende forhold for å integrere inngangssignal:
R2s verdi bør velges for å matche op amp-parametrene, slik at:
VOUT = R2/R1 x VIN
DIFFERENSIATOR
Differensiatorens op amp-krets inkluderer en kondensator i inngangslinjen som kobles til den inverterende inngangen og en motstand som kobler denne inngangen til utgangen. Imidlertid har denne kretsen klare grenser, derfor vil et foretrukket oppsett være å parallellisere motstanden og kondensatoren som illustrert i fig. 12 ovenfor.
Følgende ligning bestemmer hvor godt denne kretsen fungerer:
VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt
LOGG FORSTERKERE
Den grunnleggende kretsen (fig. 13 ovenfor) bruker en NPN-transistor og en op-amp for å generere en utgang proporsjonal med inngangens logg:
VOUT = (- k log 10 ) FRI/FRI O
Den 'inverterte' kretsen, som fungerer som en grunnleggende anti-log-forsterker, er avbildet i det nedre diagrammet. Typisk er kondensatoren av lav verdi (f.eks. 20 pF).
LYD AMP
En op-forsterker er egentlig en likestrømsforsterker, men kan også brukes for vekselstrømsapplikasjoner. En enkel lydforsterker er vist i figur 14 ovenfor.
LYDMIXER
En modifikasjon av lydforsterkeren er vist i denne kretsen (fig. 15 ovenfor). Du kan se hvordan den ligner adderkretsen i fig. 5. De forskjellige inngangssignalene blandes eller slås sammen. Hvert inngangssignals inngangspotensiometer tillater nivåjustering. De relative proporsjonene til de forskjellige inngangssignalene i utgangen kan dermed justeres av brukeren.
SIGNALSPLITTER
Signalsplitterkretsen sett i fig. 16 ovenfor er akkurat det motsatte av en mikser. Et enkelt utgangssignal er delt inn i flere identiske utganger som mater ulike innganger. De flere signallinjene er adskilt fra hverandre ved hjelp av denne kretsen. For å justere det nødvendige nivået, inkluderer hver utgangslinje et separat potensiometer.
SPENNING TIL STRØMOMFORMER
Kretsen presentert i fig. 17 ovenfor vil føre til at lastimpedansen R2 og R1 opplever samme strømflyt.
Denne strømmens verdi vil være proporsjonal med inngangssignalspenningen og uavhengig av belastningen.
På grunn av den høye inngangsmotstanden tilveiebrakt av den ikke-inverterende terminalen, vil strømmen være av relativt lav verdi. Denne strømmen har en verdi som er direkte proporsjonal med VIN/R1.
STRØM TIL SPENNING OMFORMER
Hvis utgangsspenningen er lik IIN x R2 og designet (fig. 18 ovenfor) brukes, kan inngangssignalstrømmen flyte rett via tilbakekoblingsmotstanden R2.
For å si det på en annen måte, blir inngangsstrømmen transformert til en proporsjonal utgangsspenning.
Forspenningskretsen opprettet ved den inverterende inngangen setter en nedre grense for strømflyt, som forhindrer strøm i å passere gjennom R2. For å eliminere 'støy' kan en kondensator legges til denne kretsen som illustrert i figuren.
NÅVÆRENDE KILDE
Figur 19 ovenfor viser hvordan en op-forsterker kan brukes som en strømkilde. Motstandsverdiene kan beregnes ved å bruke følgende ligninger:
R1 = R2
R3 = R4 + R5
Utgangsstrømmen kan evalueres ved hjelp av følgende formel:
Iout = (R3 x VIN) / (R1 x R5)
MULTIVIBRATOR
Du kan tilpasse en op-amp for bruk som en multivibrator. Fig. 20 ovenfor viser to grunnleggende kretser. Designet øverst til venstre er en frittgående (stabil) multivibrator, hvis frekvens styres av:
En monostabil multivibratorkrets som kan aktiveres av en firkantbølgepulsinngang kan sees i diagrammet nederst til høyre. Komponentverdiene som er oppgitt er for en CA741 operasjonsforsterker.
FIRKANTBØLGEGENERATOR
Fig. 21 ovenfor viser en funksjonell firkantbølgegeneratorkrets sentrert rundt en operasjonsforsterker. Denne firkantbølgegeneratorkretsen kan muligens være den mest enkle. Bare tre eksterne motstander og én kondensator trengs i tillegg til selve op-forsterkeren.
De to hovedelementene som bestemmer kretsens tidskonstant (utgangsfrekvens) er motstanden R1 og kondensatoren C1. Imidlertid har den R2- og R3-baserte positive tilbakekoblingsforbindelsen også innvirkning på utgangsfrekvensen. Selv om ligninger ofte er noe kompliserte, kan de gjøres enklere for bestemte R3/R2-forhold. For illustrasjon:
Hvis R3/R2 ≈ 1,0 så F ≈ 0,5/(R1/C1)
eller,
Hvis R3/R2 ≈ 10 så F ≈ 5/(R1/C1)
Den mest praktiske metoden er å bruke en av disse standardforholdene og endre verdiene til R1 og C1 for å oppnå den nødvendige frekvensen. For R2 og R3 kan konvensjonelle verdier benyttes. For eksempel vil R3/R2-forholdet være 10 hvis R2 = 10K og R3 = 100K, dermed:
F = 5/(R1/C1)
I de fleste tilfeller vil vi allerede være klar over den nødvendige frekvensen, og vi trenger bare å velge de riktige komponentverdiene. Den enkleste metoden er først å velge en C1-verdi som virker rimelig, og deretter omorganisere ligningen for å finne R1:
R1 = 5/(F x C1)
La oss se på et typisk eksempel på 1200 Hz frekvens vi leter etter. Hvis C1 er koblet til en 0,22uF kondensator, bør R1 ha verdien som vist i følgende formel:
R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω
En typisk 18K motstand kan brukes i de fleste applikasjoner. Et potensiometer kan legges til i serie med R1 for å øke nytten og tilpasningsevnen til denne kretsen, som illustrert i fig. 22 nedenfor. Dette gjør det mulig å justere utgangsfrekvensen manuelt.
For denne kretsen brukes de samme beregningene, men R1s verdi endres for å matche seriekombinasjonen av den faste motstanden R1a og den justerte verdien til potensiometeret R1b:
R1 = Rla + Rlb
Den faste motstanden er satt inn for å sikre at verdien av R1 aldri synker til null. Utgangsfrekvensområdet bestemmes av den faste verdien til R1a og den høyeste motstanden til R1b.
VARIABEL PULSBREDDE GENERATOR
En firkantbølge er totalt symmetrisk. Firkantbølgesignalets driftssyklus er definert som forholdet mellom høynivåtid og total syklustid. Firkantbølger har en driftssyklus på 1:2 per definisjon.
Med bare to komponenter til kan firkantbølgegeneratoren fra forrige seksjon transformeres til en rektangelbølgegenerator. Fig. 23 ovenfor viser den oppdaterte kretsen.
Diode D1 begrenser passasjen av strøm via R4 på negative halvsykluser. R1 og C1 utgjør tidskonstanten som uttrykt i følgende ligning:
T1 = 5/(2C1 x R1)
På positive halvsykluser tillates imidlertid dioden å lede, og den parallelle kombinasjonen av R1 og R4 sammen med C1 definerer tidskonstanten, som vist i følgende beregning:
T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))
Den totale sykluslengden er bare summen av de to halvsyklustidskonstantene:
Tt = T1 + T2
Utgangsfrekvensen er den inverse av den totale tidskonstanten for hele syklusen:
F = 1/Tt
Her vil driftssyklusen ikke være lik 1:2 fordi tidskonstanten for høy- og lavnivådelene av syklusen vil variere. Asymmetriske bølgeformer vil bli produsert som et resultat. Det er mulig å gjøre R1 eller R4 justerbare, eller til og med begge, men vær oppmerksom på at dette vil endre både utgangsfrekvensen og driftssyklusen.
SINE BØLGE OSCILLATOR
Sinusbølgen, som er vist i fig. 24 nedenfor, er den mest grunnleggende av alle AC-signaler.
Det er absolutt ikke noe harmonisk innhold i dette ekstremt rene signalet. Det er bare én grunnleggende frekvens i en sinusbølge. Det er faktisk ganske vanskelig å lage en helt ren, forvrengningsfri sinusbølge. Heldigvis, ved å bruke en oscillatorkrets bygget rundt en op-amp, kan vi komme ganske nær en optimal bølgeform.
Fig. 25 ovenfor viser en konvensjonell sinusbølgeoscillatorkrets som inkluderer en op-amp. En tvilling-T-krets som fungerer som et båndavvisnings- (eller hakk) filter fungerer som tilbakemeldingsnettverket. Kondensatoren C1 og motstandene R1 og R2 utgjør den ene T. C2, C3, R3 og R4 utgjør den andre T. Skjemaet har det omvendt. Komponentverdiene må ha følgende forhold for at denne kretsen skal fungere skikkelig:
Følgende formel bestemmer utgangsfrekvensen:
F = 1/(6,28 x R1 x C2)
Ved å endre R4s verdi, kan tvilling-T-tilbakemeldingsnettverket justeres noe. Vanligvis kan dette være et lite trimmerpotensiometer. Potensiometeret settes til høyeste motstand og deretter gradvis reduseres til kretsen akkurat svever på grensen til svingning. Utgangssinusbølgen kan bli ødelagt hvis motstanden justeres for lavt.
SCHMITT TRIGGER
Teknisk sett kan en Schmitt-trigger refereres til som en regenerativ komparator. Dens primære funksjon er å transformere en inngangsspenning som sakte endrer seg til et utgangssignal, ved en bestemt inngangsspenning.
For å si det på en annen måte, den har en 'backlash'-egenskap kalt hysterese som fungerer som en spennings-'trigger'. Op-ampen blir den grunnleggende byggesteinen for Schmitt-triggeroperasjonen (se fig. 26 ovenfor). Følgende faktorer bestemmer utløsnings- eller utløsningsspenningen:
I tur = (V ute x R1) / (-R1 + R2)
I denne typen kretser er hysteresen det dobbelte av utløsningsspenningen.
I fig. 27 nedenfor er en annen Schmitt-utløserkrets avbildet. I denne kretsen sies utgangen å være 'utløst' når likestrøminngangen treffer omtrent en femtedel av forsyningsspenningen.
Forsyningsspenningen kan være hvor som helst mellom 6 og 15 volt, og derfor kan utløseren stilles inn til å fungere på 1,2 til 3 volt, avhengig av den valgte forsyningsspenningen. Om nødvendig kan det faktiske utløsningspunktet også endres ved å endre verdien til R4.
Utgangen vil være den samme som forsyningsspenningen så snart den utløses. Hvis utgangen er festet til en glødepære eller LED (gjennom en serie ballastmotstand), vil lampen (eller LED) lyse når inngangsspenningen treffer utløserverdien, noe som indikerer at dette nøyaktige spenningsnivået er oppnådd ved inngangen.
Avslutter
Så dette var noen få op amp grunnleggende kretser med deres parametere forklart. Håper du har forstått alle egenskapene og formlene knyttet til en op-forsterker.
Hvis du har andre grunnleggende op-amp-kretsdesign som du tror må inkluderes i artikkelen ovenfor, kan du gjerne nevne dem gjennom kommentarene dine nedenfor.
