U sljedećem članku raspravljamo o glavnim parametrima operacijskog pojačala i povezanim osnovnim aplikacijskim krugovima operacijskog pojačala s jednadžbama za rješavanje njihovih specifičnih vrijednosti komponenti.
Operacijska pojačala (operacijska pojačala) specijalizirani su tip integriranog kruga koji uključuje izravno spregnuto pojačalo visokog pojačanja s ukupnim karakteristikama odziva prilagođenim povratnom spregom.
Operativno pojačalo svoje je ime dobilo po činjenici da može izvršiti širok raspon matematičkih izračuna. Zbog svog odziva, operacijsko pojačalo je također poznato kao linearni integrirani krug i ključna je komponenta mnogih analognih sustava.
Operacijsko pojačalo ima izvanredno visoko pojačanje (možda se približava beskonačnosti), koje se može prilagoditi povratnom spregom. Dodatak kondenzatora ili induktora u povratnu mrežu može rezultirati pojačanjem koje se mijenja s frekvencijom, utječući na cjelokupno radno stanje integriranog kruga.
Kao što je prikazano na gornjoj slici, osnovno operacijsko pojačalo je uređaj s tri terminala koji ima dva ulaza i jedan izlaz. Ulazni terminali su klasificirani kao 'invertirajući' ili 'neinvertirajući'.
Parametri operacijskog pojačala
Kada se napaja s jednakim ulaznim naponima, izlaz idealnog operacijskog pojačala ili 'operacijskog pojačala' je nula ili '0 volti'.
VIN 1 = VIN 2 daje VOUT = 0
Praktična op-pojačala imaju nesavršeno uravnotežen ulaz, što uzrokuje nejednake prednaponske struje koje teku kroz ulazne priključke. Kako bi se uravnotežio izlaz operacijskog pojačala, mora se osigurati ulazni offset napon između dva ulazna terminala.
1) Ulazna prednaponska struja
Kada je izlaz uravnotežen, ili kada je V VAN = 0, ulazna prednaponska struja (I B ) jednaka je polovici ukupnih pojedinačnih struja koje ulaze u dva ulazna priključka. Često je to vrlo mali broj; na primjer, ja B = 100 nA je normalna vrijednost.
2) Ulazna struja pomaka
Razlika između svake pojedinačne struje koja dopire do ulaznih priključaka poznata je kao ulazna struja pomaka (I ovaj ). Opet, često je izuzetno niske vrijednosti; na primjer, uobičajena vrijednost je I ovaj = 10 nA.
3) Ulazni napon pomaka
Kako bi operacijsko pojačalo bilo uravnoteženo, ulazni napon pomaka V ovaj treba primijeniti preko ulaznog terminala. Obično je vrijednost V ovaj je = 1 mV.
Vrijednosti I ovaj i V ovaj oba mogu varirati s temperaturom, a ta se varijacija naziva I ovaj drift i V ovaj drift, odnosno.
4) Omjer odbijanja napajanja (PSRR)
Omjer promjene ulaznog napona pomaka prema odgovarajućoj promjeni napona napajanja poznat je kao omjer odbijanja napajanja ili PSRR. To je često u rasponu od 10 do 20 uV/V.
Dodatni parametri za op-pojačala koji se mogu spomenuti su:
5) Pojačanje otvorene petlje/Pojačanje zatvorene petlje
Pojačanje otvorene petlje odnosi se na pojačanje operacijskog pojačala bez povratnog kruga, dok se pojačanje zatvorene petlje odnosi na pojačanje operacijskog pojačala s povratnim krugom. Općenito se predstavlja kao A d .
6) Omjer odbijanja zajedničkog načina (CMRR)
Ovo je omjer signala razlike i zajedničkog signala i služi kao mjera performansi diferencijalnog pojačala. Za izražavanje ovog omjera koristimo decibele (dB).
7) Brzina usporavanja
Brzina pada je brzina kojom se izlazni napon pojačala mijenja u uvjetima velikog signala. Predstavlja se pomoću jedinice V/us.
Osnovni sklopovi operacijskih pojačala
U sljedećim paragrafima naučit ćemo o nekoliko zanimljivih osnovnih sklopova operacijskih pojačala. Svaki od osnovnih dizajna objašnjen je formulama za rješavanje vrijednosti i značajki njihovih komponenti.
POJAČALO ILI BUFER
Krug za invertirajuće pojačalo, ili inverter, može se vidjeti na slici 1, gore. Dobitak kruga je dan sa:
Isključeno = - R2/R1
Imajte na umu da je pojačanje negativno, što ukazuje da krug radi kao fazno invertirajući naponski pratilac, ako su dva otpora jednaka (tj. R1 = R2). Izlaz bi bio identičan ulazu, s obrnutim polaritetom.
U stvarnosti, otpornici se mogu ukloniti za jedinično pojačanje i zamijeniti izravnim premosnim žicama, kao što je prikazano na slici 2 u nastavku.
To je moguće jer je R1 = R2 = 0 u ovom krugu. Obično se R3 uklanja iz strujnog kruga invertirajućeg napona.
Izlaz operacijskog pojačala će pojačati ulazni signal ako je R1 manji od R2. Na primjer, ako je R1 2,2 K, a R1 22 K, dobitak se može izraziti kao:
Isključeno = - 22 000/2 200 = -10
Negativan simbol označava faznu inverziju. Ulazni i izlazni polariteti su obrnuti.
Učinivši R1 većim od R2, isti krug također može prigušiti (smanjiti snagu) ulaznog signala. Na primjer, ako je R1 120 K, a R2 47 K, pojačanje kruga bi bilo otprilike:
Isključeno = 47 000/120 000 = - 0,4
Opet, polaritet izlaza je obrnut od polariteta ulaza. Iako vrijednost R3 nije osobito važna, trebala bi biti približno jednaka paralelnoj kombinaciji R1 i R2. Koji je:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
Da bismo to pokazali, razmotrite naš prethodni primjer, gdje je R1 = 2,2 K i R2 = 22 K. Vrijednost R3 u ovoj situaciji trebala bi biti približno:
R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48 400 000/24 200 = 2000 Ω
Možemo odabrati najbližu standardnu vrijednost otpora za R3 jer točna vrijednost nije potrebna. U ovom slučaju može se koristiti otpornik od 1,8 K ili 2,2 K.
Fazna inverzija koju stvara krug na slici 2 možda neće biti prihvatljiva u nekoliko situacija. Za korištenje operacijskog pojačala kao neinvertirajućeg pojačala (ili poput jednostavnog međuspremnika), spojite ga kao što je prikazano na slici 3 u nastavku.
Dobitak u ovom krugu izražava se na sljedeći način:
Isključeno = 1 + R2/R1
Izlaz i ulaz imaju isti polaritet iu fazi su.
Imajte na umu da dobitak uvijek mora biti najmanje 1 (jedinica). Nije moguće prigušiti (smanjiti) signale korištenjem neinvertirajućeg sklopa.
Pojačanje kruga bit će relativno veće ako je vrijednost R2 značajno veća od R1. Na primjer, ako je R1 = 10 K i R2 = 47 K, pojačanje operacijskog pojačala bit će kako je navedeno u nastavku:
Isključeno = 1 + 470 000/10 000 = 1 + 47 = 48
Međutim, ako je R1 znatno veći od R2, dobitak će biti samo nešto veći od jedinice. Na primjer, ako je R1 = 100 K i R2 = 22 K, dobitak bi bio:
Isključeno = 1 + 22 000/100 000 = 1 + 0,22 = 1,22
U slučaju da su dva otpora identična (R1 = R2), pojačanje bi uvijek bilo 2. Da biste se uvjerili u to, isprobajte jednadžbu pojačanja u nekoliko scenarija.
Posebna situacija je kada su oba otpora postavljena na 0. Drugim riječima, kao što se vidi na slici 4 u nastavku, umjesto otpornika koriste se izravne veze.
Dobitak je točno jedan u ovom slučaju. Ovo je u skladu s formulom dobitka:
Isključeno = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1
Ulaz i izlaz su identični. Primjene za ovaj neinvertirajući krug napona uključuju usklađivanje impedancije, izolaciju i međuspremnik.
ADDER (zbrajajuće pojačalo)
Određeni broj ulaznih napona može se dodati pomoću operacijskog pojačala. Kao što je prikazano na slici 5 u nastavku, ulazni signali V1, V2,… Vn primjenjuju se na operacijsko pojačalo preko otpornika R1, R2,… Rn.
Ti se signali zatim kombiniraju kako bi proizveli izlazni signal, koji je jednak zbroju ulaznih signala. Sljedeća formula može se koristiti za izračunavanje stvarne izvedbe op-amp kao zbrajala:
VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))
Pogledajte negativni simbol. To znači da je izlaz bio obrnut (polaritet je obrnut). Drugim riječima, ovaj sklop je invertirajuće zbrajalo.
Krug se može promijeniti da funkcionira kao neinvertirajuće zbrajalo prebacivanjem veza na invertirajuće i neinvertirajuće ulaze operacijskog pojačala, kao što je ilustrirano na slici 6 u nastavku.
Izlazna jednadžba bi se mogla učiniti jednostavnijom pretpostavkom da svi ulazni otpornici imaju identične vrijednosti.
VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)
DIFERENCIJALNO POJAČALO
Slika 7 iznad prikazuje osnovni krug diferencijalnog pojačala. Vrijednosti komponenti postavljene su tako da je R1 = R2 i R3 = R4. Stoga se učinak kruga može izračunati pomoću sljedeće formule:
VOUT = VIN 2 - VIN 1
Samo dok operativno pojačalo može prihvatiti da ulazi 1 i 2 imaju različite impedancije (ulaz 1 ima impedanciju R1, a ulaz 2 ima impedanciju R1 plus R3).
ZBRAJALAC/ODUZIMAČ
Slika 8 iznad prikazuje konfiguraciju za krug zbrajača/oduzimača operacijskog pojačala. U slučaju kada R1 i R2 imaju identične vrijednosti, a R3 i R4 su također postavljeni na iste vrijednosti, tada:
VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)
Drugim riječima, Vout = V3 + V4 je zbroj ulaza V3 i V4 dok je to oduzimanje ulaza V1 i V2. Vrijednosti za R1, R2, R3 i R4 odabrane su tako da odgovaraju karakteristikama operacijskog pojačala. R5 treba biti jednak R3 i R4, a R6 treba biti jednak R1 i R2.
MULTIPLIKATOR
Jednostavne operacije množenja mogu se izvesti sa sklopom prikazanim na slici 9 gore. Imajte na umu da je ovo isti krug kao na slici 1. Za postizanje dosljednog pojačanja (a zatim i množenja ulaznog napona u omjeru R2/R1) i preciznih rezultata, precizni otpornici s propisanim vrijednostima za R1 i R2 trebalo bi se koristiti. Značajno je da je izlazna faza u ovom krugu invertirana. Napon na izlazu bit će jednak:
VOUT = - (VIN x Isključeno)
gdje je Av pojačanje, kako je određeno pomoću R1 i R2. VOUT i VIN su izlazni odnosno ulazni napon.
Kao što se vidi na gornjoj slici 10, konstanta množenja može se promijeniti ako je R2 promjenjivi otpor (potenciometar). Oko upravljačke osovine možete montirati kalibracijski kotačić s oznakama za različita uobičajena pojačanja. Konstanta množenja može se očitati izravno s ovog brojčanika pomoću kalibriranog očitanja.
INTEGRATOR
Op-amp će, u najmanju ruku, teoretski funkcionirati kao integrator kada je invertirajući ulaz spojen s izlazom preko kondenzatora.
Kao što je prikazano na gornjoj slici 11, paralelni otpornik mora biti spojen preko ovog kondenzatora kako bi se održala stabilnost istosmjerne struje. Ovaj sklop implementira sljedeći odnos za integraciju ulaznog signala:
Vrijednost R2 treba odabrati tako da odgovara parametrima operacijskog pojačala, tako da:
VOUT = R2/R1 x VIN
DIFERENCIJATOR
Krug operacijskog pojačala diferencijatora uključuje kondenzator u ulaznoj liniji koji se spaja na invertirajući ulaz i otpornik koji povezuje ovaj ulaz s izlazom. Međutim, ovaj krug ima jasna ograničenja, stoga bi poželjno postavljanje bilo paralelno spajanje otpornika i kondenzatora kao što je prikazano na gornjoj slici 12.
Sljedeća jednadžba određuje koliko dobro ovaj krug radi:
VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt
LOG POJAČAVAČA
Osnovni krug (Slika 13 gore) koristi NPN tranzistor i op-amp za generiranje izlaza proporcionalnog log ulaza:
VOUT = (- k log 10 ) PET/PET O
'Obrnuti' krug, koji radi kao temeljno anti-logaritamsko pojačalo, prikazan je u donjem dijagramu. Tipično, kondenzator je male vrijednosti (npr. 20 pF).
AUDIO POJAČALO
Operacijsko pojačalo je u biti istosmjerno pojačalo, ali se može primijeniti i za izmjeničnu struju. Jednostavno audio pojačalo prikazano je na slici 14 iznad.
AUDIO MIKSER
Modifikacija audio pojačala prikazana je u ovom krugu (Sl. 15 gore). Možete vidjeti kako nalikuje krugu zbrajala na slici 5. Različiti ulazni signali se miješaju ili spajaju. Ulazni potenciometar svakog ulaznog signala omogućuje podešavanje razine. Korisnik tako može podesiti relativne omjere različitih ulaznih signala u izlazu.
RAZDJELNIK SIGNALA
Krug razdjelnika signala prikazan na gornjoj slici 16 upravo je suprotan od miksera. Jedan izlazni signal podijeljen je na nekoliko identičnih izlaza koji daju različite ulaze. Višestruke signalne linije su odvojene jedna od druge pomoću ovog kruga. Za podešavanje potrebne razine, svaka izlazna linija uključuje zasebni potenciometar.
PRETVARAČ NAPONA U STRUJU
Krug prikazan na gornjoj slici 17 uzrokovat će da impedancija opterećenja R2 i R1 doživi isti protok struje.
Vrijednost ove struje bila bi proporcionalna naponu ulaznog signala i neovisna o opterećenju.
Međutim, zbog velikog ulaznog otpora koji pruža neinvertirajući terminal, struja će biti relativno niske vrijednosti. Ova struja ima vrijednost koja je izravno proporcionalna VIN/R1.
PRETVARAČ STRUJE U NAPON
Ako je izlazni napon jednak IIN x R2 i koristi se dizajn (Sl. 18 gore), struja ulaznog signala može teći ravno kroz povratni otpornik R2.
Drugim riječima, ulazna struja se transformira u proporcionalni izlazni napon.
Prednaponski krug stvoren na invertirajućem ulazu postavlja donju granicu strujnog toka, što sprječava prolazak struje kroz R2. Kako bi se uklonio 'šum', ovom krugu se može dodati kondenzator kao što je prikazano na slici.
STRUJNI IZVOR
Gornja slika 19 pokazuje kako se operacijsko pojačalo može koristiti kao izvor struje. Vrijednosti otpornika mogu se izračunati pomoću sljedećih jednadžbi:
R1 = R2
R3 = R4 + R5
Izlazna struja može se procijeniti pomoću sljedeće formule:
Iout = (R3 x VIN) / (R1 x R5)
MULTIVIBRATOR
Operacijsko pojačalo možete prilagoditi za korištenje kao multivibrator. Slika 20 iznad prikazuje dva osnovna kruga. Dizajn u gornjem lijevom kutu je slobodni (nestabilni) multivibrator, čiju frekvenciju kontrolira:
Na donjem desnom dijagramu može se vidjeti monostabilni multivibratorski krug koji se može aktivirati ulazom pravokutnog vala. Navedene vrijednosti komponenti odnose se na operacijsko pojačalo CA741.
GENERATOR KVADRATNIH VALOVA
Slika 21 iznad prikazuje funkcionalni krug generatora kvadratnog vala usredotočen oko operacijskog pojačala. Ovaj krug generatora kvadratnog vala mogao bi biti najjednostavniji. Potrebna su samo tri vanjska otpornika i jedan kondenzator uz samo operacijsko pojačalo.
Dva glavna elementa koja određuju vremensku konstantu kruga (izlaznu frekvenciju) su otpornik R1 i kondenzator C1. Međutim, spoj pozitivne povratne sprege temeljen na R2 i R3 također ima utjecaj na izlaznu frekvenciju. Iako su jednadžbe često pomalo komplicirane, mogu se pojednostaviti za određene omjere R3/R2. Za ilustraciju:
Ako je R3/R2 ≈ 1,0 tada je F ≈ 0,5/(R1/C1)
ili,
Ako je R3/R2 ≈ 10 tada je F ≈ 5/(R1/C1)
Najpraktičnija metoda je upotrijebiti jedan od ovih standardnih omjera i promijeniti vrijednosti R1 i C1 kako bi se postigla potrebna frekvencija. Za R2 i R3 mogu se koristiti konvencionalne vrijednosti. Na primjer, omjer R3/R2 bit će 10 ako je R2 = 10K i R3 = 100K, dakle:
F = 5/(R1/C1)
U većini slučajeva već ćemo znati potrebnu frekvenciju i trebat ćemo samo odabrati odgovarajuće vrijednosti komponenti. Najjednostavnija metoda je prvo odabrati vrijednost C1 koja se čini razumnom, a zatim preurediti jednadžbu da biste pronašli R1:
R1 = 5/(F x C1)
Pogledajmo tipičan primjer frekvencije od 1200 Hz koju tražimo. Ako je C1 spojen na kondenzator od 0,22 uF, tada bi R1 trebao imati vrijednost kao što je prikazano u sljedećoj formuli:
R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω
Tipični otpornik od 18K može se koristiti u većini aplikacija. Potenciometar se može dodati u seriji s R1 kako bi se povećala korisnost i prilagodljivost ovog kruga, kao što je prikazano na slici 22 u nastavku. To omogućuje ručno podešavanje izlazne frekvencije.
Za ovaj krug koriste se isti izračuni, ali se vrijednost R1 mijenja kako bi odgovarala kombinaciji serije fiksnog otpornika R1a i podešene vrijednosti potenciometra R1b:
R1 = R1a + R1b
Fiksni otpornik je umetnut kako bi se osiguralo da vrijednost R1 nikad ne padne na nulu. Raspon izlaznih frekvencija određen je fiksnom vrijednošću R1a i najvećim otporom R1b.
GENERATOR PROMJENJIVE ŠIRINE IMPULSA
Kvadratni val je potpuno simetričan. Radni ciklus kvadratnog valnog signala definiran je kao omjer vremena visoke razine i ukupnog vremena ciklusa. Kvadratni valovi po definiciji imaju radni ciklus 1:2.
Uz još samo dvije komponente, kvadratni generator valova iz prethodnog odjeljka može se transformirati u pravokutni generator valova. Slika 23 iznad prikazuje ažurirani krug.
Dioda D1 ograničava prolaz struje kroz R4 na negativnim poluciklusima. R1 i C1 čine vremensku konstantu izraženu u sljedećoj jednadžbi:
T1 = 5/(2C1 x R1)
Međutim, na pozitivnim poluciklusima, dioda može provoditi, a paralelna kombinacija R1 i R4 zajedno s C1 definira vremensku konstantu, kao što je prikazano u sljedećem izračunu:
T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))
Ukupna duljina ciklusa samo je zbroj dviju vremenskih konstanti poluciklusa:
Tt = T1 + T2
Izlazna frekvencija je inverzna od ukupne vremenske konstante cijelog ciklusa:
F = 1/Tt
Ovdje radni ciklus neće biti jednak 1:2 jer će se vremenska konstanta za dijelove ciklusa visoke i niske razine razlikovati. Kao rezultat će se proizvesti asimetrični valni oblici. Moguće je učiniti R1 ili R4 podesivim, ili čak oba, ali budite svjesni da bi to promijenilo i izlaznu frekvenciju i radni ciklus.
SINUSNI OSCILATOR
Sinusni val, koji je prikazan na slici 24 u nastavku, najosnovniji je od svih izmjeničnih signala.
U ovom iznimno čistom signalu nema apsolutno nikakvog harmonijskog sadržaja. Postoji samo jedna osnovna frekvencija u sinusnom valu. Zapravo, stvaranje potpuno čistog sinusnog vala bez izobličenja prilično je teško. Srećom, koristeći oscilatorski krug izgrađen oko op-amp, možemo se prilično približiti optimalnom valnom obliku.
Slika 25 iznad prikazuje uobičajeni krug sinusnog oscilatora koji uključuje op-amp. Dvostruki T krug koji služi kao filtar za odbijanje (ili usjek) služi kao mreža povratnih informacija. Kondenzator C1 i otpornici R1 i R2 čine jedan T. C2, C3, R3 i R4 čine drugi T. Na shemi je obrnuto. Vrijednosti komponenti moraju imati sljedeće odnose kako bi ovaj krug ispravno radio:
Sljedeća formula određuje izlaznu frekvenciju:
F = 1/(6,28 x R1 x C2)
Promjenom vrijednosti R4, podešavanje twin-T povratne mreže moglo bi se donekle prilagoditi. Obično bi to mogao biti maleni trimer potenciometar. Potenciometar se postavi na najveći otpor, a zatim se postupno smanjuje sve dok krug ne lebdi na rubu oscilacije. Izlazni sinusni val mogao bi se oštetiti ako je otpor podešen premalo.
SCHMITT OKIDAČ
Tehnički govoreći, Schmittov okidač može se nazvati regenerativnim komparatorom. Njegova primarna funkcija je transformirati ulazni napon koji se polako mijenja u izlazni signal, na određenom ulaznom naponu.
Drugim riječima, ima svojstvo 'povratne reakcije' zvano histereza koja funkcionira kao 'okidač' napona. Operacijsko pojačalo postaje osnovni građevni blok za rad Schmittovog okidača (vidi sliku 26 gore). Sljedeći čimbenici određuju napon okidanja ili okidanja:
U putovanje = (V van x R1) / (-R1 + R2)
U ovoj vrsti strujnog kruga, histereza je dvostruka od napona okidanja.
Na slici 27 dolje prikazan je drugi Schmittov okidački krug. U ovom krugu se kaže da se izlaz 'okida' kada istosmjerni ulaz dosegne oko jednu petinu napona napajanja.
Napon napajanja može biti bilo gdje između 6 i 15 volti, stoga, ovisno o odabranom naponu napajanja, okidač se može postaviti da radi na 1,2 do 3 volta. Ako je potrebno, stvarna točka okidanja također se može promijeniti modificiranjem vrijednosti R4.
Izlaz će biti isti kao napon napajanja čim se aktivira. Ako je izlaz spojen na žarulju sa žarnom niti ili LED (kroz serijski balastni otpornik), lampica (ili LED) će zasvijetliti nakon što ulazni napon dosegne vrijednost okidanja, pokazujući da je ta točna razina napona postignuta na ulazu.
Završavati
Dakle, ovo je bilo nekoliko osnovnih sklopova operacijskih pojačala s objašnjenjima njihovih parametara. Nadam se da ste razumjeli sve karakteristike i formule vezane uz operacijsko pojačalo.
Ako imate neki drugi osnovni dizajn kruga operativnog pojačala za koji mislite da ga treba uključiti u gornji članak, slobodno ga spomenite u svojim komentarima ispod.
