Introduksjon til operasjonelle forsterkere: 7 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

I denne instruksen vil jeg gi en introduksjon til operasjonsforsterkeren, en av de mest nyttige analoge enhetene. Denne enheten kan konfigureres som en ikke-inverterende eller inverterende forsterker, en komparator, spenningsforsterker, summeringsforsterker, instrumenteringsforsterker, buffer, aktivt filter, Wien-brooscillator pluss mange andre applikasjoner. Opampen kommer i forskjellige konfigurasjoner, for eksempel den enkle LM741 8 -pins DIP eller LM324 14 -pins quad op -forsterkeren vist ovenfor. Det finnes også typer som finnes i overflatemonteringsvarianter.

Trinn 1: Hva er en operasjonsforsterker?

Den operative forsterkeren, som også er kjent for kort som en op-amp, er en DC-koblet høyspenningsforsterker, inkorporert i en IC-chip. De har to innganger (differensialinngang) og en utgang. De har blitt brukt som byggesteiner i analog elektronikk siden de første enhetene kom ut på slutten av 1960 -tallet. En av skjønnhetene til disse enhetene er at de forenklet elektronisk design på grunn av deres standardisering. Å designe forsterkere med diskrete komponenter innebar mye tweaking på grunn av forskjellene mellom aktive enheter. Hvis forsterkere alle er bygget av den samme silisiumdysen, kan de alle lages på samme måte og ha de samme egenskapene. Ved design med operasjonsforsterkere kan en spesifikk forsterkning for enheten oppnås ved å installere to eksterne motstander med et bestemt motstandsforhold. For eksempel, hvis en spenningsøkning på 100 er ønsket, kan en 100k motstand og en 1k motstand settes i kretsen for å oppnå et forhold på 100. Ved å bruke denne strategien er gevinsten den samme hver gang. Den mest populære op-forsterkeren noensinne er 741 som har eksistert siden tidlig på 70-tallet og har blitt brukt av generasjoner av hobbyfolk i alt fra lydforsterkere til strømforsyninger. 741 har ikke blitt brukt av industrien på mange år fordi det er utviklet bedre op-forsterkere, men de har fortsatt en tilhenger blant hobbyfolk og er lette å få tak i. De første enhetene kom ut i enten en 8 -pinners dobbel inline -pakke eller en sirkulær metallboks. Senere ble overflatemonteringsenheter tilgjengelige. 741 og andre op-forsterkere av sin vintage brukte bipolare transistorer med enheter som brukte felteffekt-transistorinnganger som kommer ut senere. Felt -effekt -transistorinnganger begynte å bli brukt på grunn av behovet for å ha større inngangsimpedans og lavere strømavløp.

Trinn 2: Den ikke-inverterende forsterkeren

Den ikke-inverterende forsterkeren er den første kretsen vi vil dekke. I diagrammet ovenfor er op -forsterkeren koblet til inngangen går til den positive inngangen med tilbakemeldingsmotstanden til den negative inngangen. Forholdet mellom Rf og Rg bestemmer gevinsten. Når det gjelder kretsen ovenfor, er spenningsforsterkningen 10. Diagrammet i midten "virkelige verden" -begrensningene til 741 op -forsterkeren når en 10 kHz firkantbølge mates inn i inngangen, men kommer ut som en trekantet bølgeform pga. den begrensede koblingshastigheten til enheten. Når inngangen senkes til en 1 kHz firkantbølge, forbedres utgangen og ser mer ut som en ekte firkantbølge. Målingen av forsterkerens evne til å følge inngangssignalets endringer i amplitude kalles "Slew Rate" og måles i volt per mikrosekund. 741 har en veldig tam vurdering på.5 volt per mikrosekund. Høyhastighets op-forsterkere har karakterer så høye som 5000 volt per mikrosekund, selv om en typisk som TL081 vil ha en gjennomsnittlig vurdering på 13 volt per mikrosekund.

Trinn 3: Inverteringsforsterkeren

Opampen kan konfigureres på en slik måte at en 1-volt negativ bølgeform kan inverteres og forsterkes for å gi en 10-volts positiv bølgeform. Bruksområder for denne konfigurasjonen kan være hvor som helst en faseendring er nødvendig, for eksempel i driverstadiene til diskrete transistorforsterkere.

Trinn 4: Bruke en Op Amp som en Square Wave to Sine Wave Converter

Kretsen ovenfor vil endre en kvadratbølge på 1000 Hz til en sinusbølge på 1000 Hz. Det gjør dette ved å filtrere ut alle frekvenskomponenter (harmoniske) over og under det grunnleggende, som er en sinusbølge. I stedet for å bruke motstander i tilbakemeldingskretsen bruker vi frekvensselektive komponenter (kondensatorer) som gir negativ tilbakemelding for å avbryte uønskede frekvenser. Det midterste diagrammet viser den faktiske kretsen som er simulert og bølgeformen som er produsert. Det tredje diagrammet viser kretsens frekvensrespons. Det tekniske navnet på denne typen kretser er et aktivt båndpassfilter. Det lar bare et veldig smalt frekvensbånd passere gjennom uten å bli dempet.

Trinn 5: Bruke en op -forsterker som sammenligning

Det er dedikerte sjetonger som er bedre sammenlignere, men noen ganger har du kanskje ikke en på hånden, så det er alltid nyttig å vite hvordan du lager en komparator fra en opamp. En rask gjennomgang av hva en komparator er, det er i utgangspunktet en opamp satt opp som en forsterker uten tilbakemelding, slik at forsterkeren kan operere med maksimal forsterkning. Når en inngang er knyttet til en spesifikk spenning, for eksempel de 3 voltene som er vist på diagrammet, vil kretsen gi en utgang som er nesten maksimal skinnespenning når de to inngangene har samme spenning. Når det gjelder kretsen ovenfor, gir en sinusbølge på 1 kHz en utgang når den stiger over 3 volt og bytter igjen når sinusbølgen går under 3 volt. Komparatorer brukes ofte i (ADC) og avslapningsoscillatorer.

Trinn 6: Bygg en summeringsforsterker med en Opamp

Summeringsforsterkeren ovenfor tar inn to 1 kHz -signaler, en på 10 mV topp til topp og en annen på 20 mV topp til topp. Den resulterende effekten er 60 mV topp til topp. Siden det er en inverterende forsterker, gir den et signal om motsatt fase.

Summende forsterkere brukes i lydmikser hvor forskjellige innganger må legges sammen. Ved å mate signaler inn i potensiometre, kan signalene varieres for å gi ønsket utgang.

Trinn 7: Lydmikser med tre innganger

Denne kretsen kan brukes til å blande sammen to instrumenter og et vokalspor, flere innganger kan legges til etter behov. Hvert inngangsnivå kan justeres uavhengig med potensiometrene.