Операционные усилители

Что такое операционные усилители?

Операционные усилители являются основными строительными блоками Аналоговые электронные схемы . Это линейные устройства со всеми свойствами усилителя постоянного тока. Мы можем использовать внешние резисторы или конденсаторы к операционному усилителю. Есть много разных способов сделать их различными формами усилителей, таких как инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель, повторитель напряжения, компаратор, дифференциальный усилитель, суммирующий усилитель, интегратор и т. Д. OPAMP могут быть одиночными, двойные, четырехъядерные и т. д. OPAMP, такие как CA3130, CA3140, TL0 71, LM311 и т. д., имеют отличную производительность при очень низком входном токе и напряжении. Идеальный операционный усилитель имеет три важных терминала в дополнение к другим терминалам. Входные клеммы - это инвертирующий вход и неинвертирующий вход. Третий вывод - это выход, который может принимать и передавать ток и напряжение. Выходной сигнал - это коэффициент усиления усилителя, умноженный на значение входного сигнала.

5 идеальных персонажей операционного усилителя:

1. Коэффициент усиления разомкнутого контура

Коэффициент усиления без обратной связи - это коэффициент усиления операционного усилителя без положительной или отрицательной обратной связи. Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечное усиление без обратной связи, но обычно оно находится в диапазоне от 20 000 до 2 00 000.

2. Входное сопротивление

Это отношение входного напряжения к входному току. Он должен быть бесконечным без утечки тока от источника питания на входы. Но в большинстве операционных усилителей будет несколько утечек тока пикоампера.

3. Выходное сопротивление

Идеальный операционный усилитель должен иметь нулевое выходное сопротивление без какого-либо внутреннего сопротивления. Чтобы он мог подавать полный ток на нагрузку, подключенную к выходу.

4. Ширина полосы

Идеальный операционный усилитель должен иметь бесконечную частотную характеристику, чтобы он мог усиливать любую частоту от сигналов постоянного тока до самых высоких частот переменного тока. Но у большинства операционных усилителей пропускная способность ограничена.

5. Смещение

Выход операционного усилителя должен быть равен нулю, когда разность напряжений между входами равна нулю. Но в большинстве операционных усилителей выходной сигнал не будет нулевым в выключенном состоянии, а будет иметь минутное напряжение.

Конфигурация контактов OPAMP:

В типичном операционном усилителе будет 8 контактов. Это

Pin1 - смещение нуля

Pin2 - инвертирующий вход INV

Контакт 3 - неинвертирующий вход Non-INV

Pin4 - Земля - ​​отрицательное питание

Pin5 - смещение нуля

Pin6 - выход

Pin7 - положительное питание

Pin8 - стробоскоп

4 типа усиления в OPAMP:

Коэффициент усиления по напряжению - входное и выходное напряжение

Текущее усиление - ток на входе и на выходе

Крутизна - напряжение на входе и ток на выходе

Транс-сопротивление - ток на входе и напряжение на выходе

Работа операционного усилителя:

Здесь мы использовали операционный усилитель LM358. Обычно неинвертирующий вход следует подавать на смещение, а инвертирующий вход - это реальный усилитель, подключенный к обратной связи резистора 60 кОм от выхода к входу. И резистор 10 кОм соединен последовательно с конденсатором, и на схему подается синусоидальная волна 1 В, теперь мы увидим, как усиление будет регулироваться коэффициентом усиления R2 / R1 = 60 кОм / 10 кОм = 6, тогда на выходе будет 6 В. . Если мы изменим коэффициент усиления на 40, то на выходе будет синусоида 4 В.

Видео о работе операционного усилителя

Как правило, это усилитель с двумя источниками питания, его легко настроить на один источник питания с помощью сети резисторов. При этом резисторы R3 и R4 подают напряжение, равное половине напряжения питания, на неинвертирующий вход, что приводит к тому, что выходное напряжение также составляет половину напряжения питания, образуя своего рода резисторы напряжения смещения R3 и R4 могут иметь любое значение от От 1k до 100k, но во всех случаях они должны быть равны. К неинвертирующему входу добавлен дополнительный конденсатор емкостью 1 Ф для уменьшения шума, вызванного конфигурацией. Для этой конфигурации требуется использование разделительных конденсаторов на входе и выходе.

3 приложения OPAMP:

1. Усиление

Усиленный выходной сигнал операционного усилителя представляет собой разницу между двумя входными сигналами.

Схема, показанная выше, представляет собой простое подключение операционного усилителя. Если на оба входа подается одинаковое напряжение, операционный усилитель примет разницу между двумя напряжениями, и она будет равна 0. Операционный усилитель умножит это значение на свой коэффициент усиления 1 000 000, так что выходное напряжение будет равно 0. Когда 2 вольта на выходе. подается на один вход и 1 вольт на другой, тогда операционный усилитель принимает свою разницу и умножается на коэффициент усиления. Это 1 вольт x 1000000. Но это усиление очень велико, поэтому для уменьшения усиления обратная связь с выхода на вход обычно осуществляется через резистор.

Инвертирующий усилитель:

Схема, показанная выше, представляет собой инвертирующий усилитель с неинвертирующим входом, подключенным к земле. Два резистора R1 и R2 включены в схему таким образом, что R1 подает входной сигнал, а R2 возвращает выходной сигнал на инвертирующий вход. Здесь, когда входной сигнал положительный, выходной будет отрицательным, и наоборот. Изменение напряжения на выходе относительно входа зависит от соотношения резисторов R1 и R2. R1 выбран как 1K, а R2 как 10K. Если на вход поступает 1 вольт, то через R1 будет ток 1 мА, а выход должен стать - 10 вольт, чтобы подавать ток 1 мА через R2 и поддерживать нулевое напряжение на инвертирующем входе. Следовательно, коэффициент усиления по напряжению равен R2 / R1. То есть 10K / 1K = 10

Неинвертирующий усилитель:

Схема, показанная выше, представляет собой неинвертирующий усилитель. Здесь неинвертирующий вход получает сигнал, в то время как инвертирующий вход подключен между R2 и R1. Когда входной сигнал движется либо в положительную, либо в отрицательную сторону, выход будет синфазным, и напряжение на инвертирующем входе будет таким же, как и на неинвертирующем входе. Коэффициент усиления по напряжению в этом случае всегда будет больше единицы (1 + R2 / R1).

два. Последователь напряжения

Схема выше представляет собой повторитель напряжения. Здесь он обеспечивает высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. При изменении входного напряжения выход и инвертирующий вход изменяются одинаково.

3. Компаратор

Операционный усилитель сравнивает напряжение, приложенное на одном входе, с напряжением, приложенным на другом входе. Любая разница между напряжениями, даже если она небольшая, приводит к насыщению операционного усилителя. Когда напряжения, подаваемые на оба входа, имеют одинаковую величину и одинаковую полярность, тогда на выходе операционного усилителя будет 0 Вольт.

Компаратор выдает ограниченное выходное напряжение, которое может легко взаимодействовать с цифровой логикой, даже если совместимость требует проверки.

Видео об операционном усилителе как принципиальной схеме компаратора

Здесь у нас есть операционный усилитель, используемый в качестве компаратора с инвертирующим и неинвертирующим выводами, и к ним подключены некоторый делитель потенциала и измеритель, а на выходе и вольтметр. Привело к выход. Основная формула для компаратора состоит в том, что когда '+' больше, чем '–', выход высокий (единица), в противном случае выход равен нулю. Когда напряжение на входе является отрицательным ниже опорного напряжения, выход высок, и, когда вход отрицательного поднимается выше напряжения на положительной, то выход переходит в низкий уровень.

3 Требования к OPAMP:

1. Обнуление смещения

Большая часть OPAMP имеет напряжение смещения на выходе, даже если входное напряжение одинаковое. Чтобы установить на выходе нулевое напряжение, используется метод обнуления смещения. В большинстве операционных усилителей есть небольшое смещение из-за присущих им свойств и возникает из-за несоответствия входного смещения. Таким образом, на выходе некоторых операционных усилителей доступно небольшое выходное напряжение, даже если входной сигнал равен нулю. Этот недостаток можно исправить, подав на входы небольшое напряжение смещения. Это известно как входное напряжение смещения. Для удаления или обнуления смещения у большинства операционных усилителей есть два контакта, позволяющих обнулить смещение. Для этого между контактами 1 и 5 должен быть подключен потенциометр или пресет с типичным значением 100 кОм, а его дворник должен быть заземлен. Регулируя предустановку, выход может быть установлен на нулевое напряжение.

два. Стробирование или фазовая компенсация

Операционные усилители могут иногда становиться нестабильными, и чтобы сделать их стабильными для всех диапазонов частот, конденсатор обычно подключается между его выводом 8 строба и выводом 1. Обычно дисковый конденсатор 47 пФ добавляется для фазовая компенсация так что операционный усилитель останется стабильным. Это наиболее важно, если операционный усилитель используется в качестве чувствительного усилителя.

3. Обратная связь

Как вы знаете, операционный усилитель имеет очень высокий уровень усиления, обычно около 1 000 000 раз. Предположим, что операционный усилитель имеет коэффициент усиления 10 000, тогда операционный усилитель будет усиливать разницу напряжений на своем неинвертирующем входе (V +) и инвертирующем входе (V-). Таким образом, выходное напряжение V out равно
10000 х (V + - V-)

На схеме сигнал подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующем входе подключается к выходу. Итак, V + = V in и V- = Vout. Следовательно, Vout = 10,000 x (Vin - Vout). Следовательно, выходное напряжение почти равно входному.

Теперь давайте посмотрим, как работает обратная связь. Простое добавление резистора между инвертирующим входом и выходом значительно снизит усиление. Подав часть выходного напряжения на инвертирующий вход, можно значительно уменьшить усиление.

Согласно предыдущему уравнению, V out = 10,000 x (V + - V-). Но здесь добавлен резистор обратной связи. Итак, здесь V + - это Vin, а V- - это R1.R1 + R2 x V out. Следовательно, V out равен 10 000 x (Vin - R1.R1 + R2xVout). Итак, V out = R1 + R2.R1x Vin

Негативный отзыв:

Здесь выход операционного усилителя подключен к его инвертирующему (-) входу, таким образом, выходной сигнал возвращается на вход, чтобы достичь равновесия. Таким образом, входной сигнал на неинвертирующем (+) входе будет отражаться на выходе. Операционный усилитель с отрицательной обратной связью будет доводить свой выход до необходимого уровня, и, следовательно, разница напряжений между его инвертирующим и неинвертирующим входами будет почти равна нулю.

Положительный отзыв:

Здесь выходное напряжение возвращается на неинвертирующий (+) вход. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход. В конструкции с положительной обратной связью, если инвертирующий вход подключен к земле, выходное напряжение операционного усилителя будет зависеть от величины и полярности напряжения на неинвертирующем входе. Когда входное напряжение положительное, тогда выход операционного усилителя будет положительным, и это положительное напряжение будет подаваться на неинвертирующий вход, что приведет к полностью положительному выходу. Если входное напряжение отрицательное, условие будет обратным.

Применение операционных усилителей - предусилитель звука

Фильтры и предварительные усилители:

Усилители мощности появятся после предварительных усилителей и перед динамиками. Современные проигрыватели компакт-дисков и DVD не нуждаются в предварительных усилителях. Им нужен регулятор громкости и селектор источников. Используя элементы управления переключением и пассивную громкость, мы можем избежать предварительных усилителей.

Кратко об усилителях мощности звука.

Усилитель мощности - это компонент, который может управлять громкоговорителями, преобразовывая сигнал низкого уровня в большой сигнал. Работа усилителей мощности заключается в производстве относительно высокого напряжения и большого тока. Обычно диапазон усиления по напряжению находится в пределах от 20 до 30. Усилители мощности имеют очень низкое выходное сопротивление.

Технические характеристики усилителя мощности звука

• Максимальная выходная мощность:

Выходное напряжение не зависит от нагрузки как для малых, так и для больших сигналов. Данное напряжение, приложенное к нагрузке, вызывает удвоение тока. Следовательно, будет передано вдвое больше мощности. Номинальная мощность представляет собой непрерывную среднюю мощность синусоидальной волны, так что мощность может быть измерена с помощью синусоидальной волны, среднеквадратичное напряжение которой измеряется на долгосрочной основе.

• Частотный отклик:

Частотная характеристика должна расширять весь звуковой диапазон с 20 Гц до 20 кГц. Допуск по частотной характеристике составляет ± 3 дБ. Обычный способ задания полосы пропускания - это значение усилителя на 3 дБ ниже номинального значения 0 дБ.

• Шум:

Усилители мощности должны производить низкий уровень шума, когда усилители мощности используют высокие частоты. Параметр шума может быть взвешенным или невзвешенным. Невзвешенный шум будет указан для полосы пропускания 20 кГц. Учитываются характеристики взвешенного шума, основанные на чувствительности уха. Измерение взвешенного шума имеет тенденцию ослаблять шум на более высоких частотах, поэтому взвешенное измерение шума намного лучше, чем измерение невзвешенного шума.

• Искажение:

Общие гармонические искажения - это общие искажения, обычно указываемые на разных частотах. Это будет определено на уровне мощности, который задается импедансом нагрузки усилителя мощности.