Operationsforstærkere

Hvad er operationelle forstærkere?

Operationsforstærkere er de grundlæggende byggesten i Analoge elektroniske kredsløb . De er lineære enheder med alle DC-forstærkeres egenskaber. Vi kan bruge eksterne modstande eller kondensatorer til Op Amp er mange forskellige måder at gøre dem til forskellige former for forstærkere såsom Inverterende forstærker, Ikke inverterende forstærker, Spændingsfølger, Komparator, Differentialforstærker, Summingsforstærker, Integrator osv. OPAMP'er kan være single, dual, quad osv. OPAMP'er som CA3130, CA3140, TL0 71, LM311 osv. har fremragende ydeevne med meget lav indgangsstrøm og spænding. Den ideelle Op Amp har tre vigtige terminaler ud over andre terminaler. Indgangsterminalerne er inverterende input og ikke inverterende input. Den tredje terminal er udgangen, som kan synke og kilde strøm og spænding. Udgangssignalet er forstærkernes forstærkning ganget med værdien af ​​indgangssignalet.

5 ideelle tegn på en op-forstærker:

1. Åbn Loop gain

Open loop gain er forstærkningen af ​​Op Amp uden en positiv eller negativ feedback. En ideel OP-forstærker skal have en uendelig forstærkning med åben sløjfe, men den ligger typisk mellem 20.000 og 2.00.000.

2. Indgangsimpedans

Det er forholdet mellem indgangsspænding og indgangsstrøm. Det skal være uendeligt uden lækage af strøm fra forsyningen til indgangene. Men der vil være et par Pico ampere strøm lækager i de fleste op forstærkere.

3. Udgangsimpedans

Den ideelle Op Amp skal have nul outputimpedans uden intern modstand. Så det kan levere fuld strøm til den belastning, der er forbundet med udgangen.

4. Båndbredde

Den ideelle Op Amp skal have et uendeligt frekvensrespons, så det kan forstærke enhver frekvens fra DC-signaler til de højeste AC-frekvenser. Men de fleste Op Amps har begrænset båndbredde.

5. Forskydning

Outputtet fra Op Amp skal være nul, når spændingsforskellen mellem indgangene er nul. Men i de fleste op-forstærkere vil output ikke være nul, når det er slukket, men der vil være et minuts spænding fra det.

OPAMP Pin-konfiguration:

I en typisk Op Amp vil der være 8 ben. Disse er

Pin1 - Offset Null

Pin2 - Inverterende input INV

Pin3 - Ikke-inverterende input Ikke-INV

Pin4 - Jord - Negativ levering

Pin5 - Offset Null

Pin6 - output

Pin7 - Positiv forsyning

Pin8 - Strobe

4 typer forstærkning i OPAMP'er:

Spændingsforstærkning - Spænding ind og spænding ud

Nuværende gevinst - Strøm ind og Strøm ud

Transconductance - Spænding ind og strøm ud

Trans modstand - Strøm ind og spænding ud

Arbejde med en operationel forstærker:

Her brugte vi en operationel forstærker af LM358. Normalt skal der gives en ikke-inverterende indgang til en forspænding, og den inverterende indgang er den virkelige forstærker, der er forbundet dette til en feedback på 60k modstand fra output til input. Og en modstand 10k er forbundet i serie med en kondensator, og en forsyning med 1V sinusbølge gives til kredsløbet, nu vil vi se, hvordan forstærkning vil blive styret af R2 / R1 = 60k / 10k = 6 forstærkning, så er udgangen 6V . Hvis vi ændrer forstærkningen med 40, er output 4V af sinusbølge.

Video om arbejde med operationel forstærker

Normalt er det en dobbelt strømforsyningsforstærker, den konfigureres let til en enkelt strømforsyning ved hjælp af et modstandsnetværk. I dette placerer resister R3 og R4 en spænding på halvdelen af ​​forsyningsspændingen over den ikke-inverterende indgang, hvilket får udgangsspændingen til også at være halvdelen af ​​forsyningsspændingen og danner en slags forspændingsmodstand R3 og R4 kan være en hvilken som helst værdi fra 1k til 100k, men i alle tilfælde skal de være ens. En yderligere 1 F kondensator er blevet føjet til den ikke-inverterende indgang for at reducere støj forårsaget af konfigurationen. Brug af koblingskondensatorer til input og output er nødvendig til denne konfiguration.

3 OPAMP applikationer:

1. Forstærkning

Det forstærkede udgangssignal fra Op Amp er forskellen mellem de to indgangssignaler.

Ovenstående diagram er Op Amp-enkle forbindelser. Hvis begge indgange leveres med den samme spænding, vil Op Amp derefter tage forskellen mellem de to spændinger, og den vil være 0. Op Amp multiplicerer dette med sin forstærkning 1.000.000, så udgangsspændingen er 0. Når 2 volt er givet til den ene indgang og 1 volt i den anden, så vil Op Amp tage sin forskel og multiplicere med forstærkningen. Det er 1 volt x 1.000.000. Men denne forstærkning er meget høj, så for at reducere forstærkningen sker feedback fra output til input normalt via en modstand.

Inverterende forstærker:

Ovenstående kredsløb er en inverterende forstærker med den ikke-inverterende indgang tilsluttet jorden. To modstande R1 og R2 er forbundet i kredsløbet på en sådan måde, at R1 føder indgangssignalet, mens R2 returnerer udgangen til den inverterende indgang. Her, når indgangssignalet er positivt, vil udgangen være negativ og omvendt. Spændingsændringen ved udgangen i forhold til indgangen afhænger af forholdet mellem modstandene R1 og R2. R1 er valgt som 1K og R2 som 10K. Hvis indgangen modtager 1 volt, vil der være 1 mA strøm gennem R1, og udgangen bliver til 10 volt for at levere 1 mA strøm gennem R2 og for at opretholde nul spænding ved den inverterende indgang. Derfor er spændingsforstærkningen R2 / R1. Det er 10K / 1K = 10

Ikke-inverterende forstærker:

Ovenstående kredsløb er en ikke-inverterende forstærker. Her modtager den ikke-inverterende indgang signalet, mens den inverterende indgang er forbundet mellem R2 og R1. Når indgangssignalet bevæger sig enten positivt eller negativt, vil udgangen være i fase og holder spændingen ved den inverterende indgang den samme som den for ikke-inverterende indgang. Spændingsforstærkningen i dette tilfælde vil altid være højere end 1 så (1 + R2 / R1).

to. Spændingsfølger

Kredsløbet ovenfor er en spændingsfølger. Her giver den høj indgangsimpedans, lav udgangsimpedans. Når indgangsspændingen ændres, vil udgangen og den inverterende indgang ændre sig ens.

3. Komparator

Operationsforstærker sammenligner spændingen på den ene indgang med spændingen på den anden indgang. Enhver forskel mellem spændingerne, hvis den er lille, driver op-amp'en til mætning. Når spændingerne, der leveres til begge indgange, har samme størrelse og samme polaritet, er op-amp-udgangen 0 volt.

En komparator producerer begrænsede udgangsspændinger, som let kan interface med digital logik, selvom kompatibilitet skal verificeres.

Video om driftsforstærker som et sammenligningsdiagram

Her har vi en op-forstærker brugt som en komparator med de inverterende og ikke-inverterende terminaler og tilsluttet en potentiel skillevæg og meter til dem og et voltmeter ved udgangen og Førte til output. Den grundlæggende formel for komparator er, at når '+' er mere end '-' så er output høj (en), ellers er output nul. Når spændingen på den negative indgang er under referencespændingen, er udgangen høj, og når den negative indgang går over spændingen på den positive, går udgangen til lav.

3 Krav til OPAMP'er:

1. Offset Nulling

Det meste af OPAMP har en forskydningsspænding ved udgangen, selvom indgangsspændingerne er de samme. For at gøre output til nul spænding anvendes offset nulling-metoden. I de fleste Op-forstærkere er der en lille forskydning på grund af deres iboende egenskab og skyldes misforholdene i input-bias-arrangementet. Så en lille udgangsspænding er tilgængelig ved udgangen af ​​nogle Op-forstærkere, selvom indgangssignalet er nul. Denne ulempe kan afhjælpes ved at tilvejebringe en lille forskydningsspænding til indgangene. Dette er kendt som input offset spænding. For at fjerne eller annullere forskydningen har de fleste Op-forstærkere to ben, der muliggør nulstilling af forskydningen. Til dette skal en gryde eller en forudindstilling med en typisk værdi på 100K forbindes mellem benene 1 og 5 med sin visker til jorden. Ved at justere forudindstillingen kan output indstilles til nul spænding.

to. Strobing eller fase kompensation

Op-forstærkere kan nogle gange blive ustabile, og for at gøre dem stabile for hele frekvensbåndene er en hætte normalt forbundet mellem Strobe pin 8 og pin1. Normalt tilføjes en 47pF diskkondensator til fase kompensation så OpAmp forbliver stabil. Dette er vigtigst, hvis OpAmp bruges som en følsom forstærker.

3. Feedback

Som du ved, har Op-Amp meget høj forstærkning, typisk omkring 1.000,00 gange. Antag, at Op-Amp har 10.000 forstærkning, så forstærker Op-Amp forskellen i spænding i dens ikke-inverterende indgang (V +) og inverterende indgang (V-). Så udgangsspændingen V ud er
10.000 x (V + - V-)

I diagrammet påføres signalet til den ikke-inverterende indgang, og i inverterende indgang er forbundet til udgangen. Så V + = V ind og V- = Vout. Derfor er Vout = 10.000 x (Vin - Vout). Derfor er udgangsspændingen næsten lig med indgangsspændingen.

Lad os nu se, hvordan Feedback fungerer. Hvis du blot tilføjer en modstand mellem den inverterende indgang og udgangen, reduceres forstærkningen betydeligt. Ved at tage en brøkdel af udgangsspændingen til den inverterende indgang kan reducere forstærkningen betydeligt.

I henhold til den tidligere ligning er V ud = 10.000 x (V + - V-). Men her tilføjes en feedbackmodstand. Så her er V + Vin og V- er R1.R1 + R2 x V ud. Derfor er V ud 10.000 x (Vin - R1.R1 + R2xVout). Så V ud = R1 + R2.R1x Vin

Negativ feedback:

Her er output fra Op-Amp tilsluttet sin Inverterende (-) indgang, således at udgangen føres tilbage til indgangen for at nå en ligevægt. Således reflekteres indgangssignalet ved ikke-inverterende (+) indgang ved udgangen. Op-forstærkeren med negativ feedback vil køre dens output til det nødvendige niveau, og derfor vil spændingsforskellen mellem dens inverterende og ikke-inverterende indgange være næsten nul.

Positiv feedback:

Her føres udgangsspændingen tilbage til ikke-inverterende (+) indgang. Indgangssignalet føres til den inverterende indgang. I positivt feedback-design, hvis den inverterende indgang er forbundet til jord, afhænger udgangsspændingen fra Op-forstærkeren af ​​størrelsen og polariteten af ​​spændingen ved den ikke inverterende indgang. Når indgangsspændingen er positiv, vil output fra Op-Amp være positiv, og denne positive spænding vil blive ført til den ikke-inverterende input, hvilket resulterer i en fuld positiv output. Hvis indgangsspændingen er negativ, vendes tilstanden.

En anvendelse af operationelle forstærkere - Audio Preamplifier

Filtre og forforstærkere:

Effektforstærkere kommer efter forforstærkere og før højttalerne. Moderne CD- og DVD-afspillere har ikke brug for forforstærkere. De har brug for volumenkontrol og kildevalg. Ved at bruge skiftekontroller og passivt volumen kan vi undgå forforstærkere.

Lad os få en kort beskrivelse af lydforstærkere

Effektforstærkeren er en komponent, der kan drive de højttalere ved at konvertere lavt niveau signal til stort signal. Effekten af ​​forstærkere producerer relativt høj spænding og høj strøm. Normalt ligger området for spændingsforstærkning mellem 20 og 30. Effektforstærkerne har meget lav outputmodstand.

Specifikationer for lydforstærker

• Maksimal udgangseffekt:

Udgangsspændingen er uafhængig af belastning for både små og store signaler. Den givne spænding påført belastning forårsager dobbelt så meget strøm. Derfor leveres dobbelt så meget strøm. Effektvurderingen er den kontinuerlige gennemsnitlige sinusbølgeeffekt, således at effekten kan måles ved at anvende en sinusbølge, hvis RMS-spænding måles på lang sigt.

• Frekvensrespons:

Frekvensresponset skal udvide det fulde lydbånd 20 Hz til 20 KHz. Tolerancen over for frekvensresponset er ± 3db. Den konventionelle måde at specificere båndbredden på er en forstærker er nede med 3db fra den nominelle 0db.

• Støj:

Effektforstærkerne skal producere lav støj, når effektforstærkerne bruger med høje frekvenser. Støjparameteren kan være vægtet eller ikke-vægtet. Uvægtet støj vil blive specificeret over 20 KHz-båndbredde. Baseret på ørets følsomhedsvægtede støjspecifikation vil der blive taget højde for. Den vægtede støjmåling har en tendens til at dæmpe støj ved højere frekvenser, hvorfor vægtet støjmåling er ret bedre end ikke-vægtet støjmåling.

• Forvrængning:

Total harmonisk forvrængning er den almindelige forvrængning, der normalt specificeres ved forskellige frekvenser. Dette vil blive specificeret på et effektniveau, der er givet med effektforstærkerens kørebelastningsimpedans.