У следећем чланку ћемо расправљати о главним параметрима операцијског појачала и повезаним основним апликационим круговима оперативних појачала са једначинама, за решавање њихових специфичних вредности компоненти.
Оп-појачала (операциона појачала) су специјализовани тип интегрисаног кола које укључује директно спрегнуто појачало са високим појачањем са укупним карактеристикама одзива прилагођеним повратном спрегом.
Оп-амп је добио име по чињеници да може да изврши широк спектар математичких прорачуна. Због свог одговора, оп-појачало је такође познато као линеарно интегрисано коло и основна је компонента многих аналогних система.
Оперативно појачало има изузетно високо појачање (можда се приближава бесконачности), које се може подесити путем повратне спреге. Додавање кондензатора или индуктора мрежи са повратном спрегом може резултирати појачањем које се мења са фреквенцијом, утичући на целокупно радно стање интегрисаног кола.
Као што је приказано на горњој слици, основно операцијско појачало је уређај са три терминала који има два улаза и један излаз. Улазни терминали су класификовани као 'инвертујући' или 'неинвертујући'.
Параметри оперативног појачала
Када се напаја са једнаким улазним напонима, излаз идеалног оперативног појачала, или „оперативног појачала“, је нула или „0 волти“.
ВИН 1 = ВИН 2 даје ВОУТ = 0
Практична оп-појачала имају несавршено избалансиран улаз, што узрокује да неуједначене струје пристрасности теку кроз улазне терминале. Да би се избалансирао излаз оперативног појачала, између два улазна терминала мора бити обезбеђен улазни оффсет напон.
1) Инпут Биас Цуррент
Када је излаз избалансиран, или када је В ОУТ = 0, улазна струја пристрасности (И Б ) једнак је половини укупних појединачних струја које улазе у две улазне везе. Често је то веома мали број; на пример, И Б = 100 нА је нормална вредност.
2) Улазна оффсет струја
Разлика између сваке појединачне струје која стиже до улазних терминала позната је као струја померања улаза (И ово ). Опет, често је изузетно ниске вредности; на пример, заједничка вредност је И ово = 10 нА.
3) Улазни офсетни напон
Да би операционо појачало било уравнотежено, улазни офсетни напон В ово треба применити преко улазног терминала. Обично вредност В ово је = 1 мВ.
Вредности И ово и В ово оба могу да варирају са температуром, а ова варијација се назива И ово дрифт и В ово дрифт, респективно.
4) Однос одбијања напајања (ПСРР)
Однос промене улазног помака напона и одговарајуће промене напона напајања познат је као однос одбијања напајања или ПСРР. Ово је често у опсегу од 10 до 20 уВ/В.
Додатни параметри за оп-појачала који се могу поменути су:
5) Појачање отворене петље/Појачање затворене петље
Отворено појачање се односи на појачање оп-појачала без повратног кола, док се појачање у затвореној петљи односи на појачање оп-појачала са повратним колом. Генерално је представљен као А д .
6) Коефицијент одбацивања заједничког режима (ЦМРР)
Ово је однос сигнала разлике и заједничког сигнала и служи као мера перформанси диференцијалног појачала. Користимо децибеле (дБ) да изразимо овај однос.
7) Слев Рате
Стопа напона је брзина којом се мења излазни напон појачала у условима великог сигнала. Представља се помоћу јединице В/ус.
Основни апликациони кругови за оп амп
У наредним параграфима ћемо научити о неколико занимљивих основних кола за операцијско појачало. Сваки од основних дизајна је објашњен формулама за решавање вредности и карактеристика њихових компоненти.
ПОЈАЧАЛО ИЛИ БУФЕЕР
Коло за инвертујуће појачало, или инвертер, може се видети на слици 1, изнад. Добитак кола је дат са:
Искључено = - Р2/Р1
Имајте на уму да је појачање негативно, што указује да коло ради као следбеник напона који инвертује фазу, ако су два отпора једнака (тј. Р1 = Р2). Излаз би био идентичан улазу, са обрнутим поларитетом.
У стварности, отпорници могу бити уклоњени за једноструко појачање и замењени директним краткоспојним жицама, као што је приказано на слици 2 испод.
Ово је могуће јер је Р1 = Р2 = 0 у овом колу. Типично, Р3 се уклања из струјног кола инвертујућег напона.
Излаз оперативног појачала ће појачати улазни сигнал ако је Р1 мањи од Р2. На пример, ако је Р1 2,2 К, а Р1 22 К, добитак се може изразити као:
Искључено = - 22.000/2.200 = -10
Негативан симбол означава фазну инверзију. Улазни и излазни поларитет су обрнути.
Чинећи Р1 већим од Р2, исто коло може такође ослабити (смањити јачину) улазног сигнала. На пример, ако је Р1 120 К, а Р2 47 К, појачање кола би отприлике било:
Искључено = 47.000/120.000 = - 0,4
Опет, поларитет излаза је инверзан од поларитета улаза. Иако вредност Р3 није посебно важна, требало би да буде приближно једнака паралелној комбинацији Р1 и Р2. Која је:
Р3 = (Р1 к Р2)/(Р1 + Р2)
Да бисмо то показали, размотримо наш претходни пример, где је Р1 = 2,2 К и Р2 = 22 К. Вредност Р3 у овој ситуацији треба да буде приближно:
Р3 = (2200 к 22000)/(2200 + 22000) = 48,400,000/24,200 = 2000 Ω
Можемо изабрати најближу стандардну вредност отпора за Р3 јер прецизна вредност није неопходна. У овом случају се може користити отпорник од 1,8 К или 2,2 К.
Фазна инверзија коју ствара коло на слици 2 можда неће бити прихватљива у неколико ситуација. Да бисте користили оп-амп као неинвертујуће појачало (или као једноставан бафер), повежите га као што је илустровано на слици 3 испод.
Добитак у овом колу се изражава на следећи начин:
Искључено = 1 + Р2/Р1
Излаз и улаз имају исти поларитет и у фази су.
Имајте на уму да добит мора увек бити најмање 1 (јединица). Није могуће умањити (смањити) сигнале коришћењем неинвертујућег кола.
Појачање кола ће бити релативно веће ако је вредност Р2 знатно већа од Р1. На пример, ако је Р1 = 10 К и Р2 = 47 К, појачање оперативног појачала ће бити као што је дато у наставку:
Искључено = 1 + 470.000/10.000 = 1 + 47 = 48
Међутим, ако је Р1 знатно већи од Р2, добитак ће бити само нешто већи од јединице. На пример, ако је Р1 = 100 К и Р2 = 22 К, добитак би био:
Искључено = 1 + 22.000/100.000 = 1 + 0,22 = 1,22
У случају да су два отпора идентична (Р1 = Р2), појачање би увек било 2. Да бисте се уверили у ово, покушајте са једначином појачања у неколико сценарија.
Специфична ситуација је када су оба отпора постављена на 0. Другим речима, као што се види на слици 4 испод, директне везе се користе уместо отпорника.
Добитак је у овом случају тачно један. Ово је у складу са формулом добитка:
Искључено = 1 + Р2/Р1 = 1 + 0/0 = 1
Улаз и излаз су идентични. Примене за ово коло за праћење напона које не инвертује укључују усклађивање импедансе, изолацију и бафер.
АДДЕР (појачало за сумирање)
Одређени број улазних напона се може додати помоћу оп-појачала. Као што је илустровано на слици 5 испод, улазни сигнали В1, В2,… Вн се примењују на операцијско појачало преко отпорника Р1, Р2,… Рн.
Ови сигнали се затим комбинују да би се добио излазни сигнал, који је једнак збиру улазних сигнала. Следећа формула се може користити за израчунавање стварних перформанси оперативног појачала као сабирача:
ВОУТ = - Ро ((В1/Р1) + (В2/Р2) . . . + (Вн/Рн))
Погледајте негативни симбол. То значи да је излаз инвертован (поларитет је обрнут). Другим речима, ово коло је инвертујући сабирач.
Коло се може променити да функционише као неинвертујући сабирач пребацивањем конекција на инвертујући и неинвертујући улаз оп-појачала, као што је илустровано на слици 6 испод.
Излазна једначина се може учинити једноставнијом уз претпоставку да сви улазни отпорници имају идентичне вредности.
ВОУТ = - Ро ((В1 + В2 . . . + Вн)/Р)
ДИФЕРЕНЦИЈАЛНО ПОЈАЧАЛО
Слика 7 изнад приказује основно коло диференцијалног појачала. Вредности компоненти су постављене тако да је Р1 = Р2 и Р3 = Р4. Дакле, перформансе кола се могу израчунати помоћу следеће формуле:
ВОУТ = ВИН 2 - ВИН 1
Само док оперативно појачало може да прихвати да улази 1 и 2 имају различите импедансе (улаз 1 има импеданцију Р1, а улаз 2 има импедансу Р1 плус Р3).
САБИРАЧ/ОДУЗИМ
Слика 8 изнад приказује конфигурацију за коло сабирача/одузимања оппојачала. У случају када Р1 и Р2 имају идентичне вредности, а Р3 и Р4 су такође подешени на исте вредности, тада:
ВОУТ = (В3 + В4) - (В1 - В2)
Другим речима, Воут = В3 + В4 је збир В3 и В4 улаза док је одузимање В1 и В2 улаза. Вредности за Р1, Р2, Р3 и Р4 се бирају тако да одговарају карактеристикама оперативног појачала. Р5 треба да буде једнак Р3 и Р4, а Р6 треба да буде једнак Р1 и Р2.
МНОЖИТЕЉ
Једноставне операције множења се могу урадити помоћу кола приказаног на слици 9 изнад. Имајте на уму да је ово исто коло као на слици 1. Да би се постигао конзистентан добитак (а потом и множење улазног напона у односу Р2/Р1) и прецизни резултати, прецизни отпорници са прописаним вредностима за Р1 и Р2 треба користити. Приметно је да је излазна фаза инвертована овим колом. Напон на излазу ће бити једнак:
ВОУТ = - (ВИН к искључено)
где је Ав појачање, како је одређено Р1 и Р2. ВОУТ и ВИН су излазни и улазни напон, респективно.
Као што се види на слици 10 изнад, константа множења може да се промени ако је Р2 променљиви отпор (потенциометар). Око контролног вратила можете монтирати калибрациони точкић са ознакама за различите уобичајене добитке. Константа множења се може очитати директно са овог точкића користећи калибрисано очитавање.
ИНТЕГРАТОР
Оп-појачало ће, у најмању руку, теоретски функционисати као интегратор када је инвертујући улаз повезан са излазом кроз кондензатор.
Као што је приказано на слици 11 изнад, паралелни отпорник мора бити повезан преко овог кондензатора да би се одржала стабилност једносмерне струје. Ово коло имплементира следећи однос за интеграцију улазног сигнала:
Вредност Р2 треба да буде изабрана тако да одговара параметрима оперативног појачала, тако да:
ВОУТ = Р2/Р1 к ВИН
ДИФФЕРЕНТИАТОР
Диференцијално коло оп појачавача укључује кондензатор у улазној линији који се повезује на инвертујући улаз и отпорник који повезује овај улаз са излазом. Међутим, ово коло има јасне границе, стога би пожељно било подешавање паралелног отпорника и кондензатора као што је илустровано на слици 12 изнад.
Следећа једначина одређује колико добро ово коло ради:
ВОУТ = - (Р2 к Ц1) дВИН/дт
ЛОГ ПОЈАЧАЛА
Основно коло (слика 13 изнад) користи НПН транзистор и оп-амп за генерисање излаза пропорционалног логу улаза:
ВОУТ = (- к лог 10 ) ПЕТ/ПЕТ О
На доњем дијаграму је приказано „обрнуто“ коло, које ради као основно анти-лог појачало. Обично је кондензатор мале вредности (на пример, 20 пФ).
АУДИО АМП
Оперативно појачало је у суштини једносмерно појачало, али се може применити и за апликације наизменичне струје. Једноставно аудио појачало је приказано на слици 14 изнад.
АУДИО МИКСЕР
На овом колу је приказана модификација аудио појачала (слика 15 изнад). Можете видети како личи на коло сабирача на слици 5. Различити улазни сигнали се мешају или спајају. Улазни потенциометар сваког улазног сигнала омогућава подешавање нивоа. Релативне пропорције различитих улазних сигнала на излазу стога може подесити корисник.
СИГНАЛ СПЛИТТЕР
Коло разделника сигнала приказано на слици 16 изнад је управо супротно од миксера. Један излазни сигнал је подељен на неколико идентичних излаза који напајају различите улазе. Вишеструке сигналне линије су одвојене једна од друге помоћу овог кола. За подешавање потребног нивоа, свака излазна линија укључује посебан потенциометар.
КОНВЕРТЕР НАПОНА У СТРУЈУ
Коло представљено на слици 17 изнад ће узроковати да импеданса оптерећења Р2 и Р1 искуси исти проток струје.
Вредност ове струје би била пропорционална напону улазног сигнала и независна од оптерећења.
Међутим, због високог улазног отпора који обезбеђује неинвертујући терминал, струја ће бити релативно ниске вредности. Ова струја има вредност која је директно пропорционална ВИН/Р1.
КОНВЕРТЕР СТРУЈЕ У НАПОН
Ако је излазни напон једнак ИИН к Р2 и користи се дизајн (слика 18 изнад), струја улазног сигнала може тећи право преко повратног отпорника Р2.
Другим речима, улазна струја се трансформише у пропорционални излазни напон.
Пристрасно коло створено на инвертујућем улазу поставља доњу границу протока струје, што спречава да струја прође кроз Р2. Да би се елиминисао 'шум', у ово коло се може додати кондензатор као што је приказано на слици.
ТРЕНУТНИ ИЗВОР
Горња слика 19 показује како се операцијско појачало може користити као извор струје. Вредности отпорника се могу израчунати коришћењем следећих једначина:
Р1 = Р2
Р3 = Р4 + Р5
Излазна струја се може проценити помоћу следеће формуле:
Иоут = (Р3 к ВИН) / (Р1 к Р5)
МУЛТИВИБРАТОР
Можете прилагодити операцијско појачало за употребу као мултивибратор. Слика 20 изнад приказује два основна кола. Дизајн у горњем левом углу је мултивибратор који слободно ради (астабилан), чију фреквенцију контролишу:
Моностабилно мултивибраторско коло које се може активирати импулсним улазом правоугаоног таласа може се видети у доњем десном дијаграму. Наведене вредности компоненти су за ЦА741 операцијско појачало.
ГЕНЕРАТОР КВАДРАТНИХ ТАЛАСА
Слика 21 изнад приказује функционално коло генератора правоугаоног таласа центрирано око оперативног појачала. Ово коло генератора квадратног таласа би могло бити најједноставније. Потребна су само три екстерна отпорника и један кондензатор поред самог оперативног појачала.
Два главна елемента који одређују временску константу кола (излазну фреквенцију) су отпорник Р1 и кондензатор Ц1. Међутим, веза са позитивном повратном спрегом заснована на Р2 и Р3 такође има утицај на излазну фреквенцију. Иако су једначине често помало компликоване, могу се поједноставити за одређене Р3/Р2 односе. За илустрацију:
Ако је Р3/Р2 ≈ 1,0 онда је Ф ≈ 0,5/(Р1/Ц1)
или,
Ако је Р3/Р2 ≈ 10 онда је Ф ≈ 5/(Р1/Ц1)
Најпрактичнији метод је да се употреби један од ових стандардних односа и промене вредности Р1 и Ц1 да би се постигла потребна фреквенција. За Р2 и Р3 могу се користити конвенционалне вредности. На пример, однос Р3/Р2 ће бити 10 ако је Р2 = 10К и Р3 = 100К, дакле:
Ф = 5/(Р1/Ц1)
У већини случајева, ми ћемо већ бити свесни потребне фреквенције и само ћемо морати да изаберемо одговарајуће вредности компоненти. Најједноставнији метод је да прво изаберете вредност Ц1 која изгледа разумно, а затим преуредите једначину да бисте пронашли Р1:
Р1 = 5/(Ф к Ц1)
Хајде да погледамо типичан пример фреквенције од 1200 Хз коју тражимо. Ако је Ц1 повезан на кондензатор од 0,22уФ, онда Р1 треба да има вредност као што је приказано у следећој формули:
Р1 = 5/(1200 к 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω
Типичан отпорник од 18К може се користити у већини апликација. Потенциометар се може додати у серији са Р1 да би се повећала корисност и прилагодљивост овог кола, као што је илустровано на слици 22 испод. Ово омогућава ручно подешавање излазне фреквенције.
За ово коло користе се исти прорачуни, међутим вредност Р1 се мења да би одговарала серијској комбинацији фиксног отпорника Р1а и подешене вредности потенциометра Р1б:
Р1 = Р1а + Р1б
Фиксни отпорник је уметнут како би се осигурало да вредност Р1 никада не падне на нулу. Опсег излазних фреквенција је одређен фиксном вредношћу Р1а и највећим отпором Р1б.
ГЕНЕРАТОР ПРОМЕНЉИВЕ ШИРИНЕ ИМПУЛСА
Квадратни талас је потпуно симетричан. Радни циклус сигнала правокутног таласа је дефинисан као однос времена високог нивоа и укупног времена циклуса. Квадратни таласи по дефиницији имају радни циклус 1:2.
Са још само две компоненте, генератор квадратног таласа из претходног одељка може се трансформисати у генератор правоугаоног таласа. Слика 23 изнад приказује ажурирано коло.
Диода Д1 ограничава пролаз струје преко Р4 у негативним полуциклусима. Р1 и Ц1 чине временску константу као што је изражено у следећој једначини:
Т1 = 5/(2Ц1 к Р1)
Међутим, на позитивним полуциклусима, диоди је дозвољено да води, а паралелна комбинација Р1 и Р4 заједно са Ц1 дефинише временску константу, као што је приказано у следећем прорачуну:
Т2 = 5/(2Ц1 ((Р1 Р4)/(Р1 + Р4)))
Укупна дужина циклуса је само збир две временске константе полу-циклуса:
Тт = Т1 + Т2
Излазна фреквенција је инверзна од укупне временске константе целог циклуса:
Ф = 1/Тт
Овде радни циклус неће бити једнак 1:2 јер ће се временска константа за делове циклуса високог и ниског нивоа разликовати. Као резултат тога, биће произведени асиметрични таласни облици. Могуће је подесити Р1 или Р4, или чак оба, али имајте на уму да би то променило и излазну фреквенцију и радни циклус.
СИНУСНИ ОСЦИЛАТОР
Синусни талас, који је приказан на слици 24 испод, је најосновнији од свих сигнала наизменичне струје.
У овом изузетно чистом сигналу нема апсолутно никаквог хармонијског садржаја. Постоји само једна основна фреквенција у синусном таласу. У ствари, стварање потпуно чистог синусног таласа без изобличења је прилично тешко. Срећом, користећи осцилаторско коло изграђено око оп-појачала, можемо се прилично приближити оптималном таласном облику.
Слика 25 изнад приказује конвенционално коло синусног осцилатора које укључује оп-амп. Двоструко Т коло које служи као филтер за одбацивање опсега (или зарез) служи као мрежа повратних информација. Кондензатор Ц1 и отпорници Р1 и Р2 чине један Т. Ц2, Ц3, Р3 и Р4 чине други Т. Шема је обрнута. Вредности компоненти морају имати следеће односе да би ово коло исправно функционисало:
Следећа формула одређује излазну фреквенцију:
Ф = 1/(6,28 к Р1 к Ц2)
Променом вредности Р4, подешавање мреже твин-Т повратне спреге би се могло донекле подесити. Обично, ово може бити мали потенциометар тримера. Потенциометар се поставља на највећи отпор, а затим се постепено смањује све док коло не лебди на ивици осцилације. Излазни синусни талас се може оштетити ако је отпор пренизак.
СЦХМИТТ ТРИГГЕР
Технички говорећи, Сцхмитт окидач се може назвати регенеративним компаратором. Његова примарна функција је да трансформише улазни напон који се полако мења у излазни сигнал, на одређеном улазном напону.
Другим речима, он има својство „залеђа“ које се зове хистереза и које функционише као „окидач“ напона. Оперативно појачало постаје основни грађевински блок за Сцхмиттову операцију окидача (види слику 26 изнад). Следећи фактори одређују напон окидања или окидања:
ИН путовање = (В оут к Р1) / (-Р1 + Р2)
У овом типу кола, хистереза је двоструко већа од напона окидања.
На слици 27 испод, приказано је друго Сцхмиттово коло окидача. У овом колу, за излаз се каже да се „покреће“ када једносмерни улаз достигне око једне петине напона напајања.
Напон напајања може бити између 6 и 15 волти, стога у зависности од изабраног напона напајања, окидач се може подесити да ради на 1,2 до 3 волта. Ако је потребно, стварна тачка окидања се такође може променити модификацијом вредности Р4.
Излаз ће бити исти као напон напајања чим се активира. Ако је излаз прикључен на сијалицу са жарном нити или ЛЕД (преко серијског баластног отпорника), лампа (или ЛЕД) ће се упалити када улазни напон достигне вредност окидања, што указује да је овај прецизан ниво напона постигнут на улазу.
Окончање
Дакле, ово је било неколико основних кола операционих појачала са објашњеним параметрима. Надам се да сте разумели све карактеристике и формуле у вези са оперативним појачалом.
Ако имате било који други дизајн основног оп појачала за који мислите да треба да буде укључен у горњи чланак, слободно их наведите у својим коментарима испод.
