В следващата статия обсъждаме основните параметри на операционния усилвател и свързаните основни схеми на приложение на операционния усилвател с уравнения за решаване на техните специфични стойности на компонентите.
Операционните усилватели (операционни усилватели) са специализиран тип интегрална схема, която включва директно свързан усилвател с голямо усилване с обща характеристика на реакция, регулирана от обратна връзка.
Операционният усилвател получава името си от факта, че може да изпълнява широк набор от математически изчисления. Поради реакцията си, операционният усилвател е известен също като линейна интегрална схема и е основният компонент на много аналогови системи.
Операционният усилвател има изключително високо усилване (вероятно наближаващо безкрайността), което може да се регулира чрез обратна връзка. Добавянето на кондензатори или индуктори към мрежата за обратна връзка може да доведе до усилване, което се променя с честотата, засягайки общото работно състояние на интегралната схема.
Както е показано на фигурата по-горе, основният операционен усилвател е устройство с три терминала с два входа и един изход. Входните клеми се класифицират като 'инвертиращи' или 'неинвертиращи'.
Параметри на операционния усилвател
Когато се доставя с равни входни напрежения, изходът на идеалния операционен усилвател или 'операционен усилвател' е нула или '0 волта'.
VIN 1 = VIN 2 дава VOUT = 0
Практичните операционни усилватели имат несъвършено балансиран вход, което води до протичане на неравномерни токове на отклонение през входните клеми. За да се балансира изходът на операционния усилвател, трябва да се осигури входно компенсиращо напрежение между двата входни терминала.
1) Входен ток на отклонение
Когато изходът е балансиран или когато V ВЪН = 0, входният ток на отклонение (I Б ) е равен на половината от общия индивидуален ток, влизащ в двете входни връзки. Често това е много малко число; например аз Б = 100 nA е нормална стойност.
2) Входен компенсиращ ток
Разликата между всеки отделен ток, достигащ входните клеми, е известна като входен компенсиращ ток (I това ). Отново, често е с изключително ниска стойност; например обща стойност е I това = 10 nA.
3) Входно компенсиращо напрежение
За да поддържате операционния усилвател балансиран, входното компенсиращо напрежение V това трябва да се приложи през входния терминал. Обикновено стойността на V това е = 1 mV.
Ценностите на И това и В това и двете могат да варират в зависимост от температурата и тази промяна се нарича I това дрифт и V това дрейф, респ.
4) Коефициент на отхвърляне на захранването (PSRR)
Съотношението на промяната във входното компенсиращо напрежение към съответната промяна в захранващото напрежение е известно като коефициент на отхвърляне на захранването или PSRR. Това често е в диапазона от 10 до 20 uV/V.
Допълнителни параметри за операционни усилватели, които могат да бъдат споменати, са:
5) Усилване при отворена верига/усилване при затворен контур
Усилването при отворен контур се отнася до усилването на операционен усилвател без верига за обратна връзка, докато усилването при затворен контур се отнася до усилването на операционен усилвател с верига за обратна връзка. Обикновено се представя като A д .
6) Коефициент на отхвърляне на общ режим (CMRR)
Това е съотношението на сигнала на разликата към сигнала в общ режим и служи като мярка за производителността на диференциалния усилвател. Използваме децибели (dB), за да изразим това съотношение.
7) Скорост на завъртане
Скоростта на нарастване е скоростта, с която изходното напрежение на усилвателя се променя при условия на силен сигнал. Представя се с помощта на единицата V/us.
Основни схеми на приложение на операционен усилвател
В следващите параграфи ще научим за няколко интересни основни схеми на операционни усилватели. Всеки от основните дизайни е обяснен с формули за решаване на техните компонентни стойности и характеристики.
УСИЛВАТЕЛ ИЛИ БУФЕР
Веригата за инвертиращ усилвател или инвертор може да се види на фигура 1 по-горе. Коефициентът на усилване на веригата се дава от:
Изключено = - R2/R1
Имайте предвид, че усилването е отрицателно, което показва, че веригата работи като фазово-инвертиращ последовател на напрежение, ако двете съпротивления са равни (т.е. R1 = R2). Изходът ще бъде идентичен с входа, с обратен поляритет.
В действителност, резисторите могат да бъдат премахнати за единично усилване и заменени с директни джъмперни проводници, както е показано на Фиг. 2 по-долу.
Това е възможно, защото R1 = R2 = 0 в тази верига. Обикновено R3 се отстранява от веригата за инвертиране на напрежение.
Изходът на операционния усилвател ще усили входния сигнал, ако R1 е по-малко от R2. Например, ако R1 е 2,2 K и R1 е 22 K, печалбата може да се изрази като:
Изключено = - 22 000/2 200 = -10
Отрицателният символ означава инверсия на фазата. Входният и изходният поляритет са обърнати.
Като направи R1 по-голям от R2, същата верига може също да отслаби (намали силата на) входния сигнал. Например, ако R1 е 120 K и R2 е 47 K, усилването на веригата ще бъде приблизително:
Изключено = 47 000/120 000 = - 0,4
Отново полярността на изхода е обратна на тази на входа. Въпреки че стойността на R3 не е особено важна, тя трябва да бъде приблизително равна на паралелната комбинация от R1 и R2. Кое е:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
За да демонстрирате това, разгледайте нашия предишен пример, където R1 = 2,2 K и R2 = 22 K. Стойността на R3 в тази ситуация трябва да бъде приблизително:
R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48 400 000/24 200 = 2000 Ω
Можем да изберем най-близката стандартна стойност на съпротивление за R3, тъй като точната стойност не е необходима. В този случай може да се използва резистор 1,8 K или 2,2 K.
Фазовата инверсия, създадена от веригата на фиг. 2, може да не е приемлива в няколко ситуации. За да използвате операционния усилвател като неинвертиращ усилвател (или като обикновен буфер), свържете го, както е показано на фиг. 3 по-долу.
Печалбата в тази верига се изразява, както следва:
Изключено = 1 + R2/R1
Изходът и входът имат еднакъв поляритет и са във фаза.
Имайте предвид, че усилването винаги трябва да бъде минимум 1 (единство). Не е възможно да се отслабят (намалят) сигналите с помощта на неинвертираща верига.
Печалбата на веригата ще бъде сравнително по-силна, ако стойността на R2 е значително по-голяма от R1. Например, ако R1 = 10 K и R2 = 47 K, усилването на операционния усилвател ще бъде както е дадено по-долу:
Изключено = 1 + 470 000/10 000 = 1 + 47 = 48
Въпреки това, ако R1 е значително по-голям от R2, печалбата ще бъде само малко повече от единица. Например, ако R1 = 100 K и R2 = 22 K, печалбата ще бъде:
Изключено = 1 + 22 000/100 000 = 1 + 0,22 = 1,22
В случай, че двете съпротивления са идентични (R1 = R2), печалбата винаги ще бъде 2. За да се убедите в това, опитайте уравнението за печалба в няколко сценария.
Специфична ситуация е, когато и двете съпротивления са настроени на 0. С други думи, както се вижда на фиг. 4 по-долу, вместо резисторите се използват директни връзки.
Печалбата е точно единица в този случай. Това съответства на формулата за печалба:
Изключено = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1
Входът и изходът са идентични. Приложенията за тази неинвертираща схема за повторение на напрежението включват съгласуване на импеданса, изолация и буфер.
ADDER (сумиращ усилвател)
Редица входни напрежения могат да бъдат добавени с помощта на операционен усилвател. Както е илюстрирано на Фиг. 5 по-долу, входните сигнали V1, V2,… Vn се прилагат към операционния усилвател чрез резистори R1, R2,… Rn.
След това тези сигнали се комбинират, за да се получи изходен сигнал, който е равен на сумата от входните сигнали. Следната формула може да се използва за изчисляване на реалната производителност на операционния усилвател като суматор:
VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))
Вижте отрицателния символ. Това означава, че изходът е бил обърнат (полярността е обърната). С други думи, тази схема е инвертиращ суматор.
Веригата може да бъде променена, за да функционира като неинвертиращ суматор чрез превключване на връзките към инвертиращите и неинвертиращите входове на операционния усилвател, както е илюстрирано на Фиг. 6 по-долу.
Изходното уравнение може да бъде опростено, като се приеме, че всички входни резистори имат еднакви стойности.
VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)
ДИФЕРЕНЦИАЛЕН УСИЛВАТЕЛ
Фиг. 7 по-горе изобразява основната схема на диференциален усилвател. Стойностите на компонентите са зададени така, че R1 = R2 и R3 = R4. Следователно производителността на веригата може да се изчисли по следната формула:
VOUT = VIN 2 - VIN 1
Само докато операционният усилвател може да приеме, че входове 1 и 2 имат различни импеданси (вход 1 има импеданс R1, а вход 2 има импеданс R1 плюс R3).
СЪБИРАТЕЛ/ИЗВАЖДАЧ
Фигура 8 по-горе изобразява конфигурацията за схема на суматор/изваждащ операционен усилвател. В случай, че R1 и R2 имат еднакви стойности и R3 и R4 също са зададени на същите стойности, тогава:
VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)
С други думи, Vout = V3 + V4 е общата сума на входовете V3 и V4, докато е изваждането на входовете V1 и V2. Стойностите за R1, R2, R3 и R4 са избрани така, че да отговарят на характеристиките на операционния усилвател. R5 трябва да е равно на R3 и R4, а R6 трябва да е равно на R1 и R2.
МНОЖИТЕЛ
Простите операции за умножение могат да се извършват със схемата, показана на Фиг. 9 по-горе. Имайте предвид, че това е същата верига като на фиг. 1. За да постигнете постоянно усилване (и впоследствие умножение на входното напрежение в съотношението R2/R1) и точни резултати, прецизни резистори с предписаните стойности за R1 и R2 трябва да се използва. Трябва да се отбележи, че изходната фаза е обърната от тази верига. Напрежението на изхода ще бъде равно на:
VOUT = - (VIN x Изкл.)
където Av е печалбата, както е определено от R1 и R2. VOUT и VIN са съответно изходното и входното напрежение.
Както се вижда на Фиг. 10 по-горе, константата на умножение може да бъде променена, ако R2 е променливо съпротивление (потенциометър). Около контролния вал можете да монтирате циферблат за калибриране с маркировки за различни общи печалби. Константата за умножение може да бъде прочетена директно от този циферблат с помощта на калибрирано отчитане.
ИНТЕГРАТОР
Операционният усилвател най-малкото теоретично ще функционира като интегратор, когато инвертиращият вход е свързан с изхода чрез кондензатор.
Както е показано на Фиг. 11 по-горе, трябва да се свърже паралелен резистор през този кондензатор, за да се поддържа стабилност на DC. Тази схема прилага следната връзка за интегриране на входния сигнал:
Стойността на R2 трябва да бъде избрана така, че да съответства на параметрите на операционния усилвател, така че:
VOUT = R2/R1 x VIN
ДИФЕРЕНЦИАТОР
Веригата на диференциращия операционен усилвател включва кондензатор във входната линия, който се свързва към инвертиращия вход и резистор, който свързва този вход към изхода. Въпреки това, тази верига има ясни граници, следователно предпочитана настройка би била паралелно свързване на резистора и кондензатора, както е показано на фиг. 12 по-горе.
Следното уравнение определя колко добре работи тази верига:
VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt
ЛОГ УСИЛВАТЕЛИ
Фундаменталната верига (Фиг. 13 по-горе) използва NPN транзистор и операционен усилвател за генериране на изход, пропорционален на входния дневник:
VOUT = (- k log 10 ) ПЕТ/ПЕТ О
'Обърнатата' верига, работеща като основен анти-логаритмен усилвател, е изобразена на долната диаграма. Обикновено кондензаторът е с ниска стойност (например 20 pF).
АУДИО УСИЛВАТЕЛ
Операционният усилвател по същество е усилвател за постоянен ток, но може да се прилага и за приложения с променлив ток. Опростен аудио усилвател е показан на фигура 14 по-горе.
АУДИО МИКСЕР
В тази схема е показана модификация на аудио усилвателя (фиг. 15 по-горе). Можете да видите как наподобява схемата на суматора на Фиг. 5. Различните входни сигнали се смесват или обединяват. Входният потенциометър на всеки входен сигнал позволява регулиране на нивото. По този начин относителните пропорции на различните входни сигнали в изхода могат да се регулират от потребителя.
СПЛИТЕР НА СИГНАЛ
Веригата на разделителя на сигнала, показана на фиг. 16 по-горе, е точно обратното на миксер. Единичен изходен сигнал се разделя на няколко идентични изхода, които захранват различни входове. Множеството сигнални линии са разделени една от друга с помощта на тази схема. За регулиране на необходимото ниво всяка изходна линия включва отделен потенциометър.
ПРЕОБРАЗУВАТЕЛ НАПРЕЖЕНИЕ В ТОК
Веригата, представена на Фиг. 17 по-горе, ще доведе до това, че импедансът на натоварване R2 и R1 изпитва същия поток на ток.
Стойността на този ток би била пропорционална на напрежението на входния сигнал и независима от товара.
Въпреки това, поради високото входно съпротивление, осигурено от неинвертиращия терминал, токът ще бъде с относително ниска стойност. Този ток има стойност, която е право пропорционална на VIN/R1.
ПРЕОБРАЗУВАТЕЛ ТОК В НАПРЕЖЕНИЕ
Ако изходното напрежение е равно на IIN x R2 и се използва конструкцията (фиг. 18 по-горе), токът на входния сигнал може да тече направо през резистора за обратна връзка R2.
Казано по друг начин, входният ток се трансформира в пропорционално изходно напрежение.
Веригата на отклонение, създадена на инвертиращия вход, задава долна граница на текущия поток, което предотвратява преминаването на ток през R2. За да елиминирате 'шума', към тази верига може да се добави кондензатор, както е показано на фигурата.
ТЕКУЩ ИЗТОЧНИК
Горната фигура 19 показва как един операционен усилвател може да се използва като източник на ток. Стойностите на резистора могат да бъдат изчислени с помощта на следните уравнения:
R1 = R2
R3 = R4 + R5
Изходният ток може да бъде оценен по следната формула:
Iout = (R3 x VIN) / (R1 x R5)
МУЛТИВИБРАТОР
Можете да адаптирате операционен усилвател, за да го използвате като мултивибратор. Фиг. 20 по-горе показва две основни вериги. Дизайнът в горния ляв ъгъл е свободно работещ (нестабилен) мултивибратор, чиято честота се контролира от:
Моностабилна мултивибраторна верига, която може да се активира от импулсен вход с правоъгълна вълна, може да се види в долната дясна диаграма. Предоставените стойности на компонентите са за операционен усилвател CA741.
ГЕНЕРАТОР НА КВАДРАТНА ВЪЛНА
Фиг. 21 по-горе изобразява функционална верига на генератор на квадратни вълни, центрирана около операционен усилвател. Тази схема на генератор на квадратни вълни може да бъде най-простата. Необходими са само три външни резистора и един кондензатор в допълнение към самия операционен усилвател.
Двата основни елемента, които определят времеконстантата (изходната честота) на веригата са резисторът R1 и кондензаторът C1. Въпреки това базираната на R2 и R3 положителна обратна връзка също оказва влияние върху изходната честота. Въпреки че уравненията често са малко сложни, те могат да бъдат опростени за определени съотношения R3/R2. За илюстрация:
Ако R3/R2 ≈ 1,0 тогава F ≈ 0,5/(R1/C1)
или,
Ако R3/R2 ≈ 10, тогава F ≈ 5/(R1/C1)
Най-практичният метод е да се използва едно от тези стандартни съотношения и да се променят стойностите на R1 и C1, за да се постигне необходимата честота. За R2 и R3 могат да се използват конвенционални стойности. Например съотношението R3/R2 ще бъде 10, ако R2 = 10K и R3 = 100K, по този начин:
F = 5/(R1/C1)
В повечето случаи ние вече ще знаем необходимата честота и ще трябва само да изберем подходящите стойности на компонентите. Най-простият метод е първо да изберете стойност на C1, която изглежда разумна, и след това да пренаредите уравнението, за да намерите R1:
R1 = 5/(F x C1)
Нека да разгледаме типичен пример за честота от 1200 Hz, която търсим. Ако C1 е свързан към 0,22uF кондензатор, тогава R1 трябва да има стойността, както е изобразено в следната формула:
R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω
Типичен 18K резистор може да се използва в повечето приложения. Може да се добави потенциометър последователно с R1, за да се увеличи полезността и адаптивността на тази верига, както е илюстрирано на Фиг. 22 по-долу. Това дава възможност за ръчно регулиране на изходната честота.
За тази схема се използват същите изчисления, но стойността на R1 се променя, за да съответства на серийната комбинация от постоянния резистор R1a и коригираната стойност на потенциометъра R1b:
R1 = R1a + R1b
Фиксираният резистор е поставен, за да се гарантира, че стойността на R1 никога не пада до нула. Диапазонът на изходните честоти се определя от фиксираната стойност на R1a и най-високото съпротивление на R1b.
ГЕНЕРАТОР С ПРОМЕНЛИВА ШИРИНА НА ИМПУЛСА
Квадратната вълна е напълно симетрична. Работният цикъл на сигнала с правоъгълна вълна се определя като съотношението на времето на високо ниво към общото време на цикъла. По дефиниция квадратните вълни имат работен цикъл 1:2.
Само с още два компонента генераторът на квадратни вълни от предишния раздел може да се трансформира в генератор на правоъгълни вълни. Фиг. 23 по-горе изобразява актуализираната верига.
Диод D1 ограничава преминаването на ток през R4 при отрицателни полупериоди. R1 и C1 съставляват времевата константа, както е изразено в следното уравнение:
T1 = 5/(2C1 x R1)
Въпреки това, при положителни полупериоди, диодът може да провежда и паралелната комбинация от R1 и R4 заедно с C1 определя времевата константа, както е показано в следното изчисление:
T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))
Общата дължина на цикъла е само сумата от двете времеви константи на полуцикъла:
Tt = T1 + T2
Изходната честота е обратната на общата времева константа на целия цикъл:
F = 1/Tt
Тук работният цикъл няма да е равен на 1:2, тъй като времевата константа за секциите с високо и ниско ниво на цикъла ще се различава. В резултат на това ще се получат асиметрични вълни. Възможно е да направите R1 или R4 регулируеми, или дори и двата, но имайте предвид, че това ще промени както изходната честота, така и работния цикъл.
ОСЦИЛАТОР С СИНУСОВА ВЪЛНА
Синусоидалната вълна, която е показана на фиг. 24 по-долу, е най-основният от всички променливотокови сигнали.
В този изключително чист сигнал няма абсолютно никакво хармонично съдържание. Има само една основна честота в синусоида. Всъщност създаването на напълно чиста синусоида без изкривяване е доста трудно. За щастие, използвайки осцилаторна верига, изградена около операционен усилвател, можем да се доближим доста до оптимална форма на вълната.
Фиг. 25 по-горе изобразява конвенционална синусоидална осцилаторна верига, включваща операционен усилвател. Twin-T верига, служеща като филтър за отхвърляне на лента (или прорез), служи като мрежа за обратна връзка. Кондензаторът C1 и резисторите R1 и R2 съставляват един T. C2, C3, R3 и R4 съставляват другия T. Схемата е обърната. Стойностите на компонентите трябва да имат следните отношения, за да работи тази схема правилно:
Следната формула определя изходната честота:
F = 1/(6,28 x R1 x C2)
Чрез промяна на стойността на R4, настройката на twin-T обратната мрежа може да бъде променена донякъде. Обикновено това може да е малък тример потенциометър. Потенциометърът се настройва на най-високото си съпротивление и след това постепенно се намалява, докато веригата просто се движи на ръба на трептене. Изходната синусоида може да се повреди, ако съпротивлението е настроено твърде ниско.
SCHMITT TRIGGER
Технически казано, тригерът на Шмит може да се нарече регенеративен компаратор. Основната му функция е да трансформира входно напрежение, което бавно се променя в изходен сигнал, при определено входно напрежение.
Казано по друг начин, той има свойство 'backlash', наречено хистерезис, което функционира като 'тригер' на напрежението. Операционният усилвател се превръща в основен градивен елемент за операцията на задействане на Schmitt (вижте Фиг. 26 по-горе). Следните фактори определят задействащото или изключващото напрежение:
IN пътуване = (V навън x R1) / (-R1 + R2)
В този тип верига хистерезисът е двойно по-голям от изключващото напрежение.
На фигура 27 по-долу е изобразена друга тригерна верига на Шмит. В тази схема се казва, че изходът се 'задейства', когато входът за постоянен ток достигне около една пета от захранващото напрежение.
Захранващото напрежение може да бъде някъде между 6 и 15 волта, следователно в зависимост от избраното захранващо напрежение, тригерът може да бъде настроен да работи на 1,2 до 3 волта. Ако е необходимо, действителната точка на задействане може също да бъде променена чрез модифициране на стойността на R4.
Изходът ще бъде същият като захранващото напрежение веднага щом се задейства. Ако изходът е свързан към крушка с нажежаема жичка или светодиод (чрез сериен баластен резистор), лампата (или светодиодът) ще светне, след като входното напрежение достигне стойността на задействане, което показва, че това точно ниво на напрежение е постигнато на входа.
Обобщавайки
Така че това бяха няколко основни схеми на операционни усилватели с обяснени параметри. Надяваме се, че сте разбрали всички характеристики и формули, свързани с операционен усилвател.
Ако имате някаква друга основна схема на операционен усилвател, която смятате, че трябва да бъде включена в горната статия, моля, не се колебайте да ги споменете в коментарите си по-долу.
