Introduktion til operationsforstærkere: 7 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

I denne instruktionsbog vil jeg give en introduktion til operationsforstærkeren, en af de mest nyttige analoge enheder. Denne enhed kan konfigureres som en ikke-inverterende eller inverterende forstærker, en komparator, spændingsforstærker, summeringsforstærker, instrumentforstærker, buffer, aktivt filter, Wien-brooscillator plus mange andre applikationer. Opampen kommer i forskellige konfigurationer, såsom den enkelte LM741 8 -pin DIP eller LM324 14 -pin quad op -forstærkeren vist ovenfor. Der er også typer, der findes i overflademonteringsvarianter.

Trin 1: Hvad er en operationsforstærker?

Driftsforstærkeren, der også er kendt for kort som en op-amp, er en DC-koblet højforstærker spændingsforstærker, inkorporeret i en IC-chip. De har to indgange (differentialindgang) og en udgang. De har været brugt som byggesten i analog elektronik, siden de første enheder kom ud i slutningen af 1960'erne. En af skønhederne ved disse enheder er, at de i høj grad forenklet elektronisk design på grund af deres standardisering. Design af forstærkere med diskrete komponenter involverede en masse justeringer på grund af forskellene mellem aktive enheder. Hvis forstærkere alle er bygget af den samme siliciumform, kan de alle laves ens og have de samme egenskaber. Ved design med driftsforstærkere kan en specifik forstærkning for enheden opnås ved at installere to eksterne modstande med et specifikt modstandsforhold. For eksempel, hvis en spændingsforstærkning på 100 ønskes, kan en 100k modstand og en 1k modstand sættes i kredsløbet for at opnå et forhold på 100. Ved hjælp af denne strategi er forstærkningen den samme hver gang. Den mest populære op-amp nogensinde er 741, som har eksisteret siden begyndelsen af 70'erne og er blevet brugt af generationer af hobbyfolk inden for alt fra lydforstærkere til strømforsyninger. 741 har ikke været brugt af industrien i mange år, fordi der er blevet udviklet bedre op-forstærkere, men de har stadig en følge blandt hobbyfolk og er lette at få fat på. De første enheder udkom enten i en 8 -pins dobbelt inline pakkeform eller en cirkulær metaldåse. Senere blev overflademonteringsenheder tilgængelige. 741 og andre op-forstærkere i sin årgang brugte bipolare transistorer med enheder, der brugte felteffekttransistorindgange, der kommer ud senere. Felteffekttransistorindgange begyndte at blive brugt på grund af behovet for at have større indgangsimpedans og lavere strømafløb.

Trin 2: Den ikke-inverterende forstærker

Den ikke-inverterende forstærker er det første kredsløb, vi vil dække. I diagrammet ovenfor er op -forstærkeren forbundet med indgangen til den positive indgang med feedback -modstanden til den negative indgang. Forholdet mellem Rf og Rg bestemmer forstærkningen. I tilfælde af ovenstående kredsløb er spændingsforstærkningen 10. Diagrammet i midten "virkelige verden" -begrænsningerne for 741 op -forstærkeren, når en firkantbølge på 10 kHz føres ind i indgangen, men kommer ud som en trekantet bølgeform pga. enhedens begrænsede koblingshastighed. Når input sænkes til en 1 kHz firkantbølge, forbedres output og ligner mere en rigtig firkantbølge. Målingen af op-forstærkerens evne til at følge indgangssignalets ændringer i amplitude kaldes "Slew Rate" og måles i volt pr. Mikrosekund. 741 har en meget tam rating på.5 volt pr. Mikrosekund. Højhastigheds op-forstærkere har vurderinger helt op til 5000 volt pr. Mikrosekund, selvom en typisk en som TL081 vil have en gennemsnitlig vurdering på 13 volt pr. Mikrosekund.

Trin 3: Den inverterende forstærker

Opampen kan konfigureres på en sådan måde, at en 1-volt negativ bølgeform kan vendes og forstærkes for at give en 10-volts positiv bølgeform. Anvendelser til denne konfiguration kan være hvor som helst en faseændring er nødvendig, f.eks. I driverstadierne af diskrete transistorforstærkere.

Trin 4: Brug af en op -forstærker som en firkantet bølge til sinus -omformer

Ovenstående kredsløb ændrer en kvadratbølge på 1000 Hz til en sinusbølge på 1000 Hz. Det gør det ved at filtrere alle frekvenskomponenter (harmoniske) over og under det fundamentale, som er en sinusbølge. I stedet for at bruge modstande i feedback -kredsløbet bruger vi frekvensselektive komponenter (kondensatorer), der giver negativ feedback for at annullere de uønskede frekvenser. Det midterste diagram viser det faktiske kredsløb simuleret og den producerede bølgeform. Det tredje diagram viser kredsløbets frekvensrespons. Det tekniske navn for denne type kredsløb er et aktivt båndpasfilter. Det tillader kun et meget smalt frekvensbånd at passere uden at blive dæmpet.

Trin 5: Brug af en op -forstærker som komparator

Der er dedikerede chips, der er bedre komparatorer, men nogle gange har du måske ikke en ved hånden, så det er altid nyttigt at vide, hvordan man laver en komparator ud af en opamp. En hurtig gennemgang af, hvad en komparator er, det er dybest set en opamp, der er konfigureret som en forstærker uden feedback, så forstærkeren kan fungere ved sin maksimale forstærkning. Når en indgang er bundet til en bestemt spænding, såsom de 3 volt, der er vist på diagrammet, vil kredsløbet give et output, der er næsten den maksimale skinnespænding, når de to indgange har samme spænding. I tilfælde af ovenstående kredsløb giver en sinusbølge på 1 kHz et output, når det stiger over 3 volt og skifter igen, når sinusbølgen går under 3 volt. Komparatorer bruges almindeligvis i (ADC'er) og afslapningsoscillatorer.

Trin 6: Opbygning af en summeringsforstærker med en opamp

Summeringsforstærkeren ovenfor tager to 1 kHz -signaler ind, en på 10 mV top til top og en anden på 20 mV top til top. Den resulterende effekt er 60 mV fra top til top. Da det er en inverterende forstærker, udsender det et signal om modsat fase.

Summende forstærkere bruges i lydmixere, hvor forskellige input skal tilføjes. Ved at indføre signaler i potentiometre kan signalerne varieres for at give det ønskede output.

Trin 7: Three Input Audio Mixer

Dette kredsløb kunne bruges til at blande to instrumenter og et vokalspor, flere input kunne tilføjes efter behov. Hvert inputniveau kan justeres uafhængigt med potentiometrene.