Introduktion till operationsförstärkare: 7 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

I denna instruktionsbok kommer jag att ge en introduktion till operationsförstärkaren, en av de mest användbara av analoga enheter. Denna enhet kan konfigureras som en icke-inverterande eller inverterande förstärkare, en komparator, spänningsförstärkare, summeringsförstärkare, instrumentförstärkare, buffert, aktivt filter, Wien-bryggoscillator plus många andra applikationer. Opampen kommer i olika konfigurationer, till exempel den enda LM741 8 -stifts DIP eller LM324 14 -stifts quad op -förstärkaren som visas ovan. Det finns också typer som finns i ytmonteringsvarianter.

Steg 1: Vad är en operationsförstärkare?

Operationsförstärkaren, som också är känd för kort som en op-amp, är en DC-kopplad högförstärkningsspänningsförstärkare, inkorporerad i ett IC-chip. De har två ingångar (differentialingång) och en utgång. De har använts som byggstenar i analog elektronik sedan de första enheterna kom ut i slutet av 1960 -talet. En av dessa skönheter är att de kraftigt förenklat elektronisk design genom sin standardisering. Att designa förstärkare med diskreta komponenter innebar en hel del tweaking på grund av skillnaderna mellan aktiva enheter. Om förstärkare alla är byggda av samma kiseldys, kan de alla göras samma och ha samma egenskaper. Vid design med driftförstärkare kan en specifik förstärkning för enheten erhållas genom att installera två externa motstånd med ett specifikt motståndsförhållande. Till exempel, om en spänningsförstärkning på 100 önskas, kan ett 100k -motstånd och ett 1k -motstånd sättas i kretsen för att få ett förhållande på 100. Med denna strategi är förstärkningen densamma varje gång. Den mest populära op-amp genom tiderna är 741 som har funnits sedan början av 70-talet och har använts av generationer av hobbyister inom allt från ljudförstärkare till strömförsörjning. 741 har inte använts av industrin på många år eftersom bättre op-förstärkare har utvecklats, men de har fortfarande en följd bland hobbyister och är lätta att få tag på. De första enheterna kom ut i antingen en 8 -stifts dubbel inline -paketstil eller en cirkulär metallburk. Senare blev ytmonterade enheter tillgängliga. 741 och andra op-förstärkare i sin vintage använde bipolära transistorer med enheter som använder fälteffekttransistoringångar som kommer ut senare. Fälteffekttransistoringångar började användas på grund av behovet av att ha större ingångsimpedans och lägre strömavlopp.

Steg 2: Den icke-inverterande förstärkaren

Den icke-inverterande förstärkaren är den första kretsen vi kommer att täcka. I diagrammet ovan är op -förstärkaren ansluten med ingången till den positiva ingången med återkopplingsmotståndet till den negativa ingången. Förhållandet mellan Rf och Rg bestämmer förstärkningen. I fallet med kretsen ovan är spänningsförstärkningen 10. Diagrammet i mitten "verkliga världens" begränsningar för 741 op -förstärkaren när en 10 kHz fyrkantvåg matas in i ingången men kommer ut som en triangulär vågform p.g.a. enhetens begränsade kopplingshastighet. När ingången sänks till en kvadratvåg på 1 kHz förbättras utmatningen och ser mer ut som en riktig fyrkantvåg. Mätningen av opförstärkarens förmåga att följa insignalens förändringar i amplitud kallas "Slew Rate" och mäts i volt per mikrosekund. 741 har ett mycket tamt betyg på.5 volt per mikrosekund. Höghastighets op-förstärkare har en effekt så hög som 5000 volt per mikrosekund, även om en typisk som TL081 kommer att ha ett genomsnittligt betyg på 13 volt per mikrosekund.

Steg 3: Inverteringsförstärkaren

Opampen kan konfigureras på ett sådant sätt att en 1-volts negativgående vågform kan inverteras och förstärkas för att ge en 10-volts positiv gåvågform. Användningar för denna konfiguration kan vara var som helst en fasändring behövs, till exempel i drivsteg för diskreta transistorförstärkare.

Steg 4: Använda en op -förstärkare som en kvadratisk våg till sinusomvandlare

Kretsen ovan kommer att ändra en 1000 Hz fyrkantvåg till en 1000 Hz sinusvåg. Det gör detta genom att filtrera bort alla frekvenskomponenter (övertoner) ovanför och under det grundläggande, vilket är en sinusvåg. Istället för att använda motstånd i återkopplingskretsen använder vi frekvensselektiva komponenter (kondensatorer) som ger negativ feedback för att avbryta de oönskade frekvenserna. Det mellersta diagrammet visar den faktiska kretsen som simuleras och vågformen som produceras. Det tredje diagrammet visar kretsens frekvenssvar. Det tekniska namnet på denna kretstyp är ett aktivt bandpassfilter. Det tillåter endast ett mycket smalt frekvensband att passera utan att dämpas.

Steg 5: Använda en op -förstärkare som komparator

Det finns dedikerade marker som är bättre jämförare, men ibland kanske du inte har en till hands, så det är alltid bra att veta hur man gör en komparator av en opamp. En snabb genomgång av vad en komparator är, det är i grunden en opamp som är inrättad som en förstärkare utan återkoppling, så att förstärkaren kan fungera med sin maximala förstärkning. När en ingång är bunden till en specifik spänning, till exempel de 3 volt som visas på diagrammet, kommer kretsen att ge en utgång som är nästan den maximala skenspänningen när de två ingångarna har samma spänning. I fallet med kretsen ovan ger en sinusvåg på 1 kHz en utgång när den stiger över 3 volt och växlar igen när sinusvågan går under 3 volt. Jämförare används vanligen i (ADC) och relaxationsoscillatorer.

Steg 6: Bygga en summeringsförstärkare med en Opamp

Summeringsförstärkaren ovan tar in två 1 kHz -signaler, en med 10 mV topp till topp och en annan på 20 mV topp till topp. Den resulterande effekten är 60 mV topp till topp. Eftersom det är en inverterande förstärkare, sätter den ut en signal om motsatt fas.

Summing förstärkare används i ljudmixer där olika ingångar måste läggas ihop. Genom att mata in signaler i potentiometrar kan signalerna varieras för att ge önskad utgång.

Steg 7: Ljudblandare med tre ingångar

Denna krets kunde användas för att blanda ihop två instrument och ett sångspår, fler ingångar kunde läggas till efter behov. Varje ingångsnivå kan justeras oberoende med potentiometrarna.