Wprowadzenie do wzmacniaczy operacyjnych: 7 kroków

2025 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2025-01-13 06:58

W tej instrukcji przedstawię wprowadzenie do wzmacniacza operacyjnego, jednego z najbardziej użytecznych urządzeń analogowych. Urządzenie to może być skonfigurowane jako wzmacniacz nieodwracający lub odwracający, komparator, wzmacniacz napięcia, wzmacniacz sumujący, wzmacniacz oprzyrządowania, bufor, filtr aktywny, oscylator mostkowy Wien oraz wiele innych zastosowań. Wzmacniacz operacyjny jest dostępny w różnych konfiguracjach, takich jak pojedynczy 8-pinowy DIP LM741 lub 14-pinowy poczwórny wzmacniacz operacyjny LM324 pokazany powyżej. Istnieją również typy, które występują w wariantach do montażu powierzchniowego.

Krok 1: Co to jest wzmacniacz operacyjny?

Wzmacniacz operacyjny, znany również w skrócie jako wzmacniacz operacyjny, jest wzmacniaczem napięciowym o wysokim wzmocnieniu ze sprzężeniem DC, wbudowanym w układ scalony. Posiadają dwa wejścia (wejście różnicowe) i jedno wyjście. Były używane jako klocki w elektronice analogowej od czasu pojawienia się pierwszych urządzeń pod koniec lat 60-tych. Jedną z zalet tych urządzeń jest to, że znacznie uprościły projektowanie elektroniczne dzięki charakterystyce ich standaryzacji. Projektowanie wzmacniaczy z dyskretnymi komponentami wymagało wielu poprawek ze względu na różnice między urządzeniami aktywnymi. Jeśli wszystkie wzmacniacze są zbudowane z tej samej matrycy krzemowej, wszystkie mogą być wykonane tak samo i mieć te same właściwości. Projektując ze wzmacniaczami operacyjnymi, określone wzmocnienie urządzenia można uzyskać, instalując dwa zewnętrzne rezystory o określonym współczynniku rezystancji. Na przykład, jeśli pożądane jest wzmocnienie napięciowe 100, rezystor 100k i rezystor 1k można umieścić w obwodzie, aby uzyskać stosunek 100. Stosując tę strategię, wzmocnienie jest za każdym razem takie samo. Najpopularniejszym wzmacniaczem operacyjnym wszech czasów jest 741, który istnieje od wczesnych lat 70-tych i jest używany przez pokolenia hobbystów we wszystkim, od wzmacniaczy audio po zasilacze. 741 nie był używany przez przemysł od wielu lat, ponieważ opracowano lepsze wzmacniacze operacyjne, ale wciąż mają zwolenników wśród hobbystów i są łatwe do zdobycia. Pierwsze urządzenia pojawiły się albo w 8-pinowej, podwójnej obudowie, albo w okrągłej metalowej puszce. Później pojawiły się urządzenia do montażu powierzchniowego. 741 i inne wzmacniacze operacyjne z jego rocznika wykorzystywały tranzystory bipolarne, a urządzenia wykorzystujące wejścia tranzystora polowego wychodziły później. Wejścia tranzystorów polowych zaczęto stosować ze względu na potrzebę większej impedancji wejściowej i mniejszego poboru prądu.

Krok 2: Wzmacniacz nieodwracający

Pierwszym obwodem, który omówimy, będzie wzmacniacz nieodwracający. Na powyższym schemacie wzmacniacz operacyjny jest podłączony do wejścia dodatniego, a rezystor sprzężenia zwrotnego do wejścia ujemnego. Wzmocnienie określa stosunek Rf do Rg. W przypadku powyższego układu wzmocnienie napięciowe wynosi 10. Wykres pośrodku ograniczenia „rzeczywistego świata” wzmacniacza operacyjnego 741, gdy na wejście podawana jest fala prostokątna 10 kHz, ale wychodzi jako przebieg trójkątny ze względu na ograniczona prędkość przełączania urządzenia. Gdy sygnał wejściowy jest obniżony do fali prostokątnej 1 kHz, wyjście poprawia się i wygląda bardziej jak prawdziwa fala prostokątna. Pomiar zdolności wzmacniacza operacyjnego do śledzenia zmian amplitudy sygnału wejściowego nazywa się „szybkością narastania” i jest mierzony w woltach na mikrosekundę. 741 ma bardzo oswojoną ocenę na poziomie 0,5 wolta na mikrosekundę. Szybkie wzmacniacze operacyjne mają wartości znamionowe sięgające 5000 woltów na mikrosekundę, chociaż typowy wzmacniacz, taki jak TL081, będzie miał średnią ocenę 13 woltów na mikrosekundę.

Krok 3: Wzmacniacz odwracający

Wzmacniacz operacyjny można skonfigurować w taki sposób, że ujemny przebieg o napięciu 1 V można odwrócić i wzmocnić w celu uzyskania fali o napięciu 10 V dodatniego. Zastosowania tej konfiguracji mogą być wszędzie tam, gdzie potrzebna jest zmiana fazy, na przykład w stopniach sterowania dyskretnych wzmacniaczy tranzystorowych.

Krok 4: Używanie wzmacniacza operacyjnego jako konwertera fali prostokątnej na sinusoidalną

Powyższy obwód zmieni falę prostokątną o częstotliwości 1000 Hz na falę sinusoidalną o częstotliwości 1000 Hz. Czyni to poprzez odfiltrowanie wszystkich składowych częstotliwości (harmonicznych) powyżej i poniżej podstawowej, która jest falą sinusoidalną. Zamiast używać rezystorów w obwodzie sprzężenia zwrotnego, używamy elementów selektywnych częstotliwościowo (kondensatorów), które zapewniają ujemne sprzężenie zwrotne w celu wyeliminowania niepożądanych częstotliwości. Środkowy diagram pokazuje rzeczywisty symulowany obwód i wytworzony przebieg. Trzeci diagram pokazuje odpowiedź częstotliwościową obwodu. Techniczna nazwa tego typu układu to aktywny filtr pasmowy. Pozwala na przejście tylko bardzo wąskiego pasma częstotliwości bez tłumienia.

Krok 5: Używanie wzmacniacza operacyjnego jako komparatora

Istnieją dedykowane chipy, które są lepszymi komparatorami, ale czasami możesz ich nie mieć pod ręką, więc zawsze warto wiedzieć, jak zrobić komparator z opampa. Szybki przegląd tego, czym jest komparator, jest to w zasadzie wzmacniacz operacyjny skonfigurowany jako wzmacniacz bez sprzężenia zwrotnego, pozwalający wzmacniaczowi działać z maksymalnym wzmocnieniem. Gdy jedno wejście jest powiązane z określonym napięciem, takim jak 3 wolty pokazane na schemacie, obwód da sygnał wyjściowy, który jest prawie maksymalnym napięciem szyny, gdy dwa wejścia mają to samo napięcie. W przypadku powyższego obwodu, fala sinusoidalna 1 kHz daje wyjście, gdy wzrośnie powyżej 3 woltów i przełącza się ponownie, gdy fala sinusoidalna spadnie poniżej 3 woltów. Komparatory są powszechnie stosowane w (ADC) i oscylatorach relaksacyjnych.

Krok 6: Budowanie wzmacniacza sumującego za pomocą wzmacniacza operacyjnego

Powyższy wzmacniacz sumujący przyjmuje dwa sygnały 1kHz, jeden 10mV międzyszczytowy, a drugi 20mV międzyszczytowy. Wynikowa moc wyjściowa wynosi 60 mV od szczytu do szczytu. Ponieważ jest to wzmacniacz odwracający, emituje sygnał o przeciwnej fazie.

Wzmacniacze sumujące są używane w mikserach audio, w których należy zsumować różne wejścia. Podając sygnały do potencjometrów, sygnały można zmieniać, aby uzyskać żądaną moc wyjściową.

Krok 7: Mikser audio z trzema wejściami

Ten obwód można wykorzystać do zmiksowania ze sobą dwóch instrumentów i ścieżki wokalnej, w razie potrzeby można dodać więcej wejść. Każdy poziom wejściowy można regulować niezależnie za pomocą potencjometrów.