Úvod do operačních zesilovačů: 7 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

V tomto Instructable uvedu úvod do operačního zesilovače, jednoho z nejužitečnějších analogových zařízení. Toto zařízení může být konfigurováno jako neinvertující nebo invertující zesilovač, komparátor, napěťový zesilovač, součtový zesilovač, přístrojový zesilovač, vyrovnávací paměť, aktivní filtr, oscilátor Wien Bridge a mnoho dalších aplikací. Operační zesilovač je dodáván v různých konfiguracích, jako je výše uvedený jeden 8pinový DIP LM741 nebo 14pinový čtyřpólový zesilovač LM324. Existují také typy, které se dodávají ve variantách pro povrchovou montáž.

Krok 1: Co je operační zesilovač?

Operační zesilovač, který je ve zkratce známý také jako operační zesilovač, je stejnosměrný vysokonapěťový zesilovač spojený s integrovaným čipem IC. Mají dva vstupy (diferenciální vstup) a jeden výstup. Používají se jako stavební bloky v analogové elektronice od doby, kdy první zařízení vyšla na konci 60. let. Jednou z krás těchto zařízení je, že podstatně zjednodušily elektronický design z povahy jejich standardizace. Navrhování zesilovačů s diskrétními součástmi si vyžádalo mnoho vylepšení kvůli rozdílům mezi aktivními zařízeními. Pokud jsou všechny zesilovače postaveny ze stejné křemíkové matrice, mohou být všechny vyrobeny stejně a mají stejné vlastnosti. Při návrhu s operačními zesilovači lze dosáhnout konkrétního zisku pro zařízení instalací dvou externích odporů se specifickým poměrem odporu. Pokud je například požadováno zesílení napětí 100, mohl by být do obvodu vložen odpor 100k a odpor 1k, aby byl získán poměr 100. Pomocí této strategie je zisk pokaždé stejný. Nejpopulárnějším operačním zesilovačem všech dob je 741, který existuje od počátku 70. let a používají ho generace fandů ve všem, od audio zesilovačů po napájecí zdroje. 741 nebyl průmyslem používán mnoho let, protože byly vyvinuty lepší operační zesilovače, ale mezi fandy stále mají příznivce a snadno se získávají. První zařízení vyšla buď ve stylu 8pinového dvojitého řadového balení, nebo v kruhové kovové plechovce. Později byla k dispozici zařízení pro povrchovou montáž. 741 a další operační zesilovače jeho vinobraní používaly bipolární tranzistory se zařízeními využívajícími tranzistorové vstupy s efektem pole, které vyšly později. Začaly se používat tranzistorové vstupy s efektem pole kvůli potřebě mít větší vstupní impedanci a nižší proudový odběr.

Krok 2: Neinvertující zesilovač

Neinvertující zesilovač je první obvod, který pokryjeme. Ve výše uvedeném diagramu je operační zesilovač zapojen tak, aby vstup směřoval na kladný vstup a odpor zpětné vazby šel na záporný vstup. Poměr Rf k Rg určuje zisk. V případě výše uvedeného obvodu je zesílení napětí 10. Diagram uprostřed omezení "skutečného světa" zesilovače 741, když je do vstupu přiváděna čtvercová vlna 10 kHz, ale vychází jako trojúhelníkový průběh v důsledku omezená rychlost přepínání zařízení. Když je vstup snížen na čtvercovou vlnu 1 kHz, výstup se zlepší a vypadá spíše jako skutečná čtvercová vlna. Měření schopnosti operačního zesilovače sledovat změny amplitudy vstupního signálu se nazývá „rychlost přeběhu“a měří se ve voltech na mikrosekundu. 741 má velmi krotké hodnocení na 0,5 voltů na mikrosekundu. Vysokorychlostní operační zesilovače mají hodnocení až 5 000 voltů za mikrosekundu, ačkoli typický typ, jako je TL081, bude mít průměrné hodnocení 13 voltů za mikrosekundu.

Krok 3: Invertující zesilovač

Operační zesilovač může být konfigurován takovým způsobem, že 1voltový negativní průběh vlny může být invertován a zesílen tak, aby poskytl 10voltový pozitivní průběh vlny. Použití této konfigurace může být kdekoli, kde je zapotřebí fázová změna, například v budicích fázích diskrétních tranzistorových zesilovačů.

Krok 4: Použití operačního zesilovače jako převodníku čtvercových vln na sinusové vlny

Výše uvedený obvod změní čtvercovou vlnu 1000 Hz na sinusovou vlnu 1000 Hz. Dělá to tak, že odfiltruje všechny frekvenční složky (harmonické) nad a pod základní, což je sinusová vlna. Namísto použití odporů ve zpětnovazebním obvodu používáme frekvenčně selektivní komponenty (kondenzátory), které poskytují negativní zpětnou vazbu pro zrušení nežádoucích frekvencí. Prostřední diagram ukazuje simulovaný skutečný obvod a vytvořený průběh. Třetí diagram ukazuje frekvenční odezvu obvodu. Technický název tohoto typu obvodu je aktivní pásmový filtr. Umožňuje procházet pouze velmi úzkým pásmem frekvencí, aniž by byl utlumen.

Krok 5: Použití operačního zesilovače jako komparátoru

Existují vyhrazené čipy, které jsou lepšími komparátory, ale někdy možná nemáte po ruce, takže je vždy užitečné vědět, jak vytvořit komparátor z operačního zesilovače. Rychlý přehled toho, co je komparátor, je to v podstatě operační zesilovač nastavený jako zesilovač bez zpětné vazby, což umožňuje zesilovači pracovat s maximálním ziskem. Když je jeden vstup svázán se specifickým napětím, jako jsou 3 volty zobrazené na schématu, obvod poskytne výstup, který je téměř maximálním napětím kolejnice, když jsou dva vstupy na stejném napětí. V případě výše uvedeného obvodu dává sinusová vlna 1 kHz výstup, když stoupne nad 3 volty, a znovu se přepne, když sinusová vlna klesne pod 3 volty. Komparátory se běžně používají v (ADC) a relaxačních oscilátorech.

Krok 6: Sestavení součtového zesilovače s operačním zesilovačem

Výše uvedený součtový zesilovač přijímá dva signály o frekvenci 1 kHz, jeden o špičce 10 mV na špičce a druhý o špičce na špičce 20 mV. Výsledný výkon je 60 mV od vrcholu k vrcholu. Protože je to invertující zesilovač, vydává signál opačné fáze.

Součtové zesilovače se používají ve směšovačích zvuku, kde je třeba sloučit různé vstupy. Přivedením signálů do potenciometrů lze signály měnit tak, aby poskytovaly požadovaný výstup.

Krok 7: Tři vstupní zvukový mixér

Tento obvod lze použít ke kombinaci dvou nástrojů a vokální stopy, podle potřeby lze přidat další vstupy. Každou vstupní úroveň lze nastavit nezávisle pomocí potenciometrů.