I följande artikel diskuterar vi de viktigaste op amp parametrarna och de relaterade op amp grundläggande applikationskretsarna med ekvationer, för att lösa deras specifika komponentvärden.
Op-amps (operationsförstärkare) är en specialiserad typ av integrerad krets som inkluderar en direktkopplad, högförstärkare med en övergripande svarskarakteristik justerad av en återkoppling.
Op-ampen har fått sitt namn från det faktum att den kan utföra ett brett utbud av matematiska beräkningar. På grund av sin respons är en op-amp också känd som en linjär integrerad krets och är kärnkomponenten i många analoga system.
En op-förstärkare har en extraordinärt hög förstärkning (möjligen nära oändligheten), som kan justeras via en återkoppling. Tillägget av kondensatorer eller induktorer till återkopplingsnätverket kan resultera i förstärkning som ändras med frekvensen, vilket påverkar den integrerade kretsens övergripande drifttillstånd.
Som visas i figuren ovan är den grundläggande operationsförstärkaren en enhet med tre terminaler med två ingångar och en utgång. Ingångsterminalerna klassificeras som 'inverterande' eller 'icke-inverterande'.
Op Amp parametrar
När den levereras med lika ingångsspänningar är utgången från den ideala operationsförstärkaren, eller 'op amp', noll eller '0 volt'.
VIN 1 = VIN 2 ger VOUT = 0
Praktiska op-amps har en felaktigt balanserad ingång, vilket gör att ojämna förspänningsströmmar flyter genom ingångsterminalerna. För att balansera op amp-utgången måste en ingångsoffsetspänning tillhandahållas mellan de två ingångsterminalerna.
1) Ingångsförspänningsström
När utgången är balanserad eller när V UT = 0, ingångsförspänningsströmmen (I B ) är lika med hälften av den totala individuella strömmen som kommer in i de två ingångsanslutningarna. Det är ofta ett mycket litet antal; till exempel jag B = 100 nA är ett normalvärde.
2) Ingångsförskjutningsström
Skillnaden mellan varje enskild ström som når ingångsterminalerna är känd som ingångsoffsetströmmen (I detta ). Återigen är det ofta av extremt lågt värde; till exempel är ett vanligt värde I detta = 10 nA.
3) Ingångsoffsetspänning
För att hålla operationsförstärkaren balanserad måste en ingångsoffsetspänning V detta måste appliceras över ingångsterminalen. Vanligtvis värdet på V detta är = 1 mV.
Värden av I detta och V detta kan båda variera med temperaturen, och denna variation kallas I detta drift och V detta drift, respektive.
4) Strömförsörjningsförlustförhållande (PSRR)
Förhållandet mellan förändringen i ingångsförskjutningsspänningen och motsvarande förändring i strömförsörjningsspänningen är känt som strömförsörjningsförlustförhållandet, eller PSRR. Detta är ofta i intervallet 10 till 20 uV/V.
Ytterligare parametrar för op-amps som kan nämnas är:
5) Öppen slinga förstärkning/sluten slinga förstärkning
Förstärkning med öppen slinga hänvisar till en op-förstärkares förstärkning utan en återkopplingskrets, medan förstärkning med sluten slinga avser en op-förstärkares förstärkning med en återkopplingskrets. Det representeras vanligtvis som A d .
6) Common-mode rejection ratio (CMRR)
Detta är förhållandet mellan skillnadssignalen och common-mode-signalen och fungerar som ett mått på en differentialförstärkares prestanda. Vi använder decibel (dB) för att uttrycka detta förhållande.
7) Svänghastighet
Svänghastighet är den hastighet med vilken utspänningen från en förstärkare ändras under stora signalförhållanden. Det representeras med enheten V/us.
Op Amp Basic Application Circuits
I följande stycken kommer vi att lära oss om flera intressanta op amp grundkretsar. Var och en av de grundläggande designerna förklaras med formler för att lösa deras komponentvärden och funktioner.
FÖRSTÄRKARE ELLER BUFFERT
Kretsen för en inverterande förstärkare, eller en inverterare, kan ses i figur 1 ovan. Kretsens förstärkning ges av:
Av = - R2/R1
Observera att förstärkningen är negativ, vilket indikerar att kretsen fungerar som en fasinverterande spänningsföljare, om de två resistanserna är lika (dvs. R1 = R2). Utgången skulle vara identisk med ingången, med omvänd polaritet.
I verkligheten kan motstånden tas bort för enhetsförstärkning och ersättas med direkta bygelledningar, som visas i fig. 2 nedan.
Detta är möjligt eftersom R1 = R2 = 0 i denna krets. Typiskt tas R3 bort från den inverterande spänningsföljarkretsen.
Op amp-utgången kommer att förstärka insignalen om R1 är mindre än R2. Till exempel, om R1 är 2,2 K och R1 är 22 K, kan förstärkningen uttryckas som:
Av = - 22 000/2 200 = -10
Den negativa symbolen anger fasinversion. Ingångs- och utgångspolariteterna är omvända.
Genom att göra R1 större än R2 kan samma krets också dämpa (minska styrkan på) insignalen. Till exempel, om R1 är 120 K och R2 är 47 K, skulle kretsförstärkningen vara ungefär:
Av = 47 000/120 000 = - 0,4
Återigen är polariteten för utgången den omvända till den för ingången. Även om R3:s värde inte är särskilt viktigt, bör det vara ungefär lika med den parallella kombinationen av R1 och R2. Vilket är:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
För att visa detta, överväg vårt tidigare exempel, där R1 = 2,2 K och R2 = 22 K. R3:s värde i denna situation bör vara ungefär:
R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48 400 000/24 200 = 2 000 Ω
Vi kan välja det närmaste standardresistansvärdet för R3 eftersom det exakta värdet inte är nödvändigt. Ett 1,8 K eller ett 2,2 K motstånd skulle kunna användas i detta fall.
Fasinversionen som skapas av kretsen i fig. 2 är kanske inte acceptabel i flera situationer. För att använda op-amp som en icke-inverterande förstärkare (eller som en enkel buffert), anslut den enligt illustrationen i Fig. 3 nedan.
Förstärkningen i denna krets uttrycks enligt följande:
Av = 1 + R2/R1
Utgången och ingången har samma polaritet och är i fas.
Tänk på att förstärkningen alltid måste vara minst 1 (enhet). Det är inte möjligt att dämpa (minska) signaler med en icke-inverterande krets.
Förstärkningen av kretsen kommer att vara jämförelsevis starkare om R2-värdet är betydligt större än R1. Till exempel, om R1 = 10 K och R2 = 47 K, blir förstärkningen för op-förstärkaren enligt nedan:
Av = 1 + 470 000/10 000 = 1 + 47 = 48
Men om R1 är betydligt större än R2 kommer förstärkningen bara att vara något mer än enhet. Till exempel, om R1 = 100 K och R2 = 22 K, skulle förstärkningen vara:
Av = 1 + 22 000/100 000 = 1 + 0,22 = 1,22
Om de två motstånden är identiska (R1 = R2), skulle förstärkningen alltid vara 2. För att övertyga dig själv om detta, prova förstärkningsekvationen i några scenarier.
En specifik situation är när båda resistanserna är inställda på 0. Med andra ord, som framgår av fig. 4 nedan, används direkta anslutningar i stället för motstånden.
Vinsten är exakt en i det här fallet. Detta överensstämmer med förstärkningsformeln:
Av = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1
Ingången och utgången är identiska. Tillämpningar för denna icke-inverterande spänningsföljarkrets inkluderar impedansmatchning, isolering och buffert.
ADDER (Summering Amplifier)
Ett antal inspänningar skulle kunna läggas till med en operationsförstärkare. Som illustreras i fig. 5 nedan, matas insignalerna V1, V2,...Vn till operationsförstärkaren via motstånden R1, R2,...Rn.
Dessa signaler kombineras sedan för att producera utsignalen, som är lika med summan av insignalerna. Följande formel kan användas för att beräkna op-förstärkarens verkliga prestanda som en adderare:
VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))
Se den negativa symbolen. Detta betyder att utgången har inverterats (polariteten är omvänd). Med andra ord är denna krets en inverterande adderare.
Kretsen kan ändras för att fungera som en icke-inverterande adderare genom att koppla om anslutningarna till op-förstärkarens inverterande och icke-inverterande ingångar, som illustreras i fig. 6 nedan.
Utgångsekvationen skulle kunna göras enklare genom att anta att alla ingångsmotstånd har identiska värden.
VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)
DIFFERENTIAL FÖRSTÄRKARE
Fig. 7 ovan visar grundkretsen för en differentialförstärkare. Komponentvärdena är inställda så att R1 = R2 och R3 = R4. Därför kan kretsens prestanda beräknas med hjälp av följande formel:
VOUT = VIN 2 - VIN 1
Bara så länge op-förstärkaren kan acceptera att ingångarna 1 och 2 har olika impedans (ingång 1 har en impedans på R1 och ingång 2 har en impedans på R1 plus R3).
ADVISARE/SUBTRAKTOR
Figur 8 ovan visar konfigurationen för en op amp adderare/subtraktionskrets. Om R1 och R2 har identiska värden och R3 och R4 är inställda på samma värden, då:
VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)
Med andra ord, Vout = V3 + V4 är summan av V3- och V4-ingångarna medan det är subtraktionen av V1- och V2-ingångarna. Värdena för R1, R2, R3 och R4 är valda för att matcha op-förstärkarens egenskaper. R5 ska vara lika med R3 och R4, och R6 ska vara lika med R1 och R2.
MULTIPLIKATOR
Enkla multiplikationsoperationer kan utföras med kretsen som visas i fig. 9 ovan. Tänk på att detta är samma krets som i Fig. 1. För att uppnå en konsekvent förstärkning (och därefter en multiplikation av inspänningen i förhållandet R2/R1) och exakta resultat, precisionsmotstånd med de föreskrivna värdena för R1 och R2 borde användas. Noterbart är att utgångsfasen inverteras av denna krets. Spänningen vid utgången kommer att vara lika med:
VOUT = - (VIN x Off)
där Av är förstärkningen, bestämd av R1 och R2. VOUT och VIN är utgångs- och inspänningarna, respektive.
Som framgår av fig. 10 ovan kan multiplikationskonstanten ändras om R2 är ett variabelt motstånd (potentiometer). Runt kontrollaxeln kan man montera en kalibreringsskiva med märken för olika vanliga förstärkningar. Multiplikationskonstanten kan avläsas direkt från denna ratt med hjälp av en kalibrerad avläsning.
INTEGRATOR
En op-amp kommer åtminstone teoretiskt att fungera som en integrator när den inverterande ingången är kopplad till utgången via en kondensator.
Som indikeras i fig. 11 ovan måste ett parallellmotstånd anslutas över denna kondensator för att bibehålla DC-stabilitet. Denna krets implementerar följande förhållande för att integrera insignal:
R2:s värde bör väljas för att matcha op amp parametrarna, så att:
VOUT = R2/R1 x VIN
DIFFERENTIATOR
Differentiatorns op amp-krets inkluderar en kondensator i ingångsledningen som ansluter till den inverterande ingången och ett motstånd som ansluter denna ingång till utgången. Denna krets har emellertid tydliga gränser, därför skulle en föredragen uppställning vara att parallellkoppla motståndet och kondensatorn såsom illustreras i fig. 12 ovan.
Följande ekvation avgör hur väl denna krets fungerar:
VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt
LOG FÖRSTÄRKARE
Grundkretsen (fig. 13 ovan) använder en NPN-transistor och en op-amp för att generera en utgång som är proportionell mot ingångens logg:
VOUT = (- k log 10 ) FRI/FRI O
Den 'inverterade' kretsen, som fungerar som en grundläggande anti-loggförstärkare, avbildas i det nedre diagrammet. Typiskt är kondensatorn av lågt värde (t.ex. 20 pF).
LJUDförstärkare
En op-förstärkare är i huvudsak en likströmsförstärkare men kan också användas för växelströmstillämpningar. En enkel ljudförstärkare visas i figur 14 ovan.
LJUDBLANDARE
En modifiering av ljudförstärkaren visas i denna krets (fig. 15 ovan). Du kan se hur den liknar adderkretsen i fig. 5. De olika insignalerna blandas eller slås samman. Varje ingångssignals ingångspotentiometer möjliggör nivåjustering. De relativa proportionerna av de olika insignalerna i utgången kan alltså justeras av användaren.
SIGNAL SPLITTER
Signaldelarkretsen som visas i fig. 16 ovan är precis motsatsen till en mixer. En enda utsignal är uppdelad i flera identiska utgångar som matar olika ingångar. De multipla signallinjerna separeras från varandra med hjälp av denna krets. För att justera den erforderliga nivån har varje utgångslinje en separat potentiometer.
SPÄNNING TILL STRÖM OMVERKARE
Kretsen som presenteras i fig. 17 ovan kommer att få belastningsimpedansen R2 och R1 att uppleva samma strömflöde.
Denna ströms värde skulle vara proportionell mot insignalens spänning och oberoende av belastningen.
På grund av den höga ingångsresistansen som tillhandahålls av den icke-inverterande terminalen kommer strömmen att vara av relativt lågt värde. Denna ström har ett värde som är direkt proportionellt mot VIN/R1.
STRÖM TILL SPÄNNING OMVERKARE
Om utgångsspänningen är lika med IIN x R2 och designen (fig. 18 ovan) används, kan insignalströmmen flyta rakt via återkopplingsmotståndet R2.
För att uttrycka det på ett annat sätt, omvandlas inströmmen till en proportionell utspänning.
Förspänningskretsen som skapas vid den inverterande ingången sätter en nedre gräns för strömflödet, vilket förhindrar ström från att passera genom R2. För att eliminera 'brus' kan en kondensator läggas till denna krets som illustreras i figuren.
NUVARANDE KÄLLA
Ovanstående figur 19 visar hur en op-förstärkare kan användas som en strömkälla. Motståndsvärdena kan beräknas med hjälp av följande ekvationer:
R1 = R2
R3 = R4 + R5
Utströmmen kan utvärderas med följande formel:
Iout = (R3 x VIN) / (R1 x R5)
MULTIVIBRATOR
Du kan anpassa en op-förstärkare för att använda som en multivibrator. Fig. 20 ovan visar två grundläggande kretsar. Designen längst upp till vänster är en frigående (stabil) multivibrator, vars frekvens styrs av:
En monostabil multivibratorkrets som kan aktiveras av en fyrkantsvågspulsingång kan ses i det nedre högra diagrammet. De angivna komponentvärdena är för en CA741 operationsförstärkare.
KVADRAT VÅGGENERATOR
Fig. 21 ovan visar en funktionell fyrkantvågsgeneratorkrets centrerad kring en operationsförstärkare. Denna fyrkantvågsgeneratorkrets kan möjligen vara den mest enkla. Det behövs bara tre externa motstånd och en kondensator utöver själva op-förstärkaren.
De två huvudelementen som bestämmer kretsens tidskonstant (utgångsfrekvens) är motståndet R1 och kondensatorn C1. Men den R2- och R3-baserade positiva återkopplingsanslutningen har också en inverkan på utfrekvensen. Även om ekvationer ofta är något komplicerade, kan de göras enklare för särskilda R3/R2-förhållanden. Som illustration:
Om R3/R2 ≈ 1,0 så F ≈ 0,5/(R1/C1)
eller,
Om R3/R2 ≈ 10 så F ≈ 5/(R1/C1)
Den mest praktiska metoden är att använda ett av dessa standardförhållanden och ändra värdena för R1 och C1 för att uppnå den erforderliga frekvensen. För R2 och R3 kan konventionella värden användas. Till exempel kommer R3/R2-förhållandet att vara 10 om R2 = 10K och R3 = 100K, alltså:
F = 5/(R1/C1)
I de flesta fall är vi redan medvetna om den nödvändiga frekvensen, och vi behöver bara välja lämpliga komponentvärden. Den enklaste metoden är att först välja ett C1-värde som verkar rimligt och sedan ordna om ekvationen för att hitta R1:
R1 = 5/(F x C1)
Låt oss titta på ett typiskt exempel på 1200 Hz frekvens vi letar efter. Om C1 är ansluten till en 0,22uF kondensator, bör R1 ha värdet som visas i följande formel:
R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω
Ett typiskt 18K-motstånd kan användas i de flesta applikationer. En potentiometer kan läggas till i serie med R1 för att öka användbarheten och anpassningsförmågan hos denna krets, såsom illustreras i fig. 22 nedan. Detta gör det möjligt att manuellt justera utfrekvensen.
För denna krets används samma beräkningar, men R1:s värde ändras för att matcha seriekombinationen av det fasta motståndet R1a och det justerade värdet på potentiometern R1b:
R1 = Rla + Rlb
Det fasta motståndet sätts in för att säkerställa att värdet på R1 aldrig sjunker till noll. Området för utfrekvenser bestäms av det fasta värdet på R1a och det högsta motståndet på R1b.
GENERATOR MED VARIABEL PULSBRID
En fyrkantsvåg är helt symmetrisk. Fyrkantvågssignalens arbetscykel definieras som förhållandet mellan högnivåtid och total cykeltid. Fyrkantsvågor har en 1:2 arbetscykel per definition.
Med bara två komponenter till kan fyrkantvågsgeneratorn från föregående avsnitt omvandlas till en rektangelvågsgenerator. Fig. 23 ovan visar den uppdaterade kretsen.
Diod D1 begränsar passagen av ström via R4 vid negativa halvcykler. R1 och C1 utgör tidskonstanten som uttrycks i följande ekvation:
T1 = 5/(2C1 x R1)
Men på positiva halvcykler tillåts dioden att leda, och den parallella kombinationen av R1 och R4 tillsammans med C1 definierar tidskonstanten, som visas i följande beräkning:
T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))
Den totala cykellängden är bara summan av de två halvcykeltidskonstanterna:
Tt = T1 + T2
Utgångsfrekvensen är inversen av den totala tidskonstanten för hela cykeln:
F = 1/Tt
Här kommer arbetscykeln inte att vara lika med 1:2 eftersom tidskonstanten för hög- och lågnivåsektionerna av cykeln kommer att skilja sig åt. Asymmetriska vågformer kommer att produceras som ett resultat. Det är möjligt att göra R1 eller R4 justerbara, eller till och med båda, men var medveten om att det skulle ändra både utfrekvensen och arbetscykeln.
SINUSVÅGOSSCILLATOR
Sinusvågen, som visas i fig. 24 nedan, är den mest grundläggande av alla AC-signaler.
Det finns absolut inget harmoniskt innehåll i denna extremt rena signal. Det finns bara en grundfrekvens i en sinusvåg. Det är faktiskt ganska svårt att skapa en helt ren, distorsionsfri sinusvåg. Tack och lov, med hjälp av en oscillatorkrets byggd kring en op-amp, kan vi komma ganska nära en optimal vågform.
Fig. 25 ovan visar en konventionell sinusvågoscillatorkrets som innefattar en op-amp. En tvilling-T-krets som tjänar som ett bandavvisande (eller notch-) filter fungerar som återkopplingsnätverket. Kondensatorn Cl och motstånden R1 och R2 utgör den ena T. C2, C3, R3 och R4 utgör den andra T. Schemat har det omvänt. Komponentvärdena måste ha följande relationer för att denna krets ska fungera korrekt:
Följande formel bestämmer utfrekvensen:
F = 1/(6,28 x R1 x C2)
Genom att ändra R4:s värde kan justeringen av tvilling-T-återkopplingsnätverket justeras något. Vanligtvis kan detta vara en liten trimmerpotentiometer. Potentiometern ställs in på sitt högsta motstånd och reduceras sedan gradvis tills kretsen precis svävar på gränsen till svängning. Utgående sinusvåg kan skadas om motståndet justeras för lågt.
SCHMITT TRIGGER
Tekniskt sett kan en Schmitt-trigger hänvisas till som en regenerativ komparator. Dess primära funktion är att omvandla en inspänning som långsamt förändras till en utsignal, vid en viss inspänning.
För att uttrycka det på ett annat sätt, den har en 'backlash'-egenskap som kallas hysteres som fungerar som en spännings-'trigger'. Op-förstärkaren blir den grundläggande byggstenen för Schmitt-triggerfunktionen (se fig. 26 ovan). Följande faktorer bestämmer triggnings- eller utlösningsspänningen:
I resa = (V ut x R1) / (-R1 + R2)
I denna typ av krets är hysteresen dubbelt så stor som utlösningsspänningen.
I fig. 27 nedan visas en annan Schmitt-triggerkrets. I denna krets sägs utgången vara 'triggad' när likströmsingången träffar ungefär en femtedel av matningsspänningen.
Matningsspänningen kan vara någonstans mellan 6 och 15 volt, därför kan utlösaren ställas in på 1,2 till 3 volt beroende på den valda matningsspänningen. Vid behov kan den faktiska utlösningspunkten också ändras genom att ändra värdet på R4.
Utgången blir densamma som matningsspänningen så snart den utlöses. Om utgången är ansluten till en glödlampa eller lysdiod (genom ett serieförkopplingsmotstånd) kommer lampan (eller lysdioden) att tändas när inspänningen når utlösningsvärdet, vilket indikerar att denna exakta spänningsnivå har uppnåtts vid ingången.
Avslutar
Så dessa var några op amp grundläggande kretsar med deras parametrar förklarade. Hoppas du har förstått alla egenskaper och formler relaterade till en op-förstärkare.
Om du har någon annan grundläggande op-förstärkarkretsdesign som du tror måste inkluderas i ovanstående artikel, vänligen nämn dem genom dina kommentarer nedan.
