Pochopenie operačných zosilňovačov: princípy, rovnice a aplikácie

Operačné zosilňovače alebo operačné zosilňovače sú kľúčovými stavebnými kameňmi v analógovej elektronike.Zosilňujú, porovnávajú alebo spracovávajú elektrické signály s vysokou presnosťou.Tento článok vysvetľuje hlavné typy, základné parametre a dôležité vzorce, ktoré popisujú, ako fungujú operačné zosilňovače.Od invertujúcich a neinvertujúcich obvodov až po integrátory a diferenciátory sa zaoberá tým, ako tieto zosilňovače tvarujú dôležité signály.

Katalóg

Obrázok 1. Operačné zosilňovače

Čo sú to operačné zosilňovače?

Operačný zosilňovač (Op-Amp) je integrovaný obvod používaný na zosilnenie alebo úpravu elektrických signálov v analógových systémoch.Má dva vstupné kolíky, jeden invertujúci (–) a jeden neinvertujúci (+) a jeden výstup, ktorý poskytuje zosilnenú verziu rozdielu napätia medzi nimi.Vo vnútri čipu tranzistory a rezistory spolupracujú na vytváraní veľmi vysokého zisku a citlivosti, čo umožňuje aj malé zmeny na vstupe, aby vytvorili viditeľné odchýlky výstupu.V obvodoch v reálnom svete sa pridáva spätná väzba na ovládanie zosilnenia a tým, že zosilňovač je stabilný a presný.Zatiaľ čo sa predpokladá, že ideálne operačné zosilňovače majú nekonečný zisk a žiadne vnútorné straty, praktické operačné zosilňovače sú navrhnuté tak, aby fungovali efektívne v rámci limitov.Kvôli svojej presnosti a flexibilite sú operačné zosilňovače široko používané v audio zosilňovačoch, filtroch, komparátoroch, senzoroch a obvodoch na úpravu signálu pre úlohy, ako je zosilnenie napätia, filtrovanie šumu a tvarovanie kriviek v každodenných elektronických zariadeniach a riadiacich systémoch.

Formy operačného zosilňovača

Operačný zosilňovač (op-amp) možno považovať za ideálny a dôležitý dvoma spôsobmi.

Funkcia	Ideálne Op-Amp	Praktické Op-Amp
Zisk v otvorenej slučke	Nekonečné	Veľmi vysoká (10⁵–10⁶)
Vstupná impedancia	Nekonečné	Vysoká (MΩ–GΩ)
Výstupná impedancia	nula	Nízka (desiatky Ω)
Šírka pásma	Nekonečné	Obmedzené
Slew Rate	Nekonečné	Konečný
Offsetové napätie	nula	Malé (µV–mV)

Základná charakteristika a terminológia operačného zosilňovača

Obrázok 2. Základná charakteristika Op-Amp a terminológia

Operačné zosilňovače (operačné zosilňovače) sú opísané niekoľkými charakteristikami, ktoré definujú, ako fungujú v elektronických obvodoch.Pochopenie týchto pojmov pomáha pri výbere správneho operačného zosilňovača pre konkrétnu aplikáciu.

Vstupné offsetové napätie: Malé nežiaduce napätie, ktoré sa objaví na vstupných svorkách, aj keď by oba vstupy mali mať rovnaký potenciál.Spôsobuje miernu výstupnú chybu a predstavuje, ako je zosilňovač interne „vyvážený“.

Vstupný prúd predpätia: Malé množstvo prúdu, ktoré prúdi do vstupných svoriek na ovládanie vnútorných tranzistorov.Nižší prúd predpätia znamená vyššiu presnosť vstupu.

Vstupná impedancia: Odpor videný vstupným signálom.Vysoká vstupná impedancia zaisťuje, že operačný zosilňovač nezaťažuje ani neruší zdroj signálu.

Výstupná impedancia: Odpor na výstupnej svorke.Nízka výstupná impedancia umožňuje operačnému zosilňovaču efektívne riadiť iné obvody alebo záťaže.

Zisk v otvorenej slučke (AOL): Napäťové zosilnenie operačného zosilňovača bez spätnej väzby.Zvyčajne je veľmi veľký a určuje, ako citlivý je zosilňovač na vstupné rozdiely.

Šírka pásma: Rozsah frekvencií, v ktorých môže operačný zosilňovač efektívne zosilňovať signály.Širšia šírka pásma umožňuje rýchlejšiu a presnejšiu odozvu signálu.

Slew Rate: Maximálna rýchlosť, pri ktorej sa môže meniť výstupné napätie.Ovplyvňuje, ako dobre operačný zosilňovač dokáže zvládnuť rýchlo sa meniace signály.

Pomer odmietnutia spoločného režimu (CMRR): Schopnosť operačného zosilňovača ignorovať spoločné signály objavujúce sa na oboch vstupoch, čím sa zabezpečí, že sa zosilní iba rozdiel napätia.

Pomer odmietnutia napájania (PSRR) : Označuje, ako dobre môže operačný zosilňovač udržiavať stabilný výstup aj pri zmene napätia zdroja.

Bežné rovnice a vzorec operačného zosilňovača

Operačný zosilňovač (op-amp) pracuje na princípe zosilnenia rozdielu napätia medzi jeho dvoma vstupmi, invertujúcou (–) a neinvertujúcou (+) svorkou.Nižšie uvedená rovnica ukazuje, že výstup závisí od zosilneného rozdielu medzi každým vstupným napätím.

Obrázok 3. Invertujúci zosilňovač

Invertujúci zosilňovač

An invertujúci zosilňovač je jednoduchý obvod operačného zosilňovača, ktorý vytvára výstupný signál, ktorý je obrátený (opačná fáza) v porovnaní so vstupom.Vstupné napätie sa aplikuje na invertujúci vstup (–) cez vstupný odpor $R_{in}$, zatiaľ čo a spätnoväzbový odpor $R_f$pripája výstup späť k rovnakému vstupu.The neinvertujúci vstup (+) je pripojený k zemi, čím sa na invertujúcom termináli vytvorí virtuálna zem.Kvôli negatívnej spätnej väzbe je prúd cez $R_{in}$preteká $R_f$, a vzťah medzi vstupom a výstupom je daný vzorcom $V_{out} = -\frac{R_f}{R_{in}} \krát V_{in}$.Záporné znamienko ukazuje, že výstup je o 180° mimo fázy so vstupom.Tento obvod poskytuje riadené a stabilné zosilnenie napätia nastavené pomerom odporu a je široko používaný v aplikáciách zvuku, úpravy signálu a riadenia, kde je potrebné presné a invertované zosilnenie.

Obrázok 4. Neinvertujúci zosilňovač

Neinvertujúci zosilňovač

A neinvertujúci zosilňovač je operačný zosilňovač (op-amp) obvod, ktorý zosilňuje vstupný signál bez zmeny jeho fázy, výstup stúpa a klesá presne ako vstup.The vstupné napätie sa aplikuje na neinvertujúci terminál (+), zatiaľ čo časť výstupu je odoslaná späť do invertujúci terminál (–) cez dvojicu rezistorov, ktoré tvoria a sieť spätnej väzby.Jeden odpor $R_f$spája výstup s invertujúcim vstupom a ďalším odporom $R_1$ spája invertujúci vstup so zemou.Táto spätná väzba stabilizuje obvod a nastavuje zosilnenie napätia, ktorý je daný vzorcom:

$$V_{out} = \left(1 + \frac{R_f}{R_1}\right) V_{in}$$

Pretože zosilnenie je vždy väčšie ako jedna, táto konfigurácia zosilňuje vstupný signál, pričom ho udržiava vo fáze.The neinvertujúci zosilňovač má a veľmi vysoká vstupná impedancia a a nízka výstupná impedancia, vďaka čomu je ideálny na použitie ako a vyrovnávacej pamäte, kondicionér signálu, alebo sledovač napätia v analógových obvodoch.

Obrázok 4. Napäťový sledovač

Napäťový sledovač

A sledovač napätia, tiež známy ako a vyrovnávacím zosilňovačom alebo zosilňovač unity-gain, je jednoduchý konfigurácia operačného zosilňovača ktorý poskytuje rovnaké výstupné napätie ako vstupné, ale so zlepšenou schopnosťou riadiť prúd.V tomto nastavení je výstup je priamo spojená s invertujúci vstup (–), zatiaľ čo vstupný signál sa aplikuje na neinvertujúci vstup (+).Toto vytvára 100% negatívna spätná väzba, čo núti výstupné napätie presne sledovať vstup.Vzorec pre tento okruh je jednoduchý:

$$V_{out} = V_{in$$

Aj keď je zosilnenie napätia jedna, sledovač napätia má dôležité výhody.Ponúka veľmi vysoká vstupná impedancia, ktorá zabraňuje zaťaženiu alebo zoslabeniu vstupného signálu a veľmi nízka výstupná impedancia, čo mu umožňuje ľahko riadiť ťažké bremená alebo iné stupne okruhu.

Obrázok 5. Diferenciálny zosilňovač

Diferenciálny zosilňovač

A diferenciálny zosilňovač je obvod operačného zosilňovača ktorý zosilňuje rozdiel medzi dvoma vstupnými napätiami pričom odmieta akékoľvek napätie spoločné pre obe.Vďaka tomu je ideálny na zníženie hluku a rušenia obvody snímačov, audio systémy, a meracie prístroje.Vzťah medzi vstupmi a výstupmi je daný hlavným vzorcom:

$$V_{out} = \left(\frac{R_2}{R_1}\right)(V_2 - V_1)$$

Táto rovnica ukazuje, že výstupné napätie závisí od rozdiel medzi dvoma vstupnými signálmi vynásobený pomer odporu $\frac{R_2}{R_1}$.Pretože odmieta bežný šum a zosilňuje iba rozdiel, tzv diferenciálny zosilňovač je široko používaný na čisté, presné a stabilné zosilnenie signálu v analógových a prístrojových aplikáciách.

Obrázok 6. Sumačný a integračný zosilňovač

Sumárny a integračný zosilňovač

A sčítací a integračný zosilňovač sú dve bežné obvody operačného zosilňovača používa sa na matematické operácie s analógovými signálmi.A sumačný zosilňovač kombinuje niekoľko vstupných napätí do jedného výstupu, pričom an integračný zosilňovač vytvára výstup, ktorý závisí od časového integrálu vstupu.Kľúčový vzorec pre an integračný zosilňovač je:

$$V_{out} = -\frac{1}{R_1C} \int V_{in} \, dt$$

Táto rovnica ukazuje, že výstupné napätie je úmerné integrálu vstupného signálu, čo znamená, že priebežne pridáva vstup v priebehu času.Integračné zosilňovače sú široko používané v analógový počítačov, signálové filtre, generátory priebehov, a riadiacich systémov na spracovanie a tvarovanie signálov.

Obvody integrátora a diferenciálu operačného zosilňovača

Integrátor operačného zosilňovača a diferenciátor sú dva dôležité analógové obvody, ktoré vykonávajú základné matematické operácie pri integrácii a diferenciácii elektrických signálov pomocou operačného zosilňovača.

Obrázok 7. Integrátor

A Integrátorový obvod vytvára výstupné napätie, ktoré je úmerné integrálu vstupného napätia v čase.V tomto obvode prechádza vstupný signál cez odpor R1do invertujúceho vstupu (–) a v spätnoväzbovej dráhe je namiesto odporu použitý kondenzátor (C).Neinvertujúci vstup (+) je uzemnený.

To znamená, že výstupné napätie sa mení na základe akumulovaného vstupného signálu a konštantný vstup vytvára plynule sa meniaci (rampový) výstup.Integrátorové obvody sa bežne používajú v analógových filtroch, generátoroch priebehov a aplikáciách na spracovanie signálov.

Obrázok 8. Diferenciátor

A Obvod diferenciálu, na druhej strane, robí opak, vytvára výstup, ktorý je úmerný rýchlosti zmeny vstupného signálu.Tu je kondenzátor umiestnený na vstupe a odpor je použitý v spätnoväzbovej dráhe.

To znamená, že keď sa vstup rýchlo zmení, výstup reaguje silne, takže je citlivý na rýchle zmeny signálu.Diferenciačné obvody sa používajú pri detekcii hrán, tvarovaní vĺn a riadiacich systémoch.

Aplikácie operačných zosilňovačov

Operačné zosilňovače sa používajú takmer v každej oblasti elektroniky kvôli ich všestrannosti a presnosti.Hrajú veľkú úlohu v analógových aj zmiešaných signálových systémoch.Bežné aplikácie zahŕňajú:

• Zosilňovače zvuku – Používa sa na zosilnenie slabých signálov z mikrofónov alebo nástrojov pre čistý výstup zvuku.

• Senzorové obvody – Zosilnite signály malého napätia zo snímačov v systémoch detekcie teploty, tlaku a pohybu.

• Komunikačné systémy – Spracúvajte a filtrujte signály vo vysielačoch, prijímačoch a modemoch pre lepšiu kvalitu signálu.

• Priemyselné ovládače – Používa sa v spätnoväzbových a riadiacich slučkách pre automatizáciu, motorové pohony a reguláciu procesov.

• Zosilnenie signálu – Zvýšte úrovne napätia alebo prúdu pre meracie, prístrojové a riadiace aplikácie.

• Aktívne filtre – Odstráňte šum alebo nežiaduce frekvencie v audio, rádiových a dátových obvodoch.

• Matematické operácie – Vykonajte sčítanie, odčítanie, integráciu a diferenciáciu v analógových výpočtových a riadiacich obvodoch.

• Analógové a zmiešané spracovanie signálu - Kombinujte analógové a digitálne signály pre úlohy, ako je konverzia údajov, filtrovanie a úprava.

Výhody a obmedzenia operačných zosilňovačov

Výhody

• Vysoký zisk - Dokonca aj malý rozdiel vstupného napätia vytvára veľký výstup, vďaka čomu sú veľmi citlivé a efektívne na zosilnenie.

• Vysoká vstupná impedancia – Odoberajú veľmi malý vstupný prúd, čím zabraňujú strate signálu a znižujú zaťaženie zdroja.

• Nízka výstupná impedancia - Dokáže efektívne riadiť ďalšie stupne obvodu alebo záťaže bez výrazného poklesu napätia.

• Jednoduché použitie – Jednoduchý návrh obvodu s použitím rezistorov a kondenzátorov;dostupné ako kompaktné integrované obvody.

• Široká šírka pásma - Dokáže zvládnuť široký rozsah frekvencií v závislosti od typu použitého operačného zosilňovača.

• Stabilný výkon – Spoľahlivé a konzistentné správanie pri použití negatívnej spätnej väzby.

• Nákladovo efektívne - Ľahko dostupné a lacné pre akademické aj priemyselné aplikácie.

Obmedzenia

• Konečný zisk - Skutočné operačné zosilňovače nemajú nekonečný zisk;ich výkon pri vyšších frekvenciách klesá.

• Obmedzená šírka pásma – Zisk klesá so zvyšujúcou sa frekvenciou v dôsledku kompromisu medzi ziskom a šírkou pásma.

• Vstupné offsetové napätie – Na výstupe sa môžu objaviť malé rozdiely napätia, aj keď sú vstupy rovnaké.

• Obmedzenie rýchlosti prebehu – Výstup sa nemôže okamžite zmeniť;rýchle zmeny signálu môžu spôsobiť skreslenie.

• Konečný prúd vstupnej odchýlky – Na prevádzku interného tranzistora je vždy potrebný malý vstupný prúd, čo môže ovplyvniť presnosť.

• Citlivosť na teplotu – Parametre ako offsetové napätie a predpätý prúd môžu kolísať s teplotou.

• Závislosť od napájania – Zmeny napájacieho napätia môžu ovplyvniť výstupný výkon (merané pomocou PSRR).

• Hluk a skreslenie - Niektoré operačné zosilňovače prinášajú malé množstvo elektrického šumu alebo skreslenia, najmä v signáloch nízkej úrovne.

OP-AMP získa šírku pásma a frekvenčnú odozvu

Takže, ak je operačný zosilňovač nastavený na vysoký zisk, zvládne len nižšie frekvencie;ak je zisk nižší, môže pracovať na vyšších frekvenciách.Napríklad operačný zosilňovač s 1 MHz GBW môže poskytnúť zisk 10 až 100 kHz.

Zjednodušene povedané, zosilnenie šírky pásma a frekvenčná odozva povedzte nám, ako sa zosilnenie operačného zosilňovača mení s rýchlosťou signálu.Pomáhajú pri navrhovaní stabilných, jasných a presných obvodov audio, filtrovanie, a spracovanie signálu aplikácie.

Operačné zosilňovače vs. diferenciálne zosilňovače

Funkcia	Operatívne Zosilňovač	Diferenciál Zosilňovač
Definícia	Integrovaný obvod, ktorý zosilňuje rozdiel napätia medzi dvoma vstupmi s veľmi vysokým ziskom a môže vykonávať mnoho analógových funkcií.	Základný obvod, ktorý zosilňuje rozdiel napätia medzi dvoma vstupmi pri odmietnutí bežného režimu signály.
Štruktúra	Pozostáva z viacerých diferenciálov zosilňovacie stupne, aktívne záťaže a interné kompenzačné siete.	Jednostupňový zosilňovač využívajúci rezistory a tranzistory.
Získať	Veľmi vysoká (zvyčajne 10⁵ až 10⁶).	Stredná (závisí od odporu pomery).
Vstupná impedancia	Veľmi vysoká (rozsah MΩ až GΩ).	Relatívne nízke až stredné.
Výstupná impedancia	Veľmi nízka.	Mierne.
Funkčnosť	Môže vykonávať viac analógových operácie (zosilnenie, filtrovanie, sčítanie, integrovanie, diferenciácia).	Obmedzené na rozdielové napätie zosilnenie.
Použitie spätnej väzby	Používa negatívnu spätnú väzbu na stabilitu a kontrolu.	Zvyčajne funguje bez spätná väzba.
Pomer odmietnutia bežného režimu (CMRR)	Veľmi vysoká vďaka vnútornému dizajnu a presné komponenty.	Nižšie, v závislosti od odporu zhoda.
Aplikácie	Používa sa v zosilňovačoch zvuku, filtre, riadiace systémy, prístrojové vybavenie a úprava signálu.	Používa sa v obvodoch snímačov, vstup stupne operačných zosilňovačov a meracie systémy.

Záver

Operačné zosilňovače sú dôležité pre zosilnenie signálu, filtrovanie a riadenie v nespočetných elektronických systémoch.Pochopenie ich typov, vzorcov a správania pomáha pri navrhovaní presných a stabilných obvodov.Či už sa používajú ako vyrovnávacie pamäte, integrátory alebo diferenciálne zosilňovače, operačné zosilňovače kombinujú flexibilitu a výkon, vďaka čomu sú základom modernej analógovej a zmiešanej elektroniky.