Műveleti erősítők használata

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2018. március 18-án áttekintett verziótól ; az ellenőrzések 14 szerkesztést igényelnek .

A cikk leírja a műveleti erősítők (műveleti erősítők) néhány tipikus alkalmazását analóg áramkörökben.

Az ábrákon az elektromos áramkörök leegyszerűsítve vannak ábrázolva, ezért szem előtt kell tartani, hogy az áramkör működésének magyarázatához nem lényeges részletek (operatív erősítő csatlakoztatása a teljesítményáramkörökhöz, blokkkondenzátorok a tápban áramkörök, az op-amp frekvenciakorrekciós áramkörei, a használt op-amp konkrét típusa, az op-amp kimeneteinek számozása) kimarad.

Az ezekben az áramkörökben használt ellenállások tipikus ellenállása egységnyi vagy tíz kiloohm nagyságrendű . Az 1 kΩ - nál kisebb ellenállású ellenállások használata nem kívánatos (kivéve azokat az ellenállásokat, amelyek nem terhelik az op-amp kimenetét), mivel túlzott áramot okozhatnak az op-amp kimeneti fokozatban, túlterhelést az op-amp kimenet. Az 1 MΩ - nál nagyobb ellenállású ellenállások, amelyek az op-amp bemeneteire vannak csatlakoztatva, megnövekedett termikus zajt okoznak, és kevésbé pontosak az áramkört az op-amp áramok bemeneti áramainak hatása és a bemeneti áramok eltolódása miatt.

A modern elektronikában az esetek túlnyomó többségében monolitikus integrált műveleti erősítőket használnak műveleti erősítőként , de az összes érv alkalmazható bármely más, egyébként tervezett op erősítőkre, például hibrid mikroáramkörök formájában .

Megjegyzés: A cikkben megadott matematikai kifejezéseket, hacsak másképp nem jelezzük, abból a feltételezésből adjuk meg, hogy a műveleti erősítők ideálisak . A műveleti erősítő nem-idealitása által okozott korlátok egyértelműen jelzik. A megadott példák áramköri megoldásainak gyakorlati használatához érdemes megismerkedni azok részletesebb leírásával. Lásd a " Hivatkozások " és a " Hivatkozások " részt.

Lineáris rendszerek

Differenciálerősítő (kivonó)

Megjegyzés: Ne keverje össze a differenciálerősítőt a differenciálművel (lásd alább )

Ezt az áramkört úgy tervezték, hogy megkapja a két feszültség közötti különbséget , miközben mindegyiket előre megszorozzák valamilyen állandóval (az állandókat az ellenállások aránya határozza meg).

Ha a bemeneti feszültségek differenciális komponensét a következőképpen jelöljük :

a közös módú komponens pedig a bemeneti feszültségek összegének fele:

akkor a kimeneti feszültség kifejezése átírható a következőképpen:

Ahhoz, hogy ez az erősítő csak a bemeneti feszültségkülönbséget erősítse, de érzéketlen legyen a közös módusú komponensre, teljesíteni kell az összefüggést:

Ebben az esetben a közös módú komponens átviteli együtthatója 0 lesz, és a kimeneti feszültség csak a bemeneti feszültségek különbségétől függ:

Ha az arány teljesül :

Invertáló erősítő

Megfordítja és felerősíti/csillapítja a feszültséget (azaz megszorozza a feszültséget az ellenállások aránya által meghatározott negatív állandóval). Az erősítési modulus lehet nagyobb vagy kisebb, mint egység.

Ha , akkor az áramkör lineáris áram-feszültség átalakító. Egy ilyen áramkör bemeneti impedanciája, az op-amp idealitását feltételezve 0. Valójában egy nyitott visszacsatolású, valódi op-erősítő erősítése és a visszacsatoló ellenállás határozza meg a következő képlet szerint: hol  van a az op-erősítő belső erősítése; és nagyon kevés, mivel több mint százezer modern op-amp létezik, ami megkülönbözteti az ilyen átalakítót egy egyszerű ellenállástól, amely egyben lineáris áram-feszültség átalakító is.

Az ilyen áram-feszültség átalakító kimeneti feszültsége:

Feltételezzük, hogy a bejövő áram pozitív.

Nem invertáló erősítő

Felerősíti a feszültséget (megszorozza a feszültséget egynél nagyobb állandóval)

Feszültségkövető

Puffer-erősítőként használják , hogy kiküszöböljék az alacsony ellenállású terhelés hatását egy nagy (pontosabban) kimeneti impedanciájú forrásra .

Invertáló összegző erősítő (invertáló összeadó)

Összead (súllyal) több feszültséget. A kimeneti összeg invertált, azaz minden súly negatív.

Integrátor

Integrálja (invertálja) a bemeneti jelet az idő múlásával.

ahol és  az idő függvényei,  az integrátor kimeneti feszültsége időpontban .

Egy ilyen integrátor egy elsőrendű aluláteresztő szűrőnek is felfogható, -20 dB/dekád erősítéssel .

Mivel ebben az áramkörben nincs egyenáramú visszacsatolás (a kondenzátor egyenáramra végtelen impedanciája van, vagyis nem engedi át az áramot nulla frekvencián), még a leggondosabban kompenzált drift-integrátor is fokozatosan változtatja a kimeneti feszültséget (az ún. az integrátor „kúszásának” nevezik) .

Azokban az esetekben, amikor a váltakozó áramú jel integrálására van szükség, és a lassú sodródást el kell távolítani, egy további ellenállást kell csatlakoztatni párhuzamosan a kondenzátorral , az ábra szerint. Egy ilyen intézkedés a lassan változó feszültséget és DC-t egy elsőrendű aluláteresztő szűrővé változtatja, amelynek egyenáram-erősítése megegyezik a vágási frekvenciával .

A lassú sodródás visszaszorításának másik módja a kondenzátor kisütése egy további külső áramkörrel vagy egy kapcsolóval történő rövidre zárással.

Megkülönböztető

Megjegyzés: Ne keverje össze a differenciálművet a differenciálerősítővel (lásd fent )

A (fordított) bemeneti jelet időben megkülönbözteti.

hol és  vannak az idő függvényei.

Összehasonlító

Összehasonlít két feszültséget, és a két állapot egyikét adja ki attól függően, hogy a bemeneti feszültségek közül melyik a nagyobb.

 - pozitív tápfeszültség;  - negatív tápfeszültség.

A feszültség-összehasonlítás pontosságát befolyásolja egy kis feszültség jelenléte a valódi op-amp bemenetei között ( előfeszítő feszültség ). Más szóval, egy igazi op-amp úgy viselkedik, mint egy ideális op-amp, amelynek EMF U cm feszültséggenerátora van sorba kötve az egyik bemenettel . Az U cm tipikus értéke 10 -3 ÷ 10 -6 V.

Műszeres erősítő

A műszeres erősítő, más néven műszeres  ( al) erősítő , alapvetően nem különbözik a differenciálerősítőtől , de nagyon magas bemeneti impedanciája, magas közös módú elutasítási aránya és alacsony előfeszítési feszültsége van.

Schmitt trigger

Összehasonlító hiszterézissel .

Gyrator

Az induktivitást szimulálja .

Negatív ellenállás konverter

A negatív impedancia átalakító egy negatív ellenállású ellenállást imitál . 

Nemlineáris rendszerek

Precíz egyenirányító

Ideális diódaként viselkedik egy terheléshez, amelyet itt közönséges ellenállásként ábrázolunk .

Csúcsdetektor

Az eszközt úgy tervezték, hogy megjegyezze a bemeneti szélsőséges (maximális vagy minimális) feszültséget, amelyet a kondenzátor kisülésétől számítva egy bizonyos időtartam alatt elérnek.

Amikor a kapcsoló zárva van, a kondenzátor lemerül, és a kimeneti feszültség nulla. Amikor a kapcsoló nyitva van, a feszültség szélsőértékei a diódán keresztül a szélsőértékre töltik fel a kondenzátort. A szélsőérték elérése és a bemeneti feszültség abszolút értékének ezt követő csökkenése után a szélsőérték töltés formájában a kondenzátoron tárolódik a kapcsoló bezárásáig vagy egy nagyobb szélsőérték eléréséig.

Az ábrán látható diódacsatlakozásban a maximális pozitív bemeneti feszültségek mintavételezése történik meg. A negatív maximális modulofeszültségek mintavételezéséhez a diódát fordított polaritással kapcsoljuk be.

Az op-erősítőn keresztüli negatív visszacsatolás miatt a szélsőséges mintavételezési hiba kompenzálódik, amelyet a diódán áthaladó egyenárammal rendelkező viszonylag nagy feszültségesés okoz ( pn átmenettel rendelkező szilícium-diódáknál - körülbelül 0,6 V ), amely előnyösen megkülönbözteti az op-erősítős csúcsérzékelő áramkört a legegyszerűbb csúcsérzékelő áramkörtől, amely egy dióda és egy kondenzátor soros kapcsolása. Ezért a kondenzátor szinte pontosan az extrém feszültségig van feltöltve.

Ennek az áramkörnek egy másik előnye a nagyon nagy bemeneti ellenállás és ennek megfelelően a kis bemeneti áram, mivel a jel az op-amp nem invertáló bemenetére kerül.

Az elért szélső feszültség megfelelő tárolási pontosságú tárolásának időtartamát korlátozza a kondenzátor kisülése a diódán keresztül, amely szinte mindig reteszelt, és csak a végpont mintavételének pillanataiban nyílik meg, valamint saját szivárgása. a kondenzátor (a kondenzátor önkisülése), ami a diódán keresztüli szivárgáshoz képest általában elhanyagolható, ezért az extrémum tárolási idejének növelése érdekében a kondenzátor kapacitását növelni kell.

Másrészt a kondenzátor kapacitásának növekedése rontja a rövid időtartamú - rövid impulzusok - mintavételi szélsőségek pontosságát. Ezért a kondenzátor kapacitását ésszerű kompromisszum alapján választják meg, attól függően, hogy egy adott elektronikus eszközben milyen célt szolgál a csúcsérzékelő.

Logaritmikus erősítő

Mivel a pn átmenettel rendelkező félvezető diódán a feszültség és a diódán áthaladó áram a Shockley -egyenlet szerint összefügg :

hol van a dióda árama; - telítési áram fordított előfeszítéssel a diódán; - előremenő feszültség a diódán; - hőmérsékleti potenciál (hőmérséklet-feszültség).

A hőmérsékleti potenciál viszont összefügg a pn átmenet hőmérsékletével :

ahol - Boltzmann konstans ; a p-n átmenet abszolút hőmérséklete ; az elemi elektromos töltés .

T  = 300 K hőmérsékleten a hőmérsékleti potenciál körülbelül 25,85  mV .

A diódán lévő feszültség, a rajta átfolyó áramban kifejezve, a Shockley-egyenletből:

A szilíciumdiódák fordított telítési árama szobahőmérsékleten nagyon kicsi, egységek vagy tíz nA nagyságrendű , így a diódán átmenő előremenő áramok aránya meghaladja az nA egységeket. Az egységet figyelmen kívül hagyva közelíthetjük:

Mivel egy ideális op-amp bemeneti árama nulla, az 1. Kirchhoff-szabály szerint az ellenálláson áthaladó áram egyenlő a diódán áthaladó árammal, azaz:

Másrészt az op-amp invertáló bemenetének potenciálja 0 a visszacsatolás miatt, tehát az ellenálláson áthaladó áram Ohm törvénye szerint:

Végül nálunk van:

A mínusz jel azt jelzi, hogy a kimenet invertált a bemenethez képest.

A fenti áramkör logaritmikus erősítő (átalakító) csak pozitív bemeneti feszültségekhez . Negatív feszültségeknél a dióda reteszelődik, és a valódi op-amp kimeneti feszültségkorlátozásba kerül - a feszültség valamivel alacsonyabb, mint az op-amp pozitív tápegységének feszültsége ( ).

A fenti séma szerinti gyakorlati eszközben a bemeneti feszültség változásának több évtizedes konverziós tartománya (a bemeneti feszültség több nagyságrenddel történő változásával) kielégítő pontossággal, de alacsony hőmérsékleti stabilitással érhető el.

A hőmérsékleti instabilitás fő forrása a dióda fordított telítési áramának változása és a hőmérsékleti potenciál változása - a Shockley-egyenletben szereplő paraméterek. A gyakorlati logaritmikus erősítő áramkörökben ezeket a hőmérséklet-eltolódásokat áramkör-kiegészítésekkel kompenzálják - általában egy további dióda hozzáadásával az áramkörhöz a „logaritmikus” diódához hasonló paraméterekkel. Gyakran bipoláris tranzisztorok pn átmeneteit használják diódaként ebben az áramkörben .

Exponenciális erősítő

A „ logaritmikus erősítő ” részben leírtak szerint (a képletek jelölését lásd ebben a részben), a Shockley-egyenlet szerint a pn átmenettel rendelkező félvezető diódán átmenő áram és a diódán lévő feszültség függőséghez kapcsolódik:

hol van a dióda árama; - telítési áram fordított előfeszítéssel a diódán; - előremenő feszültség a diódán; - hőmérsékleti potenciál (hőmérséklet-feszültség).

Ismételten figyelmen kívül hagyjuk a zárójelben lévő egységet, mivel a hőmérsékleti potenciál kicsi a diódán lévő előremenő feszültséghez képest, és megközelítőleg így fogalmazhatunk:

Mivel egy ideális op-amp bemeneti árama nulla, akkor az 1. Kirchhoff-szabály szerint a visszacsatoló ellenálláson áthaladó áram egyenlő a diódán áthaladó árammal, azaz:

A műveleti erősítő invertáló bemenetének potenciálja 0 a visszacsatolás miatt, tehát az ellenálláson áthaladó áram Ohm törvénye szerint:

Végül nálunk van:

Az ábrán feltüntetett bekapcsolt dióda polaritása mellett az erősítő csak pozitív bemeneti feszültségeket mutat. Negatív bemeneti feszültség esetén a dióda reteszelve van, és a kimeneti feszültséget csak a dióda fordított telítési árama határozza meg, és közel nullához:

Ennek az erősítőnek a pontossága és hőmérséklet-stabilitása nagyjából megegyezik a logaritmikus erősítőével.

Egyéb felhasználások

Lásd még

Jegyzetek

Hivatkozások

Linkek