Operaatiovahvistimien käyttö

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 18. maaliskuuta 2018 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 14 muokkausta .

Artikkelissa kuvataan joitain tyypillisiä operaatiovahvistimien (operaatiovahvistimien) sovelluksia analogisissa piireissä.

Kuvien sähköpiirit on esitetty yksinkertaistetusti, joten tulee pitää mielessä, että piirin toiminnan selittämisen kannalta tarpeettomat yksityiskohdat (operaatiovahvistimen kytkeminen tehopiireihin, sulkukondensaattorit tehossa piirit, operaatiovahvistimen taajuuden korjauspiirit, käytettävän operaatiovahvistimen tyyppi, operaatiovahvistimen lähtöjen numerointi) jätetään pois.

Näissä piireissä käytettyjen vastusten tyypillinen resistanssi on yksikköä tai kymmeniä kiloohmeja . Alle 1 kΩ resistanssien vastusten käyttö ei ole toivottavaa (paitsi ne vastukset, jotka eivät kuormita operaatiovahvistimen lähtöä), koska ne voivat aiheuttaa liiallista virtaa operaatiovahvistimen lähtöasteessa, ylikuormitusta op-amp-lähtö. Operaatiovahvistimen tuloihin kytketyt vastukset, joiden resistanssi on suurempi kuin 1 MΩ , lisäävät lämpökohinaa ja tekevät piiristä vähemmän tarkkoja operaatiovahvistinvirtojen tulovirtojen vaikutuksesta ja tulovirtojen ajautumisesta johtuen.

Nykyaikaisessa elektroniikassa valtaosassa tapauksista monoliittisia integroituja operaatiovahvistimia käytetään operaatiovahvistimina , mutta kaikki argumentit pätevät kaikkiin muihin muuten suunniteltuihin operaatiovahvistimiin, esimerkiksi hybridimikropiirien muodossa .

Huomautus: Artikkelissa esitetyt matemaattiset lausekkeet, ellei toisin mainita, saadaan olettaen, että operaatiovahvistimet ovat ihanteellisia . Operaatiovahvistimen epäideaalisuudesta johtuvat rajoitukset on selvästi osoitettu. Annettujen esimerkkien piiriratkaisujen käytännön käyttöä varten kannattaa tutustua niiden tarkempaan kuvaukseen. Katso kohdat " Viitteet " ja " Viitteet ".

Lineaariset järjestelmät

Differentiaalivahvistin (vähentäjä)

Huomautus: Älä sekoita differentiaalivahvistinta erottimeen ( katso alla )

Tämä piiri on suunniteltu saamaan ero kahden jännitteen välillä, kun taas jokainen niistä kerrotaan etukäteen jollakin vakiolla (vakiot määräytyvät vastusten suhteen).

Jos merkitsemme tulojännitteiden differentiaalikomponenttia seuraavasti:

ja yhteismoodikomponentti puolena tulojännitteiden summasta:

niin lähtöjännitteen lauseke voidaan kirjoittaa uudelleen seuraavasti:

Jotta tämä vahvistin vahvistaisi vain tulojännite-eroa, mutta ei ole herkkä yhteismuotoiselle komponentille, on välttämätöntä täyttää suhde:

Tässä tapauksessa yhteismoodikomponentin lähetyskerroin tulee yhtä suureksi kuin 0 ja lähtöjännite riippuu vain tulojännitteiden välisestä erosta:

Kun suhde täyttyy :

Invertoiva vahvistin

Kääntää ja vahvistaa/vaimentaa jännitettä (eli kertoo jännitteen negatiivisella vakiolla, joka määräytyy vastusten suhteen). Vahvistusmoduuli voi olla joko suurempi tai pienempi kuin yksikkö.

Jos , niin piiri on lineaarinen virta-jännite-muunnin. Tällaisen piirin tuloimpedanssi olettaen operaatiovahvistimen ideaalisuuden on 0. Itse asiassa se määräytyy avoimen takaisinkytkennän omaavan todellisen operaatiovahvistimen vahvistuksen ja takaisinkytkentäresistanssin perusteella kaavan mukaan: missä  on op-vahvistimen sisäinen vahvistus; ja hyvin harvat, koska moderneja op-vahvistimia on yli satoja tuhansia, mikä erottaa tällaisen muuntimen yksinkertaisesta vastuksesta, joka on myös lineaarinen virta-jännite-muunnin.

Tällaisen virta-jännite-muuntimen lähtöjännite on:

Oletetaan, että tuleva virta on positiivinen.

Ei-invertoiva vahvistin

Vahvistaa jännitettä (kerroi jännitteen vakiolla, joka on suurempi kuin yksi)

Jänniteseuraaja

Käytetään puskurivahvistimena eliminoimaan pienen vastuksen kuormituksen vaikutus lähteeseen, jolla on korkea (tarkemmin) lähtöimpedanssi .

Inverting Summing Amplifier (Inverting Summing)

Summaa (painon kanssa) useita jännitteitä. Tulossumma on käänteinen, eli kaikki painot ovat negatiivisia.

Integraattori

Integroi (kääntää) tulosignaalin ajan myötä.

missä ja  ovat ajan funktioita,  on integraattorin lähtöjännite hetkellä .

Tällaista integraattoria voidaan pitää myös ensimmäisen asteen alipäästösuodattimena , jonka vahvistus on -20 dB/decade .

Koska tässä piirissä ei ole DC-takaisinkytkentää (kondensaattorilla on ääretön impedanssi DC:lle, toisin sanoen se ei kulje virtaa nollataajuudella), jopa kaikkein huolellisimmin kompensoitu drift-integraattori muuttaa vähitellen lähtöjännitettä (ns. jota kutsutaan integraattorin "hiipumiseksi").

Tapauksissa, joissa tarvitaan AC-signaalin integrointia ja hidas ryömintä on estettävä, ylimääräinen vastus kytketään rinnan kondensaattorin kanssa , kuten kuvassa. Tällainen toimenpide muuttaa jännitteen ja tasavirran hitaasti vaihtavan integraattorin 1. asteen alipäästösuodattimeksi, jonka tasavirtavahvistus on yhtä suuri kuin katkaisutaajuus .

Toinen tapa estää hidas ryömintä on purkaa kondensaattori ylimääräisellä ulkoisella piirillä tai oikosulkemalla se kytkimellä.

Erottaja

Huomautus: Älä sekoita erotinta differentiaalivahvistimeen ( katso yllä )

Erottaa (käänteisen) tulosignaalin ajallisesti.

missä ja  ovat ajan funktioita.

Comparator

Vertaa kahta jännitettä ja tulostaa toisen kahdesta tilasta riippuen siitä, kumpi tulojännitteistä on suurempi.

 - positiivinen syöttöjännite;  - negatiivinen syöttöjännite.

Jännitevertailun tarkkuuteen vaikuttaa pieni jännite todellisen operaatiovahvistimen tulojen välillä ( bias-jännite ). Toisin sanoen todellinen operaatiovahvistin käyttäytyy kuin ihanteellinen operaatiovahvistin, jossa on jännitegeneraattori , jonka EMF U cm on kytketty sarjaan yhden tulon kanssa . Tyypilliset U cm :n arvot ovat 10 -3 ÷ 10 -6 V.

Instrumentointivahvistin

Instrumentointivahvistin , jota kutsutaan myös instrumentointi  ( al) -vahvistimeksi , ei pohjimmiltaan eroa differentiaalivahvistimesta , mutta sillä on erittäin korkea tuloimpedanssi, korkea yhteismoodin hylkäyssuhde , pieni bias-jännite.

Schmitt trigger

Vertailija hystereesillä .

Gyrator

Simuloi induktanssia .

Negatiivisen resistanssin muunnin

Negatiivinen impedanssimuunnin jäljittelee vastusta , jolla on negatiivinen resistanssi . 

Epälineaariset järjestelmät

Tarkka tasasuuntaaja

Käyttäytyy kuin ihanteellinen diodi kuormalle, joka esitetään tässä tavallisena vastuksena .

Huippuilmaisin

Laite on suunniteltu muistamaan äärimmäinen (maksimi tai minimi) jännite tulossa, joka saavutetaan tietyn ajanjakson aikana kondensaattorin purkamisesta.

Kun kytkin on kiinni, kondensaattori purkautuu ja lähtöjännite on nolla. Kun kytkin on auki, jännitteen ääriarvot lataavat kondensaattorin diodin kautta ääriarvoon. Kun ääriarvo on saavutettu ja sitä seuraava tulojännitteen itseisarvon aleneminen, ääriarvo tallennetaan varauksen muodossa kondensaattoriin, kunnes kytkin suljetaan tai suurempi ääriarvo saavutetaan.

Kuvassa esitetyssä diodiliitännässä näytteistetään suurimmat positiiviset tulojännitteet. Negatiivisten maksimimoduulijännitteiden näytteenottoa varten diodi kytketään päälle käänteisellä polariteetilla.

Op-vahvistimen kautta tapahtuvan negatiivisen takaisinkytkennän vaikutuksesta äärimmäinen näytteenottovirhe kompensoituu, mikä johtuu suhteellisen suuresta jännitehäviöstä diodin yli, kun sen läpi kulkee tasavirta (piidiodeille, joissa on pn - liitos - noin 0,6 V ), joka erottaa suotuisasti operaatiovahvistimella varustetun huipputunnistimen piirin yksinkertaisimmasta huippuilmaisinpiiristä, joka on diodin ja kondensaattorin sarjakytkentä. Siksi kondensaattori on ladattu lähes täsmälleen äärijännitteeseen.

Toinen tämän piirin etu on erittäin korkea tuloresistanssi ja vastaavasti pieni tulovirta, koska signaali syötetään op-vahvistimen ei-invertoivaan tuloon.

Saavutetun ääripään jännitteen varastoinnin kestoa riittävällä tallennustarkkuudella rajoittaa kondensaattorin purkautuminen diodin kautta, joka on lähes aina lukittu ja avautuu vain ääripään näytteenottohetkellä, sekä oma vuoto sen läpi. kondensaattori (kondensaattorin itsepurkautuminen), joka on yleensä mitätön verrattuna diodin läpi tapahtuvaan vuotoon, joten ääripään varastointiajan pidentämiseksi kondensaattorin kapasitanssia tulisi lisätä.

Toisaalta kondensaattorin kapasitanssin kasvu huonontaa lyhytkestoisten - lyhyiden pulssien - näytteenottoäärien tarkkuutta. Siksi kondensaattorin kapasitanssi valitaan järkevän kompromissin perusteella riippuen tietyn elektronisen laitteen huipputunnistimen käyttötarkoituksesta.

Logaritminen vahvistin

Koska jännite puolijohdediodissa , jossa on pn - liitos , jossa on eteenpäin suuntautuva bias diodissa, ja diodin läpi kulkeva virta liittyvät toisiinsa Shockley -yhtälön mukaisesti :

missä on diodivirta; - kyllästysvirta käänteisellä biasilla diodissa; - eteenpäin suunnattu jännite diodin yli; - lämpötilapotentiaali (lämpötilajännitys).

Lämpötilapotentiaali puolestaan ​​​​on suhteessa pn - liitoksen lämpötilaan:

missä - Boltzmannin vakio ; on p-n- liitoksen absoluuttinen lämpötila ; on perussähkövaraus .

Kun T  = 300 K , lämpötilapotentiaali on noin 25,85  mV .

Diodin yli kulkeva jännite ilmaistuna sen läpi kulkevana virtana Shockley-yhtälöstä:

Piidiodien käänteinen kyllästysvirta huoneenlämmössä on hyvin pieni, yksikköjen tai kymmenien nA luokkaa, joten diodin lävitse lähtevien virtojen suhde ylittää yksiköt nA. Unohtamatta yhtenäisyyttä, voimme arvioida:

Koska ihanteellisen operaatiovahvistimen tulovirta on nolla, niin 1. Kirchhoff-säännön mukaan vastuksen läpi kulkeva virta on yhtä suuri kuin diodin läpi kulkeva virta, eli:

Toisaalta op-vahvistimen invertoivan tulon potentiaali on 0 takaisinkytkentätoiminnon vuoksi, joten vastuksen läpi kulkeva virta Ohmin lain mukaan on:

Lopulta meillä on:

Miinusmerkki osoittaa, että lähtö on käänteinen tuloon nähden.

Yllä oleva piiri on logaritminen vahvistin (muunnin) vain positiivisille tulojännitteille . Negatiivisilla jännitteillä diodi lukittuu ja todellinen operaatiovahvistin menee lähtöjännitteen rajoitukseen - jännite on hieman pienempi kuin operaatiovahvistimen positiivisen virtalähteen jännite ( ).

Yllä olevan kaavion mukaisessa käytännön laitteessa tulojännitteen muutoksen useiden vuosikymmenten muunnosalue (tulojännitteen muutoksella useiden suuruusluokkien verran) saavutetaan tyydyttävällä tarkkuudella, mutta alhaisella lämpötilastabiililla.

Pääasiallinen lämpötilan epävakauden lähde ovat muutokset diodin käänteisessä kyllästysvirrassa ja lämpötilapotentiaalin muutos - Shockley-yhtälöön sisältyvät parametrit. Käytännön logaritmisissa vahvistinpiireissä nämä lämpötilapoikkeamat kompensoidaan piirien lisäyksillä - yleensä lisäämällä piiriin ylimääräinen diodi, jonka parametrit ovat samanlaiset kuin "logaritminen" diodi. Usein bipolaaristen transistorien pn-liitoksia käytetään diodeina tässä piirissä .

Eksponentiaalinen vahvistin

Kuten osiossa " logaritminen vahvistin " on kuvattu (katso kaavojen merkintä tästä osiosta), Shockley-yhtälön mukaan virta sellaisen puolijohdediodin läpi, jossa on pn -liitos ja jonka diodissa on myötäsuuntainen bias, ja sen yli oleva jännite ovat liittyy riippuvuuteen:

missä on diodivirta; - kyllästysvirta käänteisellä biasilla diodissa; - eteenpäin suunnattu jännite diodin yli; - lämpötilapotentiaali (lämpötilajännitys).

Jälleen huomiotta suluissa oleva yksikkö, koska lämpötilapotentiaali on pieni verrattuna diodin eteenpäin menevään jännitteeseen ja voimme suunnilleen laittaa:

Koska ihanteellisen operaatiovahvistimen tulovirta on nolla, ensimmäisen Kirchhoff-säännön mukaan takaisinkytkentävastuksen läpi kulkeva virta on yhtä suuri kuin diodin läpi kulkeva virta, eli:

Operaatiovahvistimen invertoivan tulon potentiaali on 0 takaisinkytkentätoiminnon vuoksi, joten vastuksen läpi kulkeva virta Ohmin lain mukaan on:

Lopulta meillä on:

Kun diodin napaisuus on kytketty päälle kuvassa, vahvistimessa on vain positiivisia tulojännitteitä. Negatiivisella tulojännitteellä diodi lukittuu ja lähtöjännitteen määrää vain diodin käänteinen kyllästysvirta ja se on lähellä nollaa:

Tämän vahvistimen tarkkuus ja lämpötilan stabiilisuus on suunnilleen sama kuin logaritmisella vahvistimella.

Muut käyttötarkoitukset

Katso myös

Muistiinpanot

Viitteet

Linkit