Введение в операционные усилители: 7 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

В этом руководстве я расскажу об операционном усилителе, одном из самых полезных аналоговых устройств. Это устройство может быть сконфигурировано как неинвертирующий или инвертирующий усилитель, компаратор, усилитель напряжения, суммирующий усилитель, инструментальный усилитель, буфер, активный фильтр, генератор на мосту Вина и многие другие приложения. Операционный усилитель поставляется в различных конфигурациях, таких как одиночный 8-контактный DIP LM741 или четырехконтактный 14-контактный операционный усилитель LM324, показанный выше. Есть также типы, которые поставляются в вариантах для поверхностного монтажа.

Шаг 1. Что такое операционный усилитель?

Операционный усилитель, также известный как операционный усилитель, представляет собой усилитель напряжения с высоким коэффициентом усиления со связью по постоянному току, встроенный в микросхему IC. У них есть два входа (дифференциальный вход) и один выход. Они использовались в качестве строительных блоков в аналоговой электронике с момента появления первых устройств в конце 1960-х годов. Одним из достоинств этих устройств является то, что они значительно упростили электронный дизайн благодаря своей стандартизации. Проектирование усилителей с дискретными компонентами потребовало большого количества настроек из-за различий между активными устройствами. Если все усилители построены на одной и той же кремниевой матрице, все они могут быть сделаны одинаковыми и иметь одинаковые характеристики. При проектировании с операционными усилителями определенный коэффициент усиления для устройства можно получить, установив два внешних резистора с определенным соотношением сопротивлений. Например, если требуется коэффициент усиления по напряжению 100 кОм, резистор 100 кОм и резистор 1 кОм могут быть включены в схему, чтобы получить коэффициент 100. Используя эту стратегию, коэффициент усиления всегда будет одинаковым. Самым популярным операционным усилителем всех времен является 741, который существует с начала 70-х годов и использовался поколениями любителей во всем, от аудиоусилителей до источников питания. 741 не использовался промышленностью в течение многих лет, потому что были разработаны более совершенные операционные усилители, но у них все еще есть поклонники среди любителей, и их легко получить. Первые устройства выпускались либо в 8-контактном корпусе с двойным расположением выводов, либо в круглой металлической банке. Позже стали доступны устройства для поверхностного монтажа. 741 и другие операционные усилители его производства использовали биполярные транзисторы с устройствами, использующими входы полевых транзисторов, которые появятся позже. Входы полевых транзисторов начали использоваться из-за необходимости иметь большее входное сопротивление и меньшее потребление тока.

Шаг 2: неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель - это первая схема, которую мы рассмотрим. На приведенной выше схеме операционный усилитель подключен к положительному входу, а резистор обратной связи - к отрицательному. Отношение Rf к Rg определяет усиление. В случае вышеупомянутой схемы коэффициент усиления по напряжению равен 10. На диаграмме посередине показаны «реальные» ограничения операционного усилителя 741, когда прямоугольная волна 10 кГц подается на вход, но выходит в виде треугольной формы волны из-за ограниченная скорость переключения устройства. Когда входной сигнал понижается до прямоугольной волны 1 кГц, выходной сигнал улучшается и больше похож на настоящую прямоугольную волну. Измерение способности операционного усилителя отслеживать изменения амплитуды входного сигнала называется «скоростью нарастания напряжения» и измеряется в вольтах на микросекунду. У 741 очень скромный рейтинг - 0,5 вольт на микросекунду. Высокоскоростные операционные усилители имеют номинальное значение до 5000 вольт на микросекунду, хотя типичный усилитель, такой как TL081, будет иметь среднее значение 13 вольт на микросекунду.

Шаг 3: инвертирующий усилитель

Операционный усилитель может быть сконфигурирован таким образом, чтобы сигнал отрицательного напряжения 1 В можно было инвертировать и усилить, чтобы получить сигнал положительного напряжения 10 В. Эта конфигурация может использоваться везде, где требуется изменение фазы, например, в каскадах драйверов дискретных транзисторных усилителей.

Шаг 4. Использование операционного усилителя в качестве преобразователя прямоугольной волны в синусоидальную

Приведенная выше схема изменит прямоугольную волну с частотой 1000 Гц на синусоидальную волну с частотой 1000 Гц. Это достигается путем фильтрации всех частотных составляющих (гармоник) выше и ниже основной гармоники, которая является синусоидальной волной. Вместо резисторов в цепи обратной связи мы используем частотно-селективные компоненты (конденсаторы), которые обеспечивают отрицательную обратную связь для подавления нежелательных частот. На средней диаграмме показана реальная смоделированная схема и полученная форма волны. Третья диаграмма показывает частотную характеристику схемы. Техническое название схемы этого типа - активный полосовой фильтр. Он позволяет проходить без ослабления только очень узкой полосе частот.

Шаг 5: Использование операционного усилителя в качестве компаратора

Существуют специализированные микросхемы, которые являются лучшими компараторами, но иногда у вас может не быть их под рукой, поэтому всегда полезно знать, как сделать компаратор из операционного усилителя. Краткий обзор того, что такое компаратор, это, по сути, операционный усилитель, настроенный как усилитель без обратной связи, что позволяет усилителю работать с максимальным усилением. Когда один вход связан с определенным напряжением, таким как 3 вольта, показанные на схеме, схема дает выход, который почти равен максимальному напряжению шины, когда два входа находятся под одинаковым напряжением. В случае вышеупомянутой схемы синусоидальная волна 1 кГц дает выходной сигнал, когда она поднимается выше 3 вольт, и переключается снова, когда синусоидальная волна опускается ниже 3 вольт. Компараторы обычно используются в (АЦП) и релаксационных генераторах.

Шаг 6: создание суммирующего усилителя с операционным усилителем

Суммирующий усилитель, представленный выше, принимает два сигнала с частотой 1 кГц, один из которых составляет 10 мВ от пика до пика, а другой - 20 мВ от пика до пика. Результирующий выходной сигнал составляет 60 мВ от пика до пика. Поскольку это инвертирующий усилитель, он выдает сигнал противоположной фазы.

Суммирующие усилители используются в аудиомикшерах, где необходимо складывать разные входы. Путем подачи сигналов в потенциометры можно изменять сигналы для получения желаемого результата.

Шаг 7: аудиомикшер с тремя входами

Эта схема может использоваться для микширования двух инструментов и вокальной дорожки, при необходимости могут быть добавлены дополнительные входы. Каждый входной уровень можно регулировать независимо с помощью потенциометров.