Wzmacniacz operacyjny



Informacje, które udało nam się zgromadzić na temat Wzmacniacz operacyjny, zostały starannie sprawdzone i uporządkowane, aby były jak najbardziej przydatne. Prawdopodobnie trafiłeś tutaj, aby dowiedzieć się więcej na temat Wzmacniacz operacyjny. W Internecie łatwo zgubić się w gąszczu stron, które mówią o Wzmacniacz operacyjny, a jednocześnie nie podają tego, co chcemy wiedzieć o Wzmacniacz operacyjny. Mamy nadzieję, że dasz nam znać w komentarzach, czy podoba Ci się to, co przeczytałeś o Wzmacniacz operacyjny poniżej. Jeśli informacje o Wzmacniacz operacyjny, które podajemy, nie są tym, czego szukałeś, daj nam znać, abyśmy mogli codziennie ulepszać tę stronę.

.

Wzmacniacz operacyjny (nazywany równie wzmacniacz operacyjny lub wzmacniacz operacyjny, AO, AOP , Ali i AIL) jest wysokiej wzmocnienia wzmacniacza rónicowego  : jest wzmacniacz elektroniczny które silnie wzmacnia si elektryczny rónica potencjaów obecno na wejciach. Pocztkowo AOP zaprojektowano do wykonywania operacji matematycznych w kalkulatorach analogowych  : umoliwiay atwe zaimplementowanie podstawowych operacji matematycznych, takich jak dodawanie , odejmowanie , cakowanie , wyprowadzanie .i inni. Nastpnie wzmacniacz operacyjny jest wykorzystywany w wielu innych aplikacjach, takich jak sterowanie silnikiem, regulacja napicia, róda prdu, a nawet oscylatory.

Fizycznie wzmacniacz operacyjny skada si z tranzystorów , lamp elektronowych lub innych elementów wzmacniacza. Powszechnie wystpuje w postaci ukadu scalonego .

Bardzo due napicie zysk o otwartej ptli wzmacniacza operacyjnego sprawia, e skadnik stosowany w szerokiej gamie zastosowa. Niektóre wzmacniacze operacyjne ze wzgldu na swoje waciwoci (czas narastania, niskie znieksztacenia harmoniczne  itp. ) specjalizuj si we wzmacnianiu pewnych rodzajów sygnaów, takich jak sygnay audio lub wideo.

Historyczny

Termin Wzmacniacz Operacyjny zawdziczamy Johnowi R. Ragazzini w 1947 roku. Oryginalny wynalazek pochodzi od jednego z jego uczniów, Loebe Julie . Wzmacniacze operacyjne zostay pierwotnie opracowane w erze lamp elektronowych, kiedy byy uywane w komputerach analogowych. Obecnie wzmacniacze operacyjne s dostpne jako ukady scalone, chocia wersje jako komponenty dyskretne s uywane do okrelonych zastosowa.

Pierwszym AOP dostpnym w duych seriach by K2-W firmy GAP/R in . W tym czasie K2-W by sprzedawany za okoo dwadziecia dolarów. Pierwszym zintegrowanym AOP dostpnym w duych ilociach pod koniec lat 60. by dwubiegunowy Fairchild A709 AOP , stworzony przez Boba Widlara w 1965. W 1968 r. A709 zosta zastpiony przez A741, który oferowa lepsz wydajno, bdc jednoczenie bardziej stabilnym i atwiejszym uywa. Chocia oferuje podobn wydajno do swojego gównego konkurenta, LM101 firmy National Semiconductor , A741 sta si standardem, poniewa mia zdolno kompensacji wewntrznej, dziki czemu A741 by atwiejszy w uyciu ni LM101. Cena PDO bardzo si zmienia na pocztku lat 60.: w 1963 r. poprzednik A709, A702, by wart od 150 do 350  dolarów ( dolarów amerykaskich ); w 1965 r. µA709 trafi do sprzeday po 70  USD za sztuk, ale jego cena szybko spada, by w 1967 r. osign 5  USD ; w 1969 r. rednia cena PDO wynosia 2  dolary . W ten sposób w cigu szeciu lat cena PDO zostaa podzielona przez ponad sto, podczas gdy s one coraz wydajniejsze, solidniejsze i atwe w uyciu.

A741 jest produkowany do dzi i sta si wszechobecny w elektronice. Kilku producentów produkuje ulepszon wersj tego PDO, rozpoznawaln po 741 obecnym w ich nazwie. Od tego czasu opracowano bardziej wydajne obwody, niektóre oparte na JFET (koniec lat 70.) lub MOSFET (pocztek lat 80.). Wikszo z tych nowoczesnych AOP moe zastpi A741 w starej konstrukcji obwodu, aby poprawi wydajno.

Wzmacniacze operacyjne s dostpne w standardowych formatach, pinoutach i poziomach napicia zasilania. Dziki kilku zewntrznym komponentom mog osign szerok gam przydatnych funkcji w przetwarzaniu sygnau . Wikszo standardowych ChNP kosztuje tylko kilkadziesit eurocentów, ale dyskretna lub zintegrowana ChNP o niestandardowej charakterystyce niskiej wielkoci produkcji moe kosztowa ponad 100 USD za sztuk.

Gówni producenci wzmacniaczy operacyjnych to: Analog Devices , Linear Technology , Maxim , National Semiconductor , STMicroelectronics oraz Texas Instruments .

Przeciganie

Teoretyczne rozmieszczenie ChNP

AOP zazwyczaj ma dwa wejcia, dwa piny zasilania i jedno wyjcie. Mówi si, e wejcie oznaczone e + jest nieodwracajce, podczas gdy wejcie e - jest odwracajce, ze wzgldu na ich odpowiedni rol w relacjach wejcie / wyjcie wzmacniacza. Rónica potencjaów midzy tymi dwoma wejciami nazywana jest wejciowym napiciem rónicowym.

Dodatni pin zasilania oznaczony jest czasami nazywany , lub V S + . Ujemny zacisk zasilania oznaczony jest czasem , lub V S . Podwojony znak, który znajduje si na indeksie litery V, odnosi si do nazwy pinu tranzystora, do którego ten zasilacz bdzie ogólnie podczony. Zatem oznaczenia i s ogólnie zarezerwowane dla dwubiegunowych AOP (C dla kolektora i E dla emitera ), podczas gdy oznaczenia i s ogólnie zarezerwowane dla AOP z efektem polowym (D dla drenau i S dla róda ).

W zalenoci od zastosowania AOP moe by równie wyposaony w dwa wrzeciona do kompensacji przesunicia oraz jedno wrzeciono do ustawiania kompensacji czstotliwoci.

Istniej AOP z wyjciem rónicowym. Takie wzmacniacze maj dwa piny wyjciowe oraz cztery piny zasilania, aby móc uzyska izolacj galwaniczn midzy wejciem a wyjciem. Wzmacniacze te s równie nazywane wzmacniaczami izolacyjnymi.

Idealny wzmacniacz operacyjny

Pojcie doskonaego lub idealnego wzmacniacza operacyjnego pozwala wnioskowa o teoretycznej pracy wzmacniacza operacyjnego, uwalniajc si od pasoytniczych zjawisk i ogranicze tkwicych w technologicznej rzeczywistoci elementów. Postp poczyniony od czasu pierwszych PDO zmierza, poprzez sta popraw wydajnoci, do zblienia si do idealnego modelu PDO.

Idealny wzmacniacz operacyjny ma nieskoczon impedancj wejciow, wzmocnienie w trybie rónicowym, szybko narastania i szeroko pasma, podczas gdy wzmocnienie w trybie wspólnym i impedancja wyjciowa s zerowe. Ponadto nie ma napicia niezrównowaenia ani prdu polaryzacji. W rzeczywistoci, poniewa wzmocnienie rónicowe wzmacniacza operacyjnego zmienia si znacznie w funkcji czstotliwoci, powszechnie uwaa si go za nieskoczony w celu uproszczenia oblicze. Moliwe jest równie uznanie wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego jako czystego integratora w celu przyblienia rzeczywistego zachowania wzmacniacza.

Charakterystyki te odzwierciedlaj fakt, e doskonay wzmacniacz operacyjny nie zakóca sygnau, który bdzie wzmacnia, a jego napicie wyjciowe zaley tylko od rónicy napi midzy jego dwoma wejciami.

Obecno nieskoczonego wzmocnienia rónicowego oznacza, e najmniejsza rónica potencjaów midzy dwoma wejciami wzmacniacza spowoduje jego nasycenie. Jeeli nie chcemy, aby napicie wyjciowe wzmacniacza ograniczao si tylko do ± Vsat w zalenoci od znaku rónicy potencjaów midzy dwoma wejciami wzmacniacza, stosowanie ujemnego sprzenia zwrotnego jest obowizkowe.

Sprzenie zwrotne na wejciu odwracajcym (lub ujemne sprzenie zwrotne) AOP umoliwia odjcie czci sygnau wyjciowego od sygnau wejciowego wzmacniacza. Dziki temu odjciu ujemne sprzenie zwrotne umoliwia utrzymanie zerowej rónicy potencjaów na wejciu wzmacniacza. Mówimy wtedy o trybie liniowym, poniewa moemy zmienia napicie wyjciowe midzy + V sat i - V sat zgodnie z napiciem przyoonym na wejciu wzmacniacza. Brak sprzenia zwrotnego lub sprzenia zwrotnego na wejciu nieodwracajcym (lub dodatniego sprzenia zwrotnego) AOP spowoduje nasycenie wzmacniacza dodatnim lub ujemnym, w zalenoci od sygnau doprowadzonego do wejcia. Mówimy wtedy o trybie komparatora (lub nasyconym).

Tryb liniowy - zastosowanie do wzmacniacza nieodwracajcego

W tym badaniu zastosowany wzmacniacz operacyjny jest uwaany za doskonay i dziaa w trybie liniowym, poniewa wykorzystuje sprzenie zwrotne na wejciu odwracajcym AOP. Sprzenie zwrotne na wejciu odwracajcym umoliwia uzyskanie ujemnego sprzenia zwrotnego: kady wzrost napicia wyjciowego zmniejszy wejciowe napicie rónicowe AOP. W ten sposób rónica napi midzy dwoma wejciami wzmacniacza jest utrzymywana na poziomie zerowym. Ponadto, poniewa impedancja wejciowa jest nieskoczona, przez te wejcia nie przepywa aden prd. Napicie V E jest w zwizku z tym stwierdzono na wyjciu nieobcionym mostku dzielnik napicia utworzony przez R 2 i R 1 .

Otrzymujemy wtedy:

a wic :

Tryb nasycony zastosowanie do nieodwracajcego komparatora dwuprogowego

Nieodwracajcy wyzwalacz Schmitta

W tym badaniu wemiemy pod uwag, e zastosowany wzmacniacz operacyjny jest doskonay i e dziaa w trybie komparatora, poniewa wykorzystuje sprzenie zwrotne na nieodwracajcym wejciu AOP. Sprzenie zwrotne na wejciu nieodwracajcym umoliwia uzyskanie dodatniego sprzenia zwrotnego: kady wzrost napicia wyjciowego spowoduje zwikszenie wejciowego napicia rónicowego AOP. Zysk rónica wzmacniacza jest nieskoczony, napicie V wyjcie s moe by równa + V tylko cc lub -V cc , zalenie od znaku napicia rónica V diff .

Napicie V e , znoszce napicie rónicowe V diff , jest zatem warte:

W zalenoci od znaku V s moemy zdefiniowa dodatnie napicie przeczania V T + przechodzce przez wyjcie V s od -V cc do + V cc , oraz ujemne napicie przeczania V T - przechodzce V s od + V cc przy -V DC  :

Dodatnie napicie przeczania : Ujemne napicie przeczania: T dla progu , co oznacza próg.

Prawdziwy wzmacniacz operacyjny

Chocia doskonay model AOP moe obliczy funkcj transferu i zrozumie wikszo konfiguracji opartych na AOP, rzeczywiste AOP maj szereg ogranicze w porównaniu z tym modelem.

AOP ma nastpujce wady: obecno offsetu wejciowego, wpyw napicia wspólnego (rednia arytmetyczna napi dwóch wej) na napicie wyjciowe, niezerowa impedancja wyjciowa, nieskoczona impedancja wejciowa i zmienno wzmocnienia w funkcji czstotliwoci. Ponadto na napicie wyjciowe mog wpywa zmiany napicia zasilania i ma ono skoczon szybko narastania .

Wzmocnienie trybu rónicowego i wspólnego

Wzmocnienie rónicowe G diff rzeczywistego AOP jest skoczone i zmienia si w funkcji czstotliwoci. W przypadku skompensowanego AOP zmienno czstotliwoci wzmocnienia rónicowego mona przyrówna do zmian w dolnoprzepustowym systemie pierwszego rzdu , którego iloczyn wzmocnienia i szerokoci pasma jest stay:

Przy G 0 wzmocnienie cige i f 1 , czstotliwo graniczna przy 3 dB . Wzmocnienie G 0 jest zwykle midzy 100 i 130  dB do precyzyjnego AOP a midzy 60 a 70  dB dla szybkiego AOP. W przypadku aplikacji wymagajcych wikszej przepustowoci wystpuj niedostatecznie skompensowane lub, rzadziej, nieskompensowane AOP. Dla tych wzmacniaczy producent okrela minimalne wzmocnienie, dla którego AOP pozostaje bezwarunkowo stabilne (wicej informacji w rozdziale o kompensacji czstotliwoci ).

Napicie wyjciowe AOP zaley nie tylko od rónicy napi midzy tymi dwoma wejciami, ale take od redniej z tych dwóch wej (lub napicia wspólnego). Relacj wejcia-wyjcia ChNP ustala si w nastpujcy sposób:

Z G mc wzmocnienie w trybie wspólnym. W celu okrelenia zdolnoci wzmacniacza do odrzucania trybu wspólnego definiujemy wspóczynnik tumienia trybu wspólnego (TRMC):

Cige TRMC waha si od 70 do 130  dB w zalenoci od wzmacniacza, ale spada gwatownie wraz ze wzrostem czstotliwoci i jest równie zalene od napicia zasilania.

Impedancje wejciowe i wyjciowe

Impedancja wejciowa AOP wynika z jego tranzystorów wejciowych. Wejcie AOP moe by modelowane przez trzy rezystory: dwa rezystory trybu wspólnego i jeden rezystor rónicowy. Rezystory trybu wspólnego s podczone midzy jednym z dwóch wej i zerem, podczas gdy rezystor rónicowy jest umieszczony midzy dwoma wejciami rónicowymi. Rezystory te maj wartoci od 10 5 do 10 12 w zalenoci od technologii zastosowanych tranzystorów.

Dodatkowo z kadym z tych rezystorów jest równolegle kondensator, którego warto moe waha si od kilku pico Farad do 25  pF . Kondensatory te obniaj impedancj wejciow wzmacniacza wysokiej czstotliwoci. Zastosowanie ptli sprzenia zwrotnego zwielokrotnia impedancj wejciow przez wzmocnienie, dziki czemu ptla ta umoliwia zmniejszenie wpywu tych kondensatorów na wzmocnienie przy wysokiej czstotliwoci. Poniewa róda maj równie pojemnoci pasoytnicze powodujce spadek ich impedancji wysokiej czstotliwoci, wpyw impedancji wejciowej AOP, dostarczanego przez ródo o niskiej rezystancji, na system moe by generalnie pominity.

Dla AOP wykorzystaniem prdu sieci, impedancja na wejciu nieodwracajcym moe by modelowane przez rezystor od 10 5 do 10 9  Ohm równolegle z kondensatorem. Wejcie odwracajce moe by ze swej strony modelowane przez obcienie bierne (kondensator lub cewka zgodnie z AOP) poczone szeregowo z rezystancj midzy 10 a 100   .

Impedancja wyjciowa zauway, R S , o AOP nie jest zerem. Jest midzy 50  a 200  . Ta impedancja wyjciowa powoduje spadek napicia wyjciowego wraz ze wzrostem prdu obcienia. W zespole wykorzystujcym sprzenie zwrotne impedancja wyjciowa jest dzielona przez wzmocnienie ptli sprzenia zwrotnego, co umoliwia jej powrót do wartoci bliskiej idealnemu zeru.

Przesunite napicie i prdy wejciowe

Gdy wzmacniacz operacyjny nie otrzymuje sygnau na swoich wejciach (gdy oba wejcia s zerowane), zwykle wystpuje napicie stae, które przesuwa napicie wyjciowe od zera. To przesunicie (lub przesunicie ) wynika z dwóch zjawisk: z jednej strony wasnego napicia niezrównowaenia do obwodów wewntrznych PDO oraz z wpywu prdów polaryzacji pary rónicowej tranzystorów wejciowych obwodu zewntrznego gdzie indziej.

Przesunicie napicia reprezentuje rónic napicia, która powinna by przyoona midzy dwoma wejciami AOP z otwart ptl, gdy jedno z wej jest podczone do zera, aby uzyska zerowe napicie wyjciowe. To napicie przesunicia moe by reprezentowane szeregowo z wejciem nieodwracajcym lub odwracajcym.

Wada ta wynika z niedoskonaoci technologicznych wzmacniacza operacyjnego. Skutkuj one asymetri napi, zwizan na przykad z asymetri VBE tranzystorów rónicowego stopnia wejciowego w AOP z tranzystorami bipolarnymi. Inne niedoskonaoci, takie jak asymetria wzmocnienia i skadowe wewntrzne, przyczyniaj si do tego braku równowagi. W rzeczywistoci bd wyjciowy mona zapisa jako iloczyn wzmocnienia przez wejciowe napicie niezrównowaenia plus napicie niezrównowaenia wzmacniacza wyjciowego. W zalenoci od montau AOP i podanego wzmocnienia, bd stopnia wejciowego lub stopnia wyjciowego bdzie przewaajcy. We wzmacniaczu pomiarowym wzmocnienie moe by due, co powoduje, e dominuje bd ze wzgldu na stopie wejciowy. W przypadku ustawie o niskim wzmocnieniu naley wzi pod uwag napicie przesunicia stopnia wyjciowego. Precyzyjne wzmacniacze s ustawione laserowo, aby ograniczy to przesunicie. Niektóre wzmacniacze oferuj równie anulowanie napicia niezrównowaenia za pomoc zewntrznego potencjometru.

Dla standardowych AOP, napicie niezrównowaenia wynosi od 50 do 500  µV , ale waha si od 1  µV dla wzmacniaczy typu chopper do 50  mV dla gorszych AOP CMOS. Ogólnie rzecz biorc, AOP typu bipolarnego to te, które oferuj najnisze napicia niezrównowaenia, zwaszcza gdy tranzystory wejciowego stopnia rónicowego s idealnie dopasowane. Napicie niezrównowaenia zaley od temperatury. Jest to wane kryterium wpywajce na wykonanie zgromadze, w szczególnoci integratorów. W zalenoci od modeli AOP waha si od kilkudziesiciu µV/°C dla klasycznych AOP do 0,1  µV/°C dla precyzyjnych AOP. W przypadku zespoów precyzyjnych naley równie uwzgldni wpyw starzenia na napicie niezrównowaenia.

Prdy pynce przez kade z wej AOP, gdy nie jest do niego doprowadzony aden sygna, pochodz z prdów polaryzacji tranzystorów wejciowych. Definiujemy prd polaryzacji, który jest redni midzy prdami polaryzacji przepywajcymi przez dwa wejcia i prdem offsetu zwanym prdem offsetowym, który jest rónic midzy prdami polaryzacji przepywajcymi przez dwa wejcia. Prd polaryzacji moe waha si od 60  fA do kilku µA. Prd offsetu zaley równie od temperatury. Moe waha si od kilkudziesiciu nA/°C do kilku pA/°C, a nawet niszych wartoci.

Prdko przemiatania

Szybko skanowania (lub szybko narastania ) to maksymalna szybko zmiany napicia, która moe wytworzy wzmacniacz. Gdy szybko zmian sygnau wyjciowego wzmacniacza jest wiksza ni jego szybko narastania, jego napicie wyjciowe jest lini nachylenia .

.

Szybko skanowania jest wyraona w V / µs.

W AOP szybko narastania generalnie zaley od maksymalnego prdu, jaki moe dostarczy stopie rónicowy. Stopie rónicowy zasila stopie wzmocnienia napiciowego prdem proporcjonalnym do rónicy napi midzy dwoma wejciami. Prd ten jest uywany gównie do adowania wewntrznego kondensatora kompensacyjnego C obecnego w stopniu wzmocnienia napicia. Zaleno prd/napicie jest wtedy taka jak w przypadku kondensatora:

Maksymalny prd, jaki moe zapewni stopie wejciowy, równy dwukrotnoci prdu polaryzacji przepywajcego przez kolektor jednego z tranzystorów wejciowych, szybko narastania mona uzyska w nastpujcy sposób:

Dla µA741 prd polaryzacji = 10  µA i wewntrzna pojemno kompensacji C = 30  pF, co daje szybko skanowania 0,67  V / µS i jest zgodne z tym, co mona zmierzy. Jeli AOP nie ma zdolnoci kompensacji, szybko narastania jest okrelana przez zdolnoci pasoytnicze wewntrzne dla AOP. Takie AOP maj szybko narastania i wiksz przepustowo ni kompensowane AOP, ale nie s stabilne, gdy s uywane jako follower .

AOPy BiFET z kompensacj szybkiej czstotliwoci, seria TL071 - TL081 i pochodne, maj wysze szybkoci narastania , rzdu 10 do 20  V / µs .

Charakterystyka

Typowe cechy niektórych ChNP
wasno Rzd
wielkoci
Dwubiegunowy
(LM741)
BiFET
(TL081)
Bimos
(CA3140)
Cmos
(LMC6035)
Wzmocnienie A diff = V s / (V + -V - ) > 10 5 2*10 5 2*10 5 10 5 10 6
Zysk G diff = 20.log (A diff ) > 100 106 106 100 120
Impedancja wejciowa Re () > 10 5 2*10 6 10 12 1,5 * 10 12 > 10 13
Impedancja wyjciowa Rs () <200 75 100 60
Czstotliwo graniczna f1 10  Hz ~ 20  Hz
Prdy upywowe I + , I- <500 nA 80 nA 30 pa 10 pa 0,02 Pa
Przesunicie napicia Voff (mV) <10 1 3 8 0,5
TRMC G diff / G mc (dB) > 70 90 86 90 96
Napicie szumu (nV / ) 18 40 27

Kompensacja przesunicia wejciowego

Prd polaryzacji

Prdy polaryzacji (zanotowane i na rysunku obok) powoduj spadek napicia na elementach obwodu, tworzc w ten sposób napicie niezrównowaenia. Jest to moliwe, aby zmniejszy to przesunicie napicia przez wstawienie midzy zerem a wejciem nieodwracajcym rezystor R 3 o takiej samej wartoci jak równowanej opornoci obwodu patrzc od wejcia odwracajcego. W ten sposób midzy dwoma wejciami AOP powstaje równowany spadek napicia.

Mamy nadzieję, że informacje, które zgromadziliśmy na temat Wzmacniacz operacyjny, były dla Ciebie przydatne. Jeśli tak, nie zapomnij polecić nas swoim przyjaciołom i rodzinie oraz pamiętaj, że zawsze możesz się z nami skontaktować, jeśli będziesz nas potrzebować. Jeśli mimo naszych starań uznasz, że informacje podane na temat _title nie są całkowicie poprawne lub że powinniśmy coś dodać lub poprawić, będziemy wdzięczni za poinformowanie nas o tym. Dostarczanie najlepszych i najbardziej wyczerpujących informacji na temat Wzmacniacz operacyjny i każdego innego tematu jest istotą tej strony internetowej; kierujemy się tym samym duchem, który inspirował twórców Encyclopedia Project, i z tego powodu mamy nadzieję, że to, co znalazłeś o Wzmacniacz operacyjny na tej stronie pomogło Ci poszerzyć swoją wiedzę.

Opiniones de nuestros usuarios

Kaja Kasprzyk

Dzięki. Pomógł mi artykuł o Wzmacniacz operacyjny.

Honorata Klimek

Informacje o zmiennej Wzmacniacz operacyjny są bardzo ciekawe i rzetelne, podobnie jak pozostałe artykuły, które przeczytałem do tej pory, a jest ich już wiele, bo na randkę na Tinderze czekam prawie godzinę i się nie pojawia, więc daje mi to, że mnie to wystawiło. Korzystam z okazji, aby zostawić kilka gwiazdek dla firmy i srać na moje pieprzone życie.

Henryk Mazurek

Wspaniałe odkrycie tego artykułu na Wzmacniacz operacyjny i całej stronie. Przechodzi prosto do ulubionych.

Jakub Sowiński

W tym poście o Wzmacniacz operacyjny dowiedziałem się rzeczy, których nie znałem, więc mogę już iść spać.

Andrzej Janowski

Świetny post o Wzmacniacz operacyjny.