Johdanto toiminnallisiin vahvistimiin: 7 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Tässä ohjeessa esitän johdannon operatiiviseen vahvistimeen, joka on yksi hyödyllisimmistä analogisista laitteista. Tämä laite voidaan konfiguroida invertoimattomaksi tai invertoivaksi vahvistimeksi, vertailijaksi, jännitevahvistimeksi, summausvahvistimeksi, instrumentointivahvistimeksi, puskuriksi, aktiivisuodattimeksi, Wienin siltaoskillaattoriksi ja moniksi muiksi sovelluksiksi. Opamp on saatavana eri kokoonpanoissa, kuten yksi LM741 8 -nastainen DIP tai LM324 14 -nastainen nelivaiheinen vahvistin. On myös tyyppejä, jotka tulevat pinta -asennettaviksi.

Vaihe 1: Mikä on operatiivinen vahvistin?

Operaatiovahvistin, joka tunnetaan myös lyhyesti op-vahvistimena, on DC-kytketty suurivahvistusjännitevahvistin, joka on integroitu IC-siruun. Niissä on kaksi tuloa (differentiaalitulo) ja yksi lähtö. Niitä on käytetty rakennuspalikoina analogisessa elektroniikassa siitä lähtien, kun ensimmäiset laitteet ilmestyivät 1960 -luvun lopulla. Yksi näiden laitteiden kauneuksista on se, että ne yksinkertaistivat suuresti sähköistä suunnittelua niiden standardoinnin luonteen vuoksi. Erillisiä komponentteja sisältävien vahvistimien suunnitteluun liittyi paljon säätämistä aktiivisten laitteiden erojen vuoksi. Jos kaikki vahvistimet on rakennettu samasta piipuristimesta, ne voidaan valmistaa samoiksi ja niillä on samat ominaisuudet. Kun suunnitellaan operaatiovahvistimilla, laitteelle voidaan saada erityinen vahvistus asentamalla kaksi ulkoista vastusta, joilla on tietty vastussuhde. Jos esimerkiksi halutaan jännitevahvistus 100, 100k vastus ja 1k vastus voitaisiin laittaa piiriin 100: n suhteen saamiseksi. Tätä strategiaa käytettäessä vahvistus on sama joka kerta. Kaikkien aikojen suosituin op-vahvistin on 741, joka on ollut olemassa 70-luvun alusta lähtien ja jota on harrastajien sukupolvet käyttäneet kaikessa, vahvistimista virtalähteisiin. 741 ei ole ollut teollisuuden käytössä moneen vuoteen, koska parempia op-vahvistimia on kehitetty, mutta niillä on edelleen seuraajia harrastajien keskuudessa ja ne on helppo hankkia. Ensimmäiset laitteet ilmestyivät joko 8 -nastaisena kaksoislinjapakettityylinä tai pyöreänä metallipurkkina. Myöhemmin tuli saataville pinta -asennettavia laitteita. Sen vuosikerta 741 ja muut op-vahvistimet käyttivät bipolaarisia transistoreita laitteilla, jotka käyttävät kenttätransistorituloja myöhemmin. Kenttävaikutustransistorituloja alettiin käyttää, koska tarve saada suurempi impedanssi ja pienempi virrankulutus.

Vaihe 2: Ei-invertoiva vahvistin

Ei-invertoiva vahvistin on ensimmäinen piiri, jonka käsittelemme. Yllä olevassa kaaviossa op -vahvistin on kytketty tuloon, joka menee positiiviseen tuloon ja takaisinkytkentävastus menee negatiiviseen tuloon. Rf: n ja Rg: n suhde määrää vahvistuksen. Yllä olevan piirin tapauksessa jännitevahvistus on 10. Kaavio keskellä 741 op -vahvistimen "tosimaailman" rajoituksia, kun tuloon syötetään 10 kHz: n neliöaalto, mutta se tulee kolmion muotoisena laitteen rajoitettu kytkentänopeus. Kun tulo lasketaan 1 kHz: n neliöaallolle, lähtö paranee ja näyttää enemmän todelliselta neliöaallolta. Op-vahvistimen kyvyn seurata tulosignaalin amplitudimuutoksia mittausta kutsutaan "Slew Rate" -arvoksi ja se mitataan voltteina mikrosekunnissa. 741: llä on erittäin keskinkertainen arvo, 5 volttia mikrosekunnissa. Nopeiden operaatiovahvistimien luokitukset ovat jopa 5000 volttia mikrosekunnissa, vaikka tyypillisen TL081: n kaltainen keskimääräinen luokitus on 13 volttia mikrosekunnissa.

Vaihe 3: Käänteinen vahvistin

Opamp voidaan konfiguroida siten, että 1 voltin negatiivinen aaltomuoto voidaan kääntää ja vahvistaa 10 voltin positiivisen aaltomuodon saamiseksi. Tätä kokoonpanoa voidaan käyttää missä tahansa vaiheen muutosta tarvitaan, kuten erillisten transistorivahvistimien ohjainvaiheissa.

Vaihe 4: Op -vahvistimen käyttäminen neliöaalto -siniaalto -muuntimena

Yllä oleva piiri muuttaa 1000 Hz: n neliöaallon 1000 Hz: n siniaaltoksi. Se tekee tämän suodattamalla pois kaikki taajuuskomponentit (harmoniset) perus- ja alapuolella, joka on siniaalto. Sen sijaan, että käyttäisimme vastuksia takaisinkytkentäpiirissä, käytämme taajuusselektiivisiä komponentteja (kondensaattoreita), jotka antavat negatiivista palautetta poistamaan ei -toivotut taajuudet. Keskikaavio näyttää todellisen piirin simuloidun ja tuotetun aaltomuodon. Kolmas kaavio esittää piirin taajuusvasteen. Tämän tyyppisten piirien tekninen nimi on aktiivinen kaistanpäästösuodatin. Se sallii vain hyvin kapean taajuuskaistan kulkea vaimentamatta.

Vaihe 5: Op -vahvistimen käyttäminen vertailijana

On omistettuja pelimerkkejä, jotka ovat parempia vertailijoita, mutta joskus sinulla ei ehkä ole niitä käsilläsi, joten on aina hyödyllistä tietää, kuinka tehdä vertailija opampista. Nopea katsaus siihen, mitä vertailija on, se on pohjimmiltaan vahvistin, joka ei ole palautetta, joten vahvistin voi toimia suurimmalla vahvistuksellaan. Kun yksi tulo on sidottu tiettyyn jännitteeseen, kuten kaaviossa esitettyyn 3 volttiin, piiri antaa lähdön, joka on melkein suurin kiskojännite, kun molemmat tulot ovat samalla jännitteellä. Yllä olevan piirin tapauksessa 1 kHz: n siniaalto antaa lähdön, kun se nousee yli 3 volttia, ja kytkeytyy uudelleen, kun siniaalto laskee alle 3 voltin. Vertaajia käytetään yleisesti (ADC) ja rentoutusoskillaattoreissa.

Vaihe 6: Yhteenvetovahvistimen rakentaminen Opampilla

Edellä oleva summausvahvistin ottaa vastaan kaksi 1 kHz: n signaalia, joista toinen on 10 mV huippusta huippuun ja toinen 20 mV huippu huippuun. Tuloksena on 60 mV huippu huippuun. Koska se on invertoiva vahvistin, se lähettää vastakkaisen vaiheen signaalin.

Summaavia vahvistimia käytetään äänisekoittimissa, joissa eri tulot on yhdistettävä. Syöttämällä signaaleja potentiometreihin, signaaleja voidaan muuttaa halutun lähdön antamiseksi.

Vaihe 7: Kolmen tulon äänisekoitin

Tätä piiriä voitaisiin käyttää kahden instrumentin ja lauluraidan sekoittamiseen, lisää tuloja voitaisiin lisätä tarpeen mukaan. Jokainen tulotaso voidaan säätää erikseen potentiometreillä.