Ako funguje operačný zosilňovač? Operačné zosilňovače pre začiatočníkov

Operačný zosilňovač (op-amp) angl. Operačný zosilňovač (OpAmp), ľudovo známy ako operačný zosilňovač, je jednosmerný prúdový zosilňovač (DCA) s veľmi vysokým ziskom. Fráza "jednosmerný zosilňovač" neznamená, že operačný zosilňovač môže zosilňovať iba jednosmerný prúd. To znamená, že počnúc frekvenciou nula Hertz, a to je jednosmerný prúd.

Pojem „prevádzkový“ sa už dlho posilňuje, pretože prvé vzorky operačných zosilňovačov sa používali na rôzne matematické operácie, ako je integrácia, diferenciácia, sčítanie atď. Faktor zosilnenia operačného zosilňovača závisí od jeho typu, účelu, štruktúry a môže presiahnuť 1 milión!

Obvod operačného zosilňovača

V diagramoch je operačný zosilňovač označený takto:

alebo tak

Najčastejšie sú operačné zosilňovače na diagramoch označené bez napájacích kolíkov

Vstup so znamienkom plus sa nazýva neinvertujúci a vstup so znamienkom mínus sa nazýva invertujúci. Nezamieňajte si tieto dva znaky s polaritou napájania! NEhovoria, že na invertujúci vstup je potrebné dodať signál s negatívnou polaritou, ale do neinvertujúceho signálu s pozitívnou polaritou, a potom pochopíte prečo.

Napájanie operačného zosilňovača

Ak napájacie kolíky nie sú označené, predpokladá sa, že operačný zosilňovač je napájaný bipolárnym napájaním +E a -E Volt. Označuje sa tiež ako +U a -U, V CC a V EE, Vc a V E. Najčastejšie je to +15 a -15 voltov. Bipolárna výživa sa tiež nazýva bipolárna výživa. Ako tomu rozumiete - bipolárna výživa?

Predstavme si batériu

Myslím, že všetci viete, že batéria má „plus“ a „mínus“. V tomto prípade sa „mínus“ batérie považuje za nulu a batérie sa počítajú vzhľadom na nulu. V našom prípade je napätie batérie 1,5 V.

Zoberme si ďalšiu takúto batériu a zapojme ich do série:

Takže naše celkové napätie bude 3 volty, ak berieme mínus prvej batérie ako nulu.

Ale čo keď mínus druhej batérie vynulujete a zmeriate všetky príslušné napätia?

Tu máme bipolárne napájanie.

Ideálny a skutočný model operačného zosilňovača

Aby ste pochopili podstatu fungovania operačného zosilňovača, zvážte to perfektné A reálny modelov.

1) ideálny operačný zosilňovač je nekonečne veľký.

V skutočných operačných zosilňovačoch závisí hodnota vstupného odporu od účelu operačného zosilňovača (univerzálny, video, presný atď.), typu použitých tranzistorov a konštrukcie obvodu vstupného stupňa a môže sa pohybovať od stoviek ohmov až desiatok megaohmov. Typická hodnota pre všeobecné operačné zosilňovače je niekoľko megaohmov.

2) Druhé pravidlo vyplýva z prvého pravidla. Pretože vstupná impedancia ideálneho operačného zosilňovača je nekonečne veľká, vstupná impedancia bude nulová.

V skutočnosti je tento predpoklad celkom platný pre operačné zosilňovače so vstupnými prúdmi, ktorých vstupné prúdy môžu byť menšie ako pikoampéry. Existuje však aj operačný zosilňovač so vstupom. Tu už môže byť vstupný prúd desiatky mikroampérov.

3) Výstupná impedancia ideálneho operačného zosilňovača je nulová.

To znamená, že napätie na výstupe operačného zosilňovača sa pri zmene záťažového prúdu nezmení. V skutočných všeobecných operačných zosilňovačoch sú to desiatky ohmov (zvyčajne 50 ohmov).
Okrem toho výstupná impedancia závisí od frekvencie signálu.

4) Zisk v ideálnom operačnom zosilňovači je nekonečne veľký. V skutočnosti je obmedzené vnútorným obvodom operačného zosilňovača a výstupné napätie je obmedzené napájacím napätím.

5) Pretože zisk je nekonečne veľký, rozdiel napätia medzi vstupmi ideálneho operačného zosilňovača je nulový. V opačnom prípade, aj keď je potenciál jedného vstupu väčší alebo menší ako aspoň náboj jedného elektrónu, potom výstup bude mať nekonečne veľký potenciál.

6) Zisk v ideálnom operačnom zosilňovači nezávisí od frekvencie signálu a je konštantný na všetkých frekvenciách. V skutočných operačných zosilňovačoch je táto podmienka splnená iba pre nízke frekvencie na akúkoľvek medznú frekvenciu, ktorá je individuálna pre každý operačný zosilňovač. Za medznú frekvenciu sa zvyčajne považuje pokles zosilnenia o 3 dB alebo až do 0,7 zosilnenia pri nulovej frekvencii (DC).

Obvod najjednoduchšieho operačného zosilňovača s tranzistormi vyzerá asi takto:

Princíp činnosti operačného zosilňovača

Pozrime sa, ako funguje operačný zosilňovač

Princíp činnosti operačného zosilňovača je veľmi jednoduchý. Porovnáva tieto dve napätia a na výstupe vytvára záporný alebo kladný napájací potenciál. Všetko závisí od toho, ktorý vstup má najväčší potenciál. Ak je potenciál na NEinvertujúcom vstupe U1 väčší ako na invertujúcom U2, výstup bude +Upit, ale ak je potenciál na invertujúcom vstupe U2 väčší ako na NEinvertujúcom U1, výstup bude - Upit. To je celý princíp ;-).

Pozrime sa na tento princíp v simulátore Proteus. Na tento účel vyberieme najjednoduchší a najbežnejší operačný zosilňovač LM358 (analógy 1040UD1, 1053UD2, 1401UD5) a zostavíme primitívny obvod zobrazujúci princíp činnosti

Aplikujme 2 volty na neinvertujúci vstup a 1 volt na invertujúci vstup. Keďže potenciál je väčší na neinvertujúcom vstupe, na výstupe by sme teda mali dostať +Upit. Dostali sme 13,5 V, čo je blízko tejto hodnoty

Ale prečo nie 15 voltov? Za všetko môžu vnútorné obvody samotného operačného zosilňovača. Maximálna hodnota operačného zosilňovača sa nemusí vždy rovnať kladnému alebo zápornému napájaciemu napätiu. Môže sa líšiť od 0,5 do 1,5 V v závislosti od typu operačného zosilňovača.

Ale ako sa hovorí, každá rodina má svojich černochov, a preto sa na trhu už dávno objavili operačné zosilňovače, ktoré dokážu na výstupe vyprodukovať prijateľné napájacie napätie, čiže v našom prípade ide o hodnoty blízke +15 a -15 voltov. Táto funkcia sa nazýva Rail-to-Rail, čo je doslovne preložené z angličtiny. „zo železnice na železnicu“ a v jazyku elektroniky „z jednej napájacej zbernice do druhej“.

Aplikujme teraz potenciál väčší na invertujúci vstup ako na neinvertujúci vstup. Aplikujeme 2 volty na invertujúci a 1 volt na neinvertujúci:

Ako vidíte, v tento moment výstup prešiel na -Upit, pretože potenciál na invertujúcom vstupe bol väčší ako na neinvertujúcom vstupe.

Aby ste už raz nesťahovali softvérový balík Proteus, môžete online simulovať fungovanie ideálneho operačného zosilňovača pomocou programu Falstad. Ak to chcete urobiť, vyberte kartu Circuits—Op-Amps—>OpAmp. V dôsledku toho sa na obrazovke zobrazí nasledujúci diagram:

Na pravom ovládacom paneli uvidíte posuvníky na pridávanie napätia na vstupy operačného zosilňovača a už aj vizuálne vidíte, čo sa stane na výstupe operačného zosilňovača, keď sa zmení napätie na vstupoch.

Takže sme zvážili prípad, keď sa napätie na vstupoch môže líšiť. Čo sa však stane, ak sú si rovní? Čo nám v tomto prípade ukáže Proteus? Hmm, ukázal +Upit.

Čo ukáže Falstad? Zero Volt.

Komu veriť? Nikto! V reálnom živote to nie je možné urobiť, aby sa na dva vstupy privádzali absolútne rovnaké napätia. Preto bude takýto stav operačného zosilňovača nestabilný a výstupné hodnoty môžu nadobúdať hodnoty buď -E Volt alebo +E Volt.

Aplikujme na neinvertujúci vstup sínusový signál s amplitúdou 1 Volt a frekvenciou 1 kilohertz a invertujúci položme na zem, teda na nulu.

Pozrime sa, čo máme na virtuálnom osciloskope:

Čo možno povedať v tomto prípade? Keď je sínusový signál v zápornej oblasti, máme -Upit na výstupe operačného zosilňovača a keď je sínusový signál v kladnej oblasti, potom máme na výstupe +Upit. Tiež si všimnite, že napätie na výstupe operačného zosilňovača nemôže náhle zmeniť svoju hodnotu. Preto má operačný zosilňovač taký parameter, ako je rýchlosť nárastu výstupného napätia V Uout .

Tento parameter ukazuje, ako rýchlo sa môže výstupné napätie operačného zosilňovača meniť pri prevádzke v impulzných obvodoch. Merané vo voltoch/sek. No ako si pochopil čo väčšiu hodnotu tento parameter, tým lepšie sa operačný zosilňovač správa v impulzných obvodoch. Pre LM358 je tento parameter 0,6 V/µs.

So vstupom od Jeera

Často si spomínam na svoje prvé zoznámenie s operačným zosilňovačom (op-amp). Vždy som vedel, že tieto tajomné trojuholníky na diagramoch mi budú užitočné po celý život. Dlhé bezsenné noci strávené štúdiom ich princípu fungovania však k ničomu neviedli. Existuje veľa článkov na túto tému, ale zdá sa mi, že samotné základy nie sú zrejmé. Skúsim sa priblížiť trochu z druhej strany a rozptýliť sa strašné tajomstvá OU.

Pokúsme sa zistiť, aké „operácie“ náš operačný zosilňovač zosilňuje.

Problém: existuje zdroj signálu, napríklad signál z mikrofónu alebo gitarového snímača. Ak je mikrofón pripojený priamo k slúchadlám, s najväčšou pravdepodobnosťou nebudete počuť nič, v najlepšom prípade to bude sotva vnímateľný zvuk.

Predstavme si namiesto mikrofónu človeka, ktorý sa snaží zdvihnúť ťažkú ​​dosku, prirodzene to nedokáže a mikrofón tiež nedokáže rozkývať reproduktor. Ale ak táto osoba použije malú silu na ovládanie žeriavu, potom bude schopná zdvihnúť akékoľvek bremeno v rámci nosnosti žeriavu. Tie. faucetom je v tomto prípade zosilňovač. Analógom nosnosti žeriavu je výkon zosilňovača. Význam zisku by mal byť jasný z obrázku. Frekvencia a tvar signálu zostávajú rovnaké, mení sa len amplitúda.

Teraz vieme, že na to, aby ste počuli zvuk z reproduktorov, potrebujete zosilňovač. Zatiaľ čo nevieme, ako to funguje a čo je v ňom, už vieme, že musia existovať nohy, do ktorých sa privádza signál, že chceme zosilniť Uin, ako aj nohy, z ktorých sa odoberá zosilnený signál Uout.

Otázka je, na aké napätie sa dá signál zosilniť? Hovoríte: „Chcem zosilniť 220 V na 1 000 000 V,“ ale to nie je možné, prečo? Pretože pôvodný signál je zosilnený externým zdrojom. Vonkajším zdrojom bude napájacie napätie operačného zosilňovača. Podobne ani žeriav nedokáže zdvihnúť bremeno nad jeho výšku (zhodnime sa, že nie :)). Preto napätie na výstupe operačného zosilňovača nemôže prekročiť napájacie napätie. V skutočnosti je to dokonca o niečo menej ako napájacie napätie. Napríklad pre LM324 sa napájacie napätie pohybuje od 3 do 32V.

Teraz vieme, že operačný zosilňovač vyžaduje externé napájanie, poďme nakresliť tieto nohy

Mimochodom, sme zvyknutí, že náš zdroj je unipolárny +5V a zem. Tu je jemný bod, ak potrebujete zosilniť signál, ktorý má záporné hodnoty,

potom je potrebné pripojiť k -Upit zdroj záporného napätia, a nie zem. Ak pripojíte zem, ukáže sa, že tam nie je zdroj napätia a „spodná“ (záporná) časť signálu nebude zosilnená, t.j. časť signálu bude „odrezaná“, viac o tom v príklade.

Podobne, ak zosilníte signál viac ako napájacie napätie, tak v tých miestach, kde signál prevyšuje napájacie napätie, dôjde k „odrezaniu“ signálu, t.j. namiesto sínusoidy uvidíme niečo takéto

Hlavná otázka zostáva: ako nastaviť zisk? Veľmi jednoducho - delič napätia. Najprv však prejdime k reálnejším zápisom. Každý operačný zosilňovač má najmenej 5 nožičiek - 2 napájacie zdroje, ktoré boli uvedené vyššie, invertovaný vstup (-), neinvertovaný vstup (+) a výstup.

Preto v závislosti od toho, na ktorý vstup je privádzaný zdrojový signál, sa rozlišujú dva typy zapojenia: neinvertujúci zosilňovač

Zisk, ktorý sa rovná K=(R4/R3)+1. V tomto prípade K=4. V tomto prípade sa tvar výstupného signálu nemení.

A invertujúci so ziskom K=-(R2/R1). Pre túto schému K=3. Výstupný signál bude mimo fázy so vstupom.

Prejdime od slov k činom. Ako zdrojový signál bola braná štvorcová vlna s frekvenciou 1 kHz. Signál má kladné aj záporné hodnoty (uprostred obrazovky 0). Amplitúda signálu 50mV.

Op-amp (L324) pripájam pomocou neinvertujúceho obvodu zosilňovača. Napájanie je unipolárne. Výstup operačného zosilňovača je signál rovnakého tvaru, ale s väčšou amplitúdou. Asi nie je celkom jasné, prečo má signál takú amplitúdu a prečo sa posunul nahor.

Skúsme na to prísť. Amplitúda pôvodného signálu je 50mV, R4=30k, R3=10k, dosadíme do vzorca 50*(30/10+1)=200mV, veľmi podobné tomu, čo je vidieť na osciloskope. Prečo sa signál posunul nahor? Pripomíname nevýhodu unipolárneho napájania: všetko pod 0 sa nedá zosilniť, takže pri 0 sa signál preruší.

Teraz si predstavte, že ak by bol na napájací kolík pripojený zdroj záporného napätia, povedzme -5V, amplitúda signálu by sa zdvojnásobila!!! V dôsledku toho by sa objem výrazne zvýšil.

Vlastne je to malý predslov, pred začatím štúdia operačného zosilňovača je všetko uvedené vyššie len kvapkou v mori, ak sa vám to páčilo, napíšte, postupne si osvojíme ďalšie aplikácie operačného zosilňovača vr. a praktické schémy.

V kurze elektroniky je veľa dôležitých tém. Dnes sa pokúsime pochopiť operačné zosilňovače.
Začať odznova. Operačný zosilňovač je „vec“, ktorá vám umožňuje pracovať s analógovými signálmi všetkými možnými spôsobmi. Najjednoduchšie a najzákladnejšie sú zosilnenie, zoslabenie, sčítanie, odčítanie a mnohé ďalšie (napríklad derivácia alebo logaritmus). Prevažná väčšina operácií na operačných zosilňovačoch (ďalej len operačné zosilňovače) sa vykonáva pomocou pozitívnej a negatívnej spätnej väzby.
V tomto článku sa budeme zaoberať určitým „ideálnym“ operačným zosilňovačom, pretože Prechádzať na konkrétny model nemá zmysel. Ideálom sa myslí, že vstupný odpor bude mať tendenciu k nekonečnu (preto bude mať vstupný prúd tendenciu k nule) a výstupný odpor naopak bude mať tendenciu k nule (to znamená, že záťaž by nemala ovplyvňovať výstupné napätie). ). Každý ideálny operačný zosilňovač by mal tiež zosilňovať signály akejkoľvek frekvencie. No a čo je najdôležitejšie, zisk pri absencii spätnej väzby by mal tiež inklinovať k nekonečnu.

Choďte k veci

Operačný zosilňovač je v diagramoch často symbolizovaný rovnostranným trojuholníkom. Vľavo sú vstupy, ktoré sú označené „-“ a „+“, vpravo je výstup. Napätie môže byť privedené na ktorýkoľvek zo vstupov, z ktorých jeden mení polaritu napätia (preto sa nazýva invertujúci), druhý nie (je logické predpokladať, že sa nazýva neinvertujúci). Napájanie operačného zosilňovača je najčastejšie bipolárne. Kladné a záporné napájacie napätie má zvyčajne rovnakú hodnotu (ale iné znamienko!).
V najjednoduchšom prípade môžete zdroje napätia pripojiť priamo na vstupy operačného zosilňovača. Potom sa výstupné napätie vypočíta podľa vzorca:
, kde je napätie na neinvertujúcom vstupe, je napätie na invertujúcom vstupe, je výstupné napätie a je zisk v otvorenej slučke.
Pozrime sa na ideálny operačný zosilňovač z pohľadu Proteusa.


Navrhujem, aby ste sa s ním „hrali“. Na neinvertujúci vstup bolo privedené napätie 1V. Na invertovanie 3V. Používame „ideálny“ operačný zosilňovač. Takže dostaneme: . Ale tu máme obmedzovač, pretože nebudeme môcť zosilniť signál nad naše napájacie napätie. Na výstupe teda stále dostaneme -15V. výsledok:


Zmeňme zisk (aby ste mi verili). Nech sa parameter Voltage Gain rovná dvom. Rovnaký problém je jasne vyriešený.

Aplikácia operačných zosilňovačov v reálnom živote na príklade invertujúcich a neinvertujúcich zosilňovačov

Toto sú dve Hlavná pravidlá:
ja Výstup operačného zosilňovača má tendenciu spôsobiť, že rozdielové napätie (rozdiel medzi napätím na invertujúcom a neinvertujúcom vstupe) bude nulové.
II. Vstupy operačného zosilňovača nespotrebúvajú žiadny prúd.
Prvé pravidlo sa implementuje prostredníctvom spätnej väzby. Tie. napätie sa prenáša z výstupu na vstup takým spôsobom, že potenciálny rozdiel je nulový.
Toto sú takpovediac „posvätné kánony“ v téme OU.
A teraz konkrétnejšie. Invertujúci zosilňovač vyzerá presne takto (venujte pozornosť tomu, ako sú umiestnené vstupy):


Na základe prvého „kánu“ získame pomer:
a po „malej mágii“ so vzorcom odvodíme hodnotu zisku invertujúceho operačného zosilňovača:

Vyššie uvedená snímka obrazovky nepotrebuje žiadne komentáre. Stačí všetko zapojiť a skontrolovať sami.

Ďalšia fáza - neinvertujúci zosilňovač.
Všetko je tu tiež jednoduché. Napätie sa privádza priamo na neinvertujúci vstup. Spätná väzba sa dodáva na invertujúci vstup. Napätie na invertujúcom vstupe bude:
, ale použitím prvého pravidla môžeme povedať, že

A opäť, „grandiózne“ znalosti v oblasti vyššej matematiky nám umožňujú prejsť na vzorec:
Dám vám komplexnú snímku obrazovky, ktorú si môžete skontrolovať, ak chcete:

Na záver vám dám pár zaujímavých obvodov, aby ste nenadobudli dojem, že operačné zosilňovače dokážu len zosilniť napätie.

Napäťový sledovač (zosilňovač vyrovnávacej pamäte). Princíp činnosti je rovnaký ako pri tranzistorovom zosilňovači. Používa sa v obvodoch s vysokou záťažou. Môže sa tiež použiť na vyriešenie problému impedančného prispôsobenia, ak obvod obsahuje nežiaduce deličy napätia. Schéma je jednoduchá až geniálna:

Sumárny zosilňovač. Môže sa použiť, ak potrebujete pridať (odčítať) niekoľko signálov. Pre prehľadnosť je tu schéma (opäť venujte pozornosť umiestneniu vstupov):


Venujte pozornosť aj skutočnosti, že R1 = R2 = R3 = R4 a R5 = R6. Výpočtový vzorec v tomto prípade bude: (známy, však?)
Vidíme teda, že hodnoty napätia, ktoré sa privádzajú na neinvertujúci vstup, „získajú“ znamienko plus. Na obrátenej - mínus.

Záver

Obvody operačného zosilňovača sú mimoriadne rozmanité. V zložitejších prípadoch môžete nájsť aktívne filtračné obvody, ADC a úložné vzorkovacie zariadenia, výkonové zosilňovače, prevodníky prúdu na napätie a mnoho ďalších obvodov.

Zoznam zdrojov

Krátky zoznam zdrojov, ktoré vám pomôžu rýchlo si zvyknúť na operačné zosilňovače a elektroniku vo všeobecnosti:
Wikipedia
P. Horowitz, W. Hill. "Umenie dizajnu obvodov"
B. Baker. „Čo potrebuje digitálny vývojár vedieť o analógovej elektronike“
Poznámky z prednášok o elektronike (najlepšie vlastné)
UPD:Ďakujem UFO na pozvanie

V kurze elektroniky je veľa dôležitých tém. Dnes sa pokúsime pochopiť operačné zosilňovače.
Začať odznova. Operačný zosilňovač je „vec“, ktorá vám umožňuje pracovať s analógovými signálmi všetkými možnými spôsobmi. Najjednoduchšie a najzákladnejšie sú zosilnenie, zoslabenie, sčítanie, odčítanie a mnohé ďalšie (napríklad derivácia alebo logaritmus). Prevažná väčšina operácií na operačných zosilňovačoch (ďalej len operačné zosilňovače) sa vykonáva pomocou pozitívnej a negatívnej spätnej väzby.
V tomto článku sa budeme zaoberať určitým „ideálnym“ operačným zosilňovačom, pretože Prechádzať na konkrétny model nemá zmysel. Ideálom sa myslí, že vstupný odpor bude mať tendenciu k nekonečnu (preto bude mať vstupný prúd tendenciu k nule) a výstupný odpor naopak bude mať tendenciu k nule (to znamená, že záťaž by nemala ovplyvňovať výstupné napätie). ). Každý ideálny operačný zosilňovač by mal tiež zosilňovať signály akejkoľvek frekvencie. No a čo je najdôležitejšie, zisk pri absencii spätnej väzby by mal tiež inklinovať k nekonečnu.

Choďte k veci

Operačný zosilňovač je v diagramoch často symbolizovaný rovnostranným trojuholníkom. Vľavo sú vstupy, ktoré sú označené „-“ a „+“, vpravo je výstup. Napätie môže byť privedené na ktorýkoľvek zo vstupov, z ktorých jeden mení polaritu napätia (preto sa nazýva invertujúci), druhý nie (je logické predpokladať, že sa nazýva neinvertujúci). Napájanie operačného zosilňovača je najčastejšie bipolárne. Kladné a záporné napájacie napätie má zvyčajne rovnakú hodnotu (ale iné znamienko!).
V najjednoduchšom prípade môžete zdroje napätia pripojiť priamo na vstupy operačného zosilňovača. Potom sa výstupné napätie vypočíta podľa vzorca:
, kde je napätie na neinvertujúcom vstupe, je napätie na invertujúcom vstupe, je výstupné napätie a je zisk v otvorenej slučke.
Pozrime sa na ideálny operačný zosilňovač z pohľadu Proteusa.


Navrhujem, aby ste sa s ním „hrali“. Na neinvertujúci vstup bolo privedené napätie 1V. Na invertovanie 3V. Používame „ideálny“ operačný zosilňovač. Takže dostaneme: . Ale tu máme obmedzovač, pretože nebudeme môcť zosilniť signál nad naše napájacie napätie. Na výstupe teda stále dostaneme -15V. výsledok:

Zmeňme zisk (aby ste mi verili). Nech sa parameter Voltage Gain rovná dvom. Rovnaký problém je jasne vyriešený.

Aplikácia operačných zosilňovačov v reálnom živote na príklade invertujúcich a neinvertujúcich zosilňovačov

Toto sú dve Hlavná pravidlá:
ja Výstup operačného zosilňovača má tendenciu spôsobiť, že rozdielové napätie (rozdiel medzi napätím na invertujúcom a neinvertujúcom vstupe) bude nulové.
II. Vstupy operačného zosilňovača nespotrebúvajú žiadny prúd.
Prvé pravidlo sa implementuje prostredníctvom spätnej väzby. Tie. napätie sa prenáša z výstupu na vstup takým spôsobom, že potenciálny rozdiel je nulový.
Toto sú takpovediac „posvätné kánony“ v téme OU.
A teraz konkrétnejšie. Invertujúci zosilňovač vyzerá presne takto (venujte pozornosť tomu, ako sú umiestnené vstupy):


Na základe prvého „kánu“ získame pomer:
a po „malej mágii“ so vzorcom odvodíme hodnotu zisku invertujúceho operačného zosilňovača:

Vyššie uvedená snímka obrazovky nepotrebuje žiadne komentáre. Stačí všetko zapojiť a skontrolovať sami.

Ďalšia fáza - neinvertujúci zosilňovač.
Všetko je tu tiež jednoduché. Napätie sa privádza priamo na neinvertujúci vstup. Spätná väzba sa dodáva na invertujúci vstup. Napätie na invertujúcom vstupe bude:
, ale použitím prvého pravidla môžeme povedať, že

A opäť, „grandiózne“ znalosti v oblasti vyššej matematiky nám umožňujú prejsť na vzorec:
Dám vám komplexnú snímku obrazovky, ktorú si môžete skontrolovať, ak chcete:

Na záver vám dám pár zaujímavých obvodov, aby ste nenadobudli dojem, že operačné zosilňovače dokážu len zosilniť napätie.

Napäťový sledovač (zosilňovač vyrovnávacej pamäte). Princíp činnosti je rovnaký ako pri tranzistorovom zosilňovači. Používa sa v obvodoch s vysokou záťažou. Môže sa tiež použiť na vyriešenie problému impedančného prispôsobenia, ak obvod obsahuje nežiaduce deličy napätia. Schéma je jednoduchá až geniálna:

Sumárny zosilňovač. Môže sa použiť, ak potrebujete pridať (odčítať) niekoľko signálov. Pre prehľadnosť je tu schéma (opäť venujte pozornosť umiestneniu vstupov):


Venujte pozornosť aj skutočnosti, že R1 = R2 = R3 = R4 a R5 = R6. Výpočtový vzorec v tomto prípade bude: (známy, však?)
Vidíme teda, že hodnoty napätia, ktoré sa privádzajú na neinvertujúci vstup, „získajú“ znamienko plus. Na obrátenej - mínus.

Záver

Obvody operačného zosilňovača sú mimoriadne rozmanité. V zložitejších prípadoch môžete nájsť aktívne filtračné obvody, ADC a úložné vzorkovacie zariadenia, výkonové zosilňovače, prevodníky prúdu na napätie a mnoho ďalších obvodov.

Zoznam zdrojov

Krátky zoznam zdrojov, ktoré vám pomôžu rýchlo si zvyknúť na operačné zosilňovače a elektroniku vo všeobecnosti:
Wikipedia
P. Horowitz, W. Hill. "Umenie dizajnu obvodov"
B. Baker. „Čo potrebuje digitálny vývojár vedieť o analógovej elektronike“
Poznámky z prednášok o elektronike (najlepšie vlastné)

Tagy: operačné zosilňovače, operačný zosilňovač, elektronika, pre začiatočníkov

) budeme pracovať s OP97 a AD620. Najprv sa pozrime na AD620. V údajovom liste je to uvedené takto:

Obr.2b

AD620 je prístrojový operačný zosilňovač. Slovo inštrumentálny označuje jeho lepšie vlastnosti v porovnaní s bežným operačným zosilňovačom. Zosilnený signál sa privádza na vstupy +IN a –IN. Zosilnenie tohto zosilňovača sa nastavuje pomocou rezistora pripojeného na Rg vstupy (sú dva, resp. - č. 1 a č. 8). Ktorý odpor zodpovedá ktorému faktoru zosilnenia - pozrite sa do údajového listu. Napájanie operačného zosilňovača AD620 je bipolárne. To znamená, že má kolíky pre napájanie, ktoré sú označené ako +Vs a –Vs. A teraz, ak k nim pripojíme napríklad 5V batériu (mínus batérie je potrebné pripojiť k –Vs a plus k +Vs), a na vstupy signálu aplikujeme potenciálny rozdiel + IN, respektíve –IN, ktoré je potrebné zosilniť, potom signál zosilnený K-krát (kde K je faktor zosilnenia špecifikovaný Rg - pozri vyššie) môžeme odstrániť z tohto zariadenia pripojenie na OUTPUT pin a bod, ktorý zostavujeme v obvode, s potenciálom 2,5V pomerne mínus batéria. Bod s potenciálom 2,5 V vzhľadom na mínus batérie sa nazýva nulový bod. Toto je samotná nula, voči ktorej sa meria potenciál (zosilnený signál) na OUTPUT pine zosilňovača. Tento bod je možné získať použitím bežného odporového deliča ako na obrázku 3b.

Obr.3b

teda najjednoduchšia schéma Zapojenie tohto operačného zosilňovača vyzerá takto:

Takže plus batérie vzhľadom na nulový bod má potenciál +2,5 V a mínus batérie vzhľadom na nulový bod má potenciál –2,5 V (pozri obr. 3b). To znamená, že potenciál nulového bodu je presne v polovici medzi plusom a mínusom batérie. Preto ten názov túto metódu napájanie – bipolárne napájanie (keďže sa ukázalo, že na výstup –Vs zosilňovača sme priviedli mínus 2,5V vzhľadom na nulový bod a na +Vs plus 2,5V vzhľadom na nulový bod).
Treba tiež poznamenať, že potenciály privádzané na vstupy +IN a –IN zosilňovača vzhľadom na nulu obvodu musia mať hodnotu v rovnakých medziach ako potenciály zdroja energie. To znamená, že ak sme privádzali –2,5V a +2,5V na –Vs a +Vs, tak na –IN a +IN nemôžeme dodať napríklad 230V a 230,1V. V tomto príklade sa potenciálny rozdiel 230,1–230 = 0,1 V, hoci malý, nezosilní. Pomocou datasheetu je potrebné zistiť prijateľný rozsah potenciálov na vstupoch príslušného operačného zosilňovača. Napríklad pre AD620, v súlade s údajmi o rozsahu vstupného napätia, keď je napájanie dodávané pri –2,5 V a 2,5 V pri –Vs a +Vs, napätie vzhľadom na nulu na –IN alebo +IN by nemalo byť väčšie ako Vs–1,2V = 2,5–1,2 = 1,3V a nie menej –Vs+1,9V = –2,5+1,9 = –0,6V. To znamená, že ak napríklad pripojíte 0,2 V a 0,3 V na –IN a +IN, potom už teraz môže byť potenciálny rozdiel medzi –IN a +IN o rovnakých 0,1 V zosilnený. V obvode elektrokardiografu (pozri obr. 5), aby potenciály z ľudského tela privádzané na vstup zosilňovača boli v rovnakých medziach ako potenciály zdroja energie, je pripojený nulový bod zdroja energie. pomocou takzvanej referenčnej elektródy na pravú nohu pacienta (Toto spojenie sa tiež nazýva „driver pravej nohy“. V dôsledku toho budú potenciály na ľudskom tele kolísať v rámci nulového bodu zdroja energie zosilňovača, čo znamená, že budú spadať do rozsahu Vs–1,2V, –Vs+1,9V.
Existuje aj nasledovné dôležitá vlastnosť. Výstupné napätie zosilňovača sa musí merať vzhľadom na OUTPUT a neutrálny vodič obvodu, avšak v praxi niekedy niektoré operačné zosilňovače pridávajú svoj posun k výstupnému signálu o jednu alebo druhú konštantnú hodnotu. Preto v takýchto operačných zosilňovačoch, aby sa odstránila táto konštantná hodnota a nakoniec sa zabezpečilo, že merania vzhľadom na neutrálny vodič obvodu sú správne, je zvyčajne poskytnutý výstup REF (takzvaný referenčný vstup), ku ktorému je nulový potenciál obvodu musí byť aplikovaný. Okrem toho je potrebné aplikovať nulový potenciál na kolík REF zo zdroja s minimálnym výstupným odporom, inak aplikácia nulového potenciálu na REF nedosiahne požadovaný efekt. Nulový potenciál sa teda zvyčajne dodáva na vstup REF cez operačný zosilňovač zapojený podľa takzvaného obvodu opakovača, ktorý, ako je známe, má výstupný odpor blízky nule a vstupný odpor má naopak tendenciu na obrovskú hodnotu. Na vstupe opakovača, ktorého zisk je rovný jednej, použije sa nulový potenciál, nulový potenciál sa odstráni z výstupu zosilňovača a privedie sa na REF. Operačný zosilňovač pripojený podľa obvodu zosilňovača vyzerá takto:

Obr. 5b

Potom bude pripojovací obvod pre zosilňovač s REF vyzerať takto:

Obr.6b

V našom obvode elektrokardiografu je zosilňovač, ktorý vytvára referenčné napätie pre zosilňovače AD620, postavený na báze OP97 (pozri obr. 8) - tu je na kladný vstup OP97 privedený nulový potenciál a z výstupu OP97 referenčný nulový potenciál sa privádza na kolíky REF zosilňovačov AD620 špeciálne navrhnutých na tento účel. OP97 je tiež bipolárny.
Okrem operačných zosilňovačov s bipolárnym napájaním existujú aj takzvané unipolárne, napríklad TLC272. Pre takéto zosilňovače sa výstupné napätie meria nie vo vzťahu k nulovému bodu, ale vo vzťahu k mínusu batérie, a preto sú svorky na napájanie takéhoto operačného zosilňovača označené ako GND (tu mínus batéria) a VDD ( tu plus).
No to je asi všetko. Tieto informácie sú dostatočné na to, aby sme pochopili, čo kde napájať a čo merať kde v zosilňovačoch na našom obvode elektrokardiografu.

Viac informácií o operačných zosilňovačoch nájdete aj tu:

p.s. Pre tých, ktorí majú záujem o vysvetlenia pojmov matematiky, fyziky a techniky, ako sa hovorí „na dosah ruky“, môžeme odporučiť túto knihu a najmä kapitoly z jej častí „Matematika“, „Fyzika“ a „Technológia“ (samotnú knihu alebo jednotlivé kapitoly z nej si môžete kúpiť).