İşlemsel yükselteç nasıl çalışır? Yeni Başlayanlar İçin Operasyonel Yükselteçler

İşlemsel yükselteç (op-amp) İngilizce. Yaygın olarak işlemsel yükselteç olarak bilinen İşlemsel Yükselteç (OpAmp), kazancı çok yüksek olan bir doğru akım amplifikatörüdür (DCA). "DC amplifikatör" ifadesi, op amp'in yalnızca DC akımını yükseltebileceği anlamına gelmez. Bu, sıfır Hertz frekansından başlamak anlamına gelir ve bu doğru akımdır.

İlk op-amp örneklerinin entegrasyon, farklılaşma, toplama vb. gibi çeşitli matematiksel işlemler için kullanılmasından bu yana “operasyonel” terimi uzun süredir güçlendirilmiştir. Bir op-amp'in kazanç faktörü türüne, amacına, yapısına bağlıdır ve 1 milyonu aşabilir!

Operasyonel yükselteç devresi

Diyagramlarda işlemsel yükselteç şu şekilde belirtilmiştir:

ya da öylesine

Çoğu zaman, diyagramlardaki op-amp'ler güç pinleri olmadan gösterilir

Artı işaretli bir girişe evirmeyen denir ve eksi işaretli bir girişe evirici denir. Bu iki burcu güç kutupluluğuyla karıştırmayın! Tersine çeviren girişe negatif kutuplu bir sinyal sağlamanın gerekli olduğunu DEĞİL, ancak pozitif kutuplu ters çevirmeyen bir sinyale sağlamanın gerekli olduğunu söylüyorlar ve o zaman nedenini anlayacaksınız.

Op-amp güç kaynağı

Güç pinleri belirtilmemişse, op-amp'in bipolar güç +E ve -E Volt ile beslendiği varsayılır. Ayrıca +U ve -U, V CC ve V EE, Vc ve VE olarak da etiketlenir. Çoğu zaman +15 ve -15 Volt'tur. Bipolar beslenmeye bipolar beslenme de denir. Bunu nasıl anlıyorsunuz - bipolar beslenme?

Bir pil hayal edelim

Sanırım hepiniz pilin “artı” ve “eksi” olduğunu biliyorsunuz. Bu durumda pilin “eksi”si sıfır olarak alınır ve piller sıfıra göre sayılır. Bizim durumumuzda akü voltajı 1,5 Volt'tur.

Böyle bir pil daha alalım ve bunları seri olarak bağlayalım:

Yani ilk pilin eksisini sıfır alırsak toplam voltajımız 3 Volt olacaktır.

Peki ya ikinci pilin eksi değerini sıfıra alıp ona göre tüm voltajları ölçerseniz?

Burası bipolar güç kaynağımızın olduğu yer.

İdeal ve gerçek işlemsel yükselteç modeli

Op-amp'in çalışmasının özünü anlamak için şunu düşünün mükemmel Ve gerçek modeller.

1) İdeal op-amp sonsuz büyüktür.

Gerçek op-amp'lerde giriş direncinin değeri, op-amp'in amacına (evrensel, video, hassasiyet vb.), kullanılan transistörlerin tipine ve giriş aşamasının devre tasarımına bağlıdır ve yüzlerce arasında değişebilir. Ohm'dan onlarca megohma kadar. Genel amaçlı op-amp'ler için tipik değer birkaç megaohmdur.

2) İkinci kural birinci kuralın sonucudur. İdeal bir op-amp'in giriş empedansı sonsuz büyük olduğundan giriş empedansı sıfır olacaktır.

Aslında bu varsayım, giriş akımları pikoamplardan daha az olabilen giriş akımlarına sahip op-amp'ler için oldukça geçerlidir. Ancak girişi olan bir op-amp de var. Burada giriş akımı zaten onlarca mikroamper olabilir.

3) İdeal bir op-amp'in çıkış empedansı sıfırdır.

Bu, yük akımı değiştiğinde op-amp çıkışındaki voltajın değişmeyeceği anlamına gelir. Gerçek genel kullanım op amp'lerinde onlarca ohm'dur (genellikle 50 ohm).
Ayrıca çıkış empedansı sinyal frekansına bağlıdır.

4) İdeal bir op-amp'teki kazanç sonsuz derecede büyüktür. Gerçekte, op-amp'in iç devresi ile sınırlıdır ve çıkış voltajı, besleme voltajı ile sınırlıdır.

5) Kazanç sonsuz büyük olduğundan ideal bir op-amp'in girişleri arasındaki voltaj farkı sıfırdır. Aksi takdirde, bir girdinin potansiyeli en azından bir elektronun yükünden daha büyük veya daha küçük olsa bile, o zaman çıktının potansiyeli sonsuz derecede büyük olacaktır.

6) İdeal bir op-amp'teki kazanç, sinyal frekansına bağlı değildir ve tüm frekanslarda sabittir. Gerçek op-amp'lerde bu koşul yalnızca düşük frekanslar her op-amp için ayrı olan herhangi bir kesme frekansına. Tipik olarak kesme frekansı, sıfır frekansta (DC) 3 dB'lik veya kazancın 0,7'sine kadar bir kazanç düşüşü olarak alınır.

Transistörleri kullanan en basit op-amp'in devresi şuna benzer:

İşlemsel yükseltecin çalışma prensibi

Bir op-amp'in nasıl çalıştığına bakalım

Op-amp'in çalışma prensibi çok basittir. İki voltajı karşılaştırır ve çıkışta negatif veya pozitif bir besleme potansiyeli üretir. Her şey hangi girdinin en büyük potansiyele sahip olduğuna bağlıdır. Evirici olmayan U1 girişindeki potansiyel, evirici U2'dekinden daha büyükse, o zaman çıkış +Upit olacaktır, ancak evirici U2 girişindeki potansiyel evirici olmayan U1'deki potansiyelden daha büyükse, o zaman çıkış şöyle olacaktır: -Aferin. Bütün prensip bu ;-).

Proteus simülatöründe bu prensibe bakalım. Bunu yapmak için, en basit ve en yaygın işlemsel yükselteç LM358'i (analoglar 1040UD1, 1053UD2, 1401UD5) seçeceğiz ve çalışma prensibini gösteren ilkel bir devre kuracağız

Evirici olmayan girişe 2 Volt, evirici girişe 1 Volt uygulayalım. Evirmeyen girişte potansiyel daha büyük olduğundan, çıkışta +Upit elde etmeliyiz. Bu değere yakın 13,5 Volt elde ettik

Peki neden 15 Volt olmasın? Op-amp'in iç devresi her şeyin sorumlusudur. Op-amp'in maksimum değeri her zaman pozitif veya negatif besleme voltajına eşit olmayabilir. Op-amp türüne bağlı olarak 0,5 ila 1,5 Volt arasında sapma gösterebilir.

Ancak dedikleri gibi, her ailenin kendi siyahları vardır ve bu nedenle, çıkışta kabul edilebilir bir besleme voltajı üretebilen op-amp'ler uzun süredir piyasada ortaya çıkmıştır, yani bizim durumumuzda bunlar birbirine yakın değerlerdir. +15 ve -15 Volt. Bu özelliğe, kelimenin tam anlamıyla İngilizce'den çevrilmiş olan Raydan Ray'a denir. “demiryolundan raya” ve elektronik dilinde “bir güç veriyolundan diğerine”.

Şimdi evirici girişe, evirici olmayan girişten daha büyük bir potansiyel uygulayalım. Evirici olana 2 Volt, evirmeyene ise 1 Volt uyguluyoruz:

Gördüğünüz gibi, şu ançıkış, -Upit'e gitti, çünkü ters çeviren girişteki potansiyel, evirmeyen girişten daha büyüktü.

Proteus yazılım paketini bir kez daha indirmemek için Falstad programını kullanarak ideal bir op-amp'in çalışmasını çevrimiçi olarak simüle edebilirsiniz. Bunu yapmak için Devreler—Op-Amps—>OpAmp sekmesini seçin. Sonuç olarak, ekranınızda aşağıdaki diyagram görünecektir:

Sağ kontrol panelinde, op-amp'in girişlerine voltaj eklemek için kaydırıcılar göreceksiniz ve girişlerdeki voltaj değiştiğinde op-amp'in çıkışında ne olacağını zaten görsel olarak görebilirsiniz.

Bu nedenle, girişlerdeki voltajın farklı olabileceği durumu düşündük. Peki eşit olurlarsa ne olur? Bu durumda Proteus bize ne gösterecek? Hmm, +Upit'i gösterdim.

Falstad ne gösterecek? Sıfır Volt.

Kime inanmalı? Hiç kimse! Gerçek hayatta, iki girişe tamamen eşit voltaj sağlamak için bunu yapmak imkansızdır. Dolayısıyla op-amp'in böyle bir durumu kararsız olacaktır ve çıkış değerleri -E Volt veya +E Volt değerlerini alabilir.

Evirici olmayan girişe 1 Volt genlikli ve 1 kilohertz frekanslı sinüzoidal bir sinyal uygulayalım ve evirici olanı toprağa, yani sıfıra koyalım.

Bakalım sanal osiloskopta neler var:

Bu durumda ne söylenebilir? Sinüzoidal sinyal negatif bölgede olduğunda, op-amp'in çıkışında -Upit bulunur ve sinüzoidal sinyal pozitif bölgede olduğunda çıkışta +Upit olur. Ayrıca op-amp'in çıkışındaki voltajın değerini aniden değiştiremeyeceğini de unutmayın. Bu nedenle op-amp, çıkış voltajının yükselme hızı gibi bir parametreye sahiptir. V Uçıkış .

Bu parametre, darbeli devrelerde çalışırken op-amp'in çıkış voltajının ne kadar hızlı değişebileceğini gösterir. Volt/sn cinsinden ölçülür. Peki neyi nasıl anladın daha fazla değer Bu parametre, op-amp'in darbe devrelerinde daha iyi davranmasını sağlar. LM358 için bu parametre 0,6 V/μs'dir.

Jeer'in katkılarıyla

İşlemsel yükselteç (op-amp) ile ilk tanıştığımı sık sık hatırlıyorum. Diyagramlardaki bu gizemli üçgenlerin hayatım boyunca işime yarayacağını her zaman biliyordum. Ancak çalışma prensiplerini incelemek için geçirilen uzun uykusuz geceler hiçbir şeye yol açmadı. Bu konuyla ilgili pek çok makale var, ancak bana öyle geliyor ki temel bilgiler açık değil. Diğer taraftan biraz yaklaşmaya çalışacağım ve dağıtacağım korkunç sırlar OU.

İşlemsel yükselticimizin hangi "işlemleri" güçlendirdiğini anlamaya çalışalım.

Sorun: Bir sinyal kaynağı var, örneğin bir mikrofondan veya gitar alıcısından gelen bir sinyal. Mikrofon doğrudan kulaklıklara bağlıysa, büyük olasılıkla hiçbir şey duymayacaksınız, en iyi ihtimalle zar zor algılanabilen bir ses olacaktır.

Mikrofon yerine ağır bir levhayı kaldırmaya çalışan bir insanı düşünelim, doğal olarak bunu yapamıyor, mikrofon da hoparlörü sallayamıyor. Ancak bu kişi vinci çalıştırmak için biraz kuvvet kullanırsa vincin kaldırma kapasitesi dahilindeki her türlü yükü kaldırabilecektir. Onlar. bu durumda musluk bir amplifikatördür. Vincin kaldırma kapasitesinin benzeri amplifikatörün gücüdür. Kazancın anlamı resimden açıkça anlaşılmalıdır. Sinyalin frekansı ve şekli aynı kalır, yalnızca genliği değişir.

Artık hoparlörlerden ses duyabilmek için bir amplifikatöre ihtiyacınız olduğunu biliyoruz. Nasıl çalıştığını ve içinde ne olduğunu bilmesek de, Uin'i yükseltmek istediğimiz sinyalin sağlandığı bacakların yanı sıra güçlendirilmiş Uout sinyalinin kaldırıldığı bacakların olması gerektiğini zaten biliyoruz.

Soru şu: Sinyal hangi voltaja yükseltilebilir? “220V’u 1.000.000V’a yükseltmek istiyorum” diyorsunuz ama bu mümkün değil, neden? Çünkü orijinal sinyal harici bir kaynak tarafından güçlendirilmektedir. Harici kaynak op-amp besleme voltajı olacaktır. Aynı şekilde vinç de kendi yüksekliğinin üzerindeki bir yükü kaldıramaz (kaldıramayacağını kabul edelim :)). Bu nedenle op-amp çıkışındaki voltaj, besleme voltajını aşamaz. Gerçekte, besleme voltajından biraz daha düşüktür. Örneğin LM324 için besleme voltajı 3 ile 32V arasında değişmektedir.

Artık op amp'in harici güce ihtiyaç duyduğunu biliyoruz, hadi bu bacakları çizelim

Bu arada güç kaynağımızın tek kutuplu +5V ve toprak olmasına alışkınız. Burada ince bir nokta var; eğer negatif değerleri olan bir sinyali yükseltmeniz gerekiyorsa,

o zaman -Upit'e toprağa değil negatif bir voltaj kaynağına bağlanmak gerekir. Toprağı bağlarsanız, voltaj kaynağının olmadığı ve sinyalin "düşük" (negatif) kısmının yükseltilmeyeceği, yani. sinyalin bir kısmı “kesilecektir”, bununla ilgili daha fazla bilgiyi örnekte bulabilirsiniz.

Benzer şekilde, sinyali besleme voltajından daha fazla yükseltirseniz, sinyalin besleme voltajını aştığı yerlerde sinyal "kesilecektir", yani. sinüs dalgası yerine buna benzer bir şey göreceğiz

Asıl soru hala devam ediyor: Kazanç nasıl ayarlanır? Çok basit - bir voltaj bölücü. Ama önce daha gerçek gösterimlere geçelim. Herhangi bir op-amp'in en az 5 ayağı vardır - yukarıda belirtildiği gibi 2 güç kaynağı, bir ters çevrilmiş giriş (-), bir ters çevrilmemiş giriş (+) ve bir çıkış.

Bu nedenle, kaynak sinyalinin hangi girişe sağlandığına bağlı olarak iki tür bağlantı ayırt edilir: evirmeyen amplifikatör

Kazanç, K=(R4/R3)+1'e eşittir. Bu durumda K=4. Bu durumda çıkış sinyalinin şekli değişmez.

Ve kazanç K=-(R2/R1) ile ters çevriliyor. Bu şema için K=3. Çıkış sinyali giriş ile faz dışı olacaktır.

Sözlerden eyleme geçelim. Kaynak sinyali olarak 1 kHz frekansına sahip bir kare dalga alındı. Sinyalin hem pozitif hem de negatif değerleri vardır (0 ekranının ortası). Sinyal genliği 50mV.

Op-amp'i (L324) evirmeyen bir amplifikatör devresi kullanarak bağlarım. Güç kaynağı tek kutupludur. Op-amp'in çıkışı aynı şekle sahip ancak daha büyük genliğe sahip bir sinyaldir. Muhtemelen sinyalin neden bu kadar büyük olduğu ve neden yukarı doğru kaydığı tamamen açık değildir.

Hadi anlamaya çalışalım. Orijinal sinyalin genliği 50mV, R4=30k, R3=10k, osiloskopta görülene çok benzer şekilde formüle 50*(30/10+1)=200mV koyalım. Sinyal neden yukarı doğru kaydı? Tek kutuplu güç kaynağının dezavantajını hatırlıyoruz: 0'ın altındaki her şey yükseltilemez, dolayısıyla sinyal 0'da kesilir.

Şimdi, güç pinine -5V gibi negatif bir voltaj kaynağı bağlanırsa, sinyal genliğinin iki katına çıkacağını hayal edin!!! Sonuç olarak hacim de önemli ölçüde artacaktır.

Aslında bu küçük bir önsöz, op amp'i incelemeye başlamadan önce, yukarıda söylenen her şey okyanusta sadece bir damla, beğendiyseniz yazın, yavaş yavaş op amp'in diğer uygulamalarında ustalaşacağız. ve pratik planlar.

Elektronik dersinde birçok önemli konu vardır. Bugün işlemsel yükselteçleri anlamaya çalışacağız.
Baştan başlamak. İşlemsel yükselteç, analog sinyallerle mümkün olan her şekilde çalışmanıza izin veren bir "şeydir". En basit ve en temel olanları büyütme, zayıflatma, toplama, çıkarma ve diğerleridir (örneğin farklılaşma veya logaritma). İşlemsel yükselteçler (bundan sonra op-amp olarak anılacaktır) üzerindeki işlemlerin büyük çoğunluğu, pozitif ve negatif geri besleme kullanılarak gerçekleştirilir.
Bu yazıda belirli bir "ideal" op-amp'i ele alacağız çünkü Belirli bir modele geçmek mantıklı değil. İdeal olarak, giriş direncinin sonsuza yöneleceği (bu nedenle giriş akımının sıfıra yöneleceği) ve bunun tersine çıkış direncinin sıfıra yöneleceği (bu, yükün çıkış voltajını etkilememesi gerektiği anlamına gelir) anlamına gelir. ). Ayrıca herhangi bir ideal op-amp, herhangi bir frekanstaki sinyalleri yükseltmelidir. Ve en önemlisi, geri bildirimin yokluğunda kazanç da sonsuza doğru gitmelidir.

Asıl noktaya gelin

İşlemsel yükselteç genellikle diyagramlarda eşkenar üçgenle sembolize edilir. Solda "-" ve "+" ile işaretlenmiş girişler, sağda ise çıkış vardır. Girişlerden herhangi birine voltaj uygulanabilir; bunlardan biri voltajın polaritesini değiştirir (bu yüzden buna ters çevirme denir), diğeri değiştirmez (bunun ters çevirme olarak adlandırıldığını varsaymak mantıklıdır). Op-amp güç kaynağı çoğunlukla iki kutupludur. Tipik olarak pozitif ve negatif besleme gerilimleri aynı değere sahiptir (fakat farklı işaretlere sahiptir!).
En basit durumda voltaj kaynaklarını doğrudan op-amp girişlerine bağlayabilirsiniz. Daha sonra çıkış voltajı aşağıdaki formüle göre hesaplanacaktır:
burada evirmeyen girişteki voltaj, evirici girişteki voltaj, çıkış voltajı ve açık döngü kazancıdır.
İdeal op-amp'e Proteus açısından bakalım.


Onunla “oynamanı” öneririm. Ters çevirmeyen girişe 1V'luk bir voltaj uygulandı. 3V'yi tersine çevirmek için. “İdeal” bir op-amp kullanıyoruz. Böylece şunu elde ederiz: . Ama burada bir sınırlayıcımız var çünkü sinyali besleme voltajımızın üzerine yükseltemeyeceğiz. Böylece çıkışta hala -15V elde edeceğiz. Sonuç:


Haydi kazancı değiştirelim (böylece bana inanın). Gerilim Kazancı parametresi ikiye eşit olsun. Aynı sorun açıkça çözüldü.

Çevirici ve çevirici olmayan yükselteçler örneğini kullanarak op-amp'lerin gerçek hayattaki uygulaması

Bunlardan iki tane var ana tüzük:
BEN. Op amp çıkışı, diferansiyel voltajın (çeviren ve çevirmeyen girişlerdeki voltaj arasındaki fark) sıfır olmasına neden olma eğilimindedir.
II. Op amp girişleri herhangi bir akım tüketmez.
İlk kural geri bildirim yoluyla uygulanır. Onlar. gerilim, potansiyel fark sıfır olacak şekilde çıkıştan girişe aktarılır.
Bunlar, tabiri caizse, OU konusundaki “kutsal kanunlardır”.
Ve şimdi, daha spesifik olarak. Ters amplifikatör tam olarak şuna benziyor (girişlerin nasıl konumlandığına dikkat edin):


İlk “kanona” dayanarak orantıyı elde ederiz:
ve formülle "biraz sihir yaptıktan" sonra, ters çeviren op-amp'in kazancının değerini türetiyoruz:

Yukarıdaki ekran görüntüsü herhangi bir yoruma ihtiyaç duymaz. Her şeyi takın ve kendiniz kontrol edin.

Sonraki aşama - evirmeyen amplifikatör.
Burada da her şey basit. Gerilim doğrudan evirmeyen girişe uygulanır. Tersine çevirme girişine geri bildirim sağlanır. Ters çevirme girişindeki voltaj şöyle olacaktır:
, ancak ilk kuralı uygulayarak şunu söyleyebiliriz:

Ve yine, yüksek matematik alanındaki "görkemli" bilgi, formüle geçmemizi sağlar:
İsterseniz tekrar kontrol edebileceğiniz kapsamlı bir ekran görüntüsü vereceğim:

Son olarak, işlemsel yükselteçlerin yalnızca voltajı yükseltebildiği izlenimine kapılmamanız için size birkaç ilginç devre vereceğim.

Gerilim takipçisi (tampon yükseltici).Çalışma prensibi transistör tekrarlayıcınınkiyle aynıdır. Ağır yük devrelerinde kullanılır. Ayrıca devrenin istenmeyen voltaj bölücüler içermesi durumunda empedans uyumu sorununu çözmek için de kullanılabilir. Şema dahice derecede basittir:

Toplama amplifikatörü. Birkaç sinyal eklemeniz (çıkarmanız) gerekiyorsa kullanılabilir. Anlaşılır olması açısından aşağıda bir şema verilmiştir (yine girişlerin konumuna dikkat edin):


Ayrıca R1 = R2 = R3 = R4 ve R5 = R6 olmasına da dikkat edin. Bu durumda hesaplama formülü şöyle olacaktır: (tanıdık, değil mi?)
Böylece evirmeyen girişe verilen voltaj değerlerinin artı işareti "kazandığını" görüyoruz. Ters çeviren tarafta - eksi.

Çözüm

Operasyonel yükselteç devreleri son derece çeşitlidir. Daha karmaşık durumlarda aktif filtre devreleri, ADC ve depolama örnekleme cihazları, güç amplifikatörleri, akım-voltaj dönüştürücüler ve diğer birçok devreyi bulabilirsiniz.

Kaynakların listesi

Genel olarak hem op-amp'lere hem de elektroniklere hızlı bir şekilde alışmanıza yardımcı olacak kaynakların kısa bir listesi:
Vikipedi
P. Horowitz, W. Tepesi. "Devre Tasarımı Sanatı"
B. Baker. “Dijital geliştiricinin analog elektronik hakkında bilmesi gerekenler”
Elektronik üzerine ders notları (tercihen kendi notunuz)
Güncelleme: Teşekkür ederim UFO davetiye için

Elektronik dersinde birçok önemli konu vardır. Bugün işlemsel yükselteçleri anlamaya çalışacağız.
Baştan başlamak. İşlemsel yükselteç, analog sinyallerle mümkün olan her şekilde çalışmanıza izin veren bir "şeydir". En basit ve en temel olanları büyütme, zayıflatma, toplama, çıkarma ve diğerleridir (örneğin farklılaşma veya logaritma). İşlemsel yükselteçler (bundan sonra op-amp olarak anılacaktır) üzerindeki işlemlerin büyük çoğunluğu, pozitif ve negatif geri besleme kullanılarak gerçekleştirilir.
Bu yazıda belirli bir "ideal" op-amp'i ele alacağız çünkü Belirli bir modele geçmek mantıklı değil. İdeal olarak, giriş direncinin sonsuza yöneleceği (bu nedenle giriş akımının sıfıra yöneleceği) ve bunun tersine çıkış direncinin sıfıra yöneleceği (bu, yükün çıkış voltajını etkilememesi gerektiği anlamına gelir) anlamına gelir. ). Ayrıca herhangi bir ideal op-amp, herhangi bir frekanstaki sinyalleri yükseltmelidir. Ve en önemlisi, geri bildirimin yokluğunda kazanç da sonsuza doğru gitmelidir.

Asıl noktaya gelin

İşlemsel yükselteç genellikle diyagramlarda eşkenar üçgenle sembolize edilir. Solda "-" ve "+" ile işaretlenmiş girişler, sağda ise çıkış vardır. Girişlerden herhangi birine voltaj uygulanabilir; bunlardan biri voltajın polaritesini değiştirir (bu yüzden buna ters çevirme denir), diğeri değiştirmez (bunun ters çevirme olarak adlandırıldığını varsaymak mantıklıdır). Op-amp güç kaynağı çoğunlukla iki kutupludur. Tipik olarak pozitif ve negatif besleme gerilimleri aynı değere sahiptir (fakat farklı işaretlere sahiptir!).
En basit durumda voltaj kaynaklarını doğrudan op-amp girişlerine bağlayabilirsiniz. Daha sonra çıkış voltajı aşağıdaki formüle göre hesaplanacaktır:
burada evirmeyen girişteki voltaj, evirici girişteki voltaj, çıkış voltajı ve açık döngü kazancıdır.
İdeal op-amp'e Proteus açısından bakalım.


Onunla “oynamanı” öneririm. Ters çevirmeyen girişe 1V'luk bir voltaj uygulandı. 3V'yi tersine çevirmek için. “İdeal” bir op-amp kullanıyoruz. Böylece şunu elde ederiz: . Ama burada bir sınırlayıcımız var çünkü sinyali besleme voltajımızın üzerine yükseltemeyeceğiz. Böylece çıkışta hala -15V elde edeceğiz. Sonuç:

Haydi kazancı değiştirelim (böylece bana inanın). Gerilim Kazancı parametresi ikiye eşit olsun. Aynı sorun açıkça çözüldü.

Çevirici ve çevirici olmayan yükselteçler örneğini kullanarak op-amp'lerin gerçek hayattaki uygulaması

Bunlardan iki tane var ana tüzük:
BEN. Op amp çıkışı, diferansiyel voltajın (çeviren ve çevirmeyen girişlerdeki voltaj arasındaki fark) sıfır olmasına neden olma eğilimindedir.
II. Op amp girişleri herhangi bir akım tüketmez.
İlk kural geri bildirim yoluyla uygulanır. Onlar. gerilim, potansiyel fark sıfır olacak şekilde çıkıştan girişe aktarılır.
Bunlar, tabiri caizse, OU konusundaki “kutsal kanunlardır”.
Ve şimdi, daha spesifik olarak. Ters amplifikatör tam olarak şuna benziyor (girişlerin nasıl konumlandığına dikkat edin):


İlk “kanona” dayanarak orantıyı elde ederiz:
ve formülle "biraz sihir yaptıktan" sonra, ters çeviren op-amp'in kazancının değerini türetiyoruz:

Yukarıdaki ekran görüntüsü herhangi bir yoruma ihtiyaç duymaz. Her şeyi takın ve kendiniz kontrol edin.

Sonraki aşama - evirmeyen amplifikatör.
Burada da her şey basit. Gerilim doğrudan evirmeyen girişe uygulanır. Tersine çevirme girişine geri bildirim sağlanır. Ters çevirme girişindeki voltaj şöyle olacaktır:
, ancak ilk kuralı uygulayarak şunu söyleyebiliriz:

Ve yine, yüksek matematik alanındaki "görkemli" bilgi, formüle geçmemizi sağlar:
İsterseniz tekrar kontrol edebileceğiniz kapsamlı bir ekran görüntüsü vereceğim:

Son olarak, işlemsel yükselteçlerin yalnızca voltajı yükseltebildiği izlenimine kapılmamanız için size birkaç ilginç devre vereceğim.

Gerilim takipçisi (tampon yükseltici).Çalışma prensibi transistör tekrarlayıcınınkiyle aynıdır. Ağır yük devrelerinde kullanılır. Ayrıca devrenin istenmeyen voltaj bölücüler içermesi durumunda empedans uyumu sorununu çözmek için de kullanılabilir. Şema dahice derecede basittir:

Toplama amplifikatörü. Birkaç sinyal eklemeniz (çıkarmanız) gerekiyorsa kullanılabilir. Anlaşılır olması açısından aşağıda bir şema verilmiştir (yine girişlerin konumuna dikkat edin):


Ayrıca R1 = R2 = R3 = R4 ve R5 = R6 olmasına da dikkat edin. Bu durumda hesaplama formülü şöyle olacaktır: (tanıdık, değil mi?)
Böylece evirmeyen girişe verilen voltaj değerlerinin artı işareti "kazandığını" görüyoruz. Ters çeviren tarafta - eksi.

Çözüm

Operasyonel yükselteç devreleri son derece çeşitlidir. Daha karmaşık durumlarda aktif filtre devreleri, ADC ve depolama örnekleme cihazları, güç amplifikatörleri, akım-voltaj dönüştürücüler ve diğer birçok devreyi bulabilirsiniz.

Kaynakların listesi

Genel olarak hem op-amp'lere hem de elektroniklere hızlı bir şekilde alışmanıza yardımcı olacak kaynakların kısa bir listesi:
Vikipedi
P. Horowitz, W. Tepesi. "Devre Tasarımı Sanatı"
B. Baker. “Dijital geliştiricinin analog elektronik hakkında bilmesi gerekenler”
Elektronik üzerine ders notları (tercihen kendi notunuz)

Etiketler: işlemsel yükselteçler, op amp, elektronik, yeni başlayanlar için

) OP97 ve AD620 ile çalışacağız. Önce AD620'ye bakalım. Bunun için veri sayfasında şu şekilde belirtilmiştir:

Şekil 2b

AD620 bir enstrümantasyon op amp'idir. Enstrümantal kelimesi, geleneksel bir op-amp ile karşılaştırıldığında daha iyi özelliklerini gösterir. Güçlendirilmiş sinyal +IN ve –IN girişlerine beslenir. Bu amplifikatörün kazancı, Rg girişlerine bağlı bir direnç kullanılarak ayarlanır (bunlardan sırasıyla iki tane vardır - No. 1 ve No. 8). Hangi direnç hangi kazanç faktörüne karşılık gelir - veri sayfasına bakın. AD620 op-amp'in güç kaynağı iki kutupludur. Bu, güç kaynağı için +Vs ve –Vs olarak adlandırılan pinlere sahip olduğu anlamına gelir. Ve şimdi bunlara, örneğin 5V'luk bir pil bağlarsak (pilin eksisinin –V'lere ve artısının sırasıyla +V'ye bağlanması gerekir) ve sinyal girişlerine potansiyel bir fark uygularız + IN ve sırasıyla, yükseltilmesi gereken –IN, daha sonra K kez yükseltilen bir sinyal (burada K, Rg tarafından belirtilen kazanç faktörüdür - yukarıya bakın) buradan kaldırabiliriz. bu cihazın OUTPUT pinine ve devrede birleştirdiğimiz noktaya 2.5V potansiyel ile bağlanıyoruz. nispeten eksi pil. Pilin eksisine göre 2,5V potansiyeli olan noktaya sıfır noktası denir. Bu, amplifikatörün ÇIKIŞ pinindeki potansiyelin (yükseltilmiş sinyal) ölçüldüğü sıfırdır. Bu nokta, Şekil 3b'deki gibi sıradan bir dirençli bölücü kullanılarak elde edilebilir.

Şekil 3b

Böylece, en basit şema Bu op-amp'in bağlantısı şöyle görünür:

Yani artı piller sıfır noktasına göre+2,5V'luk bir potansiyele sahiptir ve pilin sıfır noktasına göre eksi değeri –2,5V'luk bir potansiyele sahiptir (bkz. Şekil 3b). Yani sıfır noktası potansiyeli pilin artı ve eksisinin tam ortasındadır. Dolayısıyla adı Bu method güç kaynağı - iki kutuplu güç kaynağı (çünkü amplifikatörün –Vs çıkışına sıfır noktasına göre eksi 2,5V ve +Vs'ye sıfır noktasına göre artı 2,5V uyguladığımız ortaya çıktı).
Devrenin sıfırına göre amplifikatörün +IN ve –IN girişlerine sağlanan potansiyellerin, güç kaynağının potansiyelleri ile aynı sınırlar içerisinde bir değere sahip olması gerektiğine de dikkat edilmelidir. Yani, –Vs ve +Vs'ye sırasıyla –2,5V ve +2,5V uygularsak –IN ve +IN'e sırasıyla 230V ve 230,1V sağlayamayız. Bu örnekte, 230,1–230 = 0,1V potansiyel farkı küçük olmasına rağmen yükseltilmeyecektir. Veri sayfasını kullanarak, ilgili op-amp'in girişlerindeki kabul edilebilir potansiyel aralığını bulmak gerekir. Örneğin, AD620 için, Giriş Voltaj Aralığı veri sayfasına uygun olarak, –Vs ve +Vs'de –2,5V ve 2,5V'da güç sağlandığında, –IN veya +IN'de sıfıra göre voltaj şu değerden fazla olmamalıdır: Vs–1,2V = 2,5–1,2 = 1,3V ve daha az değil –Vs+1,9V = –2,5+1,9 = –0,6V. Bu, örneğin –IN ve +IN'e sırasıyla 0,2V ve 0,3V uygularsanız, artık –IN ve +IN arasındaki potansiyel farkın aynı 0,1V kadar artırılabileceği anlamına gelir. Elektrokardiyograf devresinde (bkz. Şekil 5), amplifikatörün girişine sağlanan insan vücudundan gelen potansiyellerin güç kaynağının potansiyelleriyle aynı sınırlar içinde olması için güç kaynağının sıfır noktası bağlanır Referans elektrodu adı verilen elektrotun hastanın sağ bacağına kullanılması ( Bu bağlantıya aynı zamanda “sağ bacak sürücüsü” de denir. Sonuç olarak, insan vücudundaki potansiyeller amplifikatörün güç kaynağının sıfır noktası içerisinde dalgalanacaktır, bu da Vs–1,2V, –Vs+1,9V aralığına düşecekleri anlamına gelir.
Ayrıca aşağıdakiler de var önemli özellik. Amplifikatörün çıkış voltajı, ÇIKIŞ'a ve devrenin nötr teline göre ölçülmelidir, ancak pratikte bazen bazı op-amp'ler, çıkış sinyaline kaymalarını bir veya başka bir sabit değerle ekler. Bu nedenle, bu tür op-amp'lerde, bu sabit değeri kaldırmak ve sonuçta devrenin nötr teline göre ölçümlerin doğru olmasını sağlamak için, genellikle sıfır potansiyelin olduğu bir REF çıkışı (referans girişi olarak da adlandırılır) sağlanır. devrenin uygulanması gerekmektedir. Üstelik REF pinine minimum çıkış direncine sahip bir kaynaktan sıfır potansiyel uygulamak gerekir, aksi takdirde REF'e sıfır potansiyel uygulamak istenilen etkiyi sağlamayacaktır. Bu nedenle, REF girişine genellikle sıfır potansiyel, bilindiği gibi sıfıra yakın bir çıkış direncine sahip olan tekrarlayıcı devre olarak adlandırılan bir op-amp aracılığıyla sağlanır ve bunun tersine giriş direnci eğilimi gösterir. çok büyük bir değere ulaştı. Kazancı olan bir tekrarlayıcının girişinde bire eşit, sıfır potansiyel uygulanır, tekrarlayıcı çıkışından sıfır potansiyel kaldırılır ve REF'e uygulanır. Tekrarlayıcı devresine göre bağlanan op-amp şuna benzer:

Şekil 5b

Daha sonra REF'li amplifikatörün bağlantı devresi şöyle görünecektir:

Şekil 6b

Elektrokardiyograf devremizde, AD620 amplifikatörleri için referans voltajı üreten tekrarlayıcı OP97 temel alınarak inşa edilmiştir (bkz. Şekil 8) - burada OP97'nin pozitif girişine sıfır potansiyel uygulanır ve OP97'nin çıkışından Bu amaç için özel olarak tasarlanmış AD620 amplifikatörlerinin REF pinlerine referans sıfır potansiyeli beslenir. OP97 de iki kutupludur.
İki kutuplu güç kaynağına sahip op-amp'lere ek olarak, tek kutuplu olanlar da vardır, örneğin TLC272. Bu tür amplifikatörler için, çıkış voltajı sıfır noktasına göre değil, pilin eksisine göre ölçülür ve buna göre, böyle bir op-amp'e güç sağlamak için terminaller GND (burada eksi pil) ve VDD ( burada artı).
Eh, muhtemelen hepsi bu. Bu bilgi, elektrokardiyograf devremizdeki amplifikatörlerde neyi nereye besleyeceğimizi, neyi nerede ölçeceğimizi anlamak için yeterlidir.

İşlemsel yükselteçler hakkında daha fazla bilgiyi burada da bulabilirsiniz:

not: Matematik, fizik ve teknoloji kavramlarının “parmaklarınızın ucunda” dedikleri açıklamalarla ilgilenenler için bu kitabı ve özellikle “Matematik”, “Fizik” ve “Fizik” bölümlerindeki bölümleri önerebiliriz. “Teknoloji” (kitabın kendisini veya ondan satın alabileceğiniz ayrı bölümleri).