Ne

Op-Amp, zkratka pro operační zesilovač, je páteří analogové elektroniky. Operační zesilovač je stejnosměrná elektronická součástka, která zesiluje napětí z diferenciálního vstupu pomocí zpětné vazby odporu. Operační zesilovače jsou oblíbené pro svou univerzálnost, protože je lze konfigurovat mnoha způsoby a lze je použít v různých aspektech. Obvod operačního zesilovače se skládá z několika proměnných, jako je šířka pásma, vstupní a výstupní impedance, zisková marže atd. Různá třída operačních zesilovačů má různé specifikace v závislosti na těchto proměnných. Existuje spousta operačních zesilovačů dostupných v různých balíčcích integrovaných obvodů (IC), některé operační zesilovače mají dva nebo více operačních zesilovačů v jednom balení. LM358, LM741, LM386 jsou některé běžně používané integrované obvody operačních zesilovačů. Další informace o operačních zesilovačích naleznete v sekci Obvody operačních zesilovačů.

Operační zesilovač má dva diferenciální vstupní kolíky a výstupní kolík spolu s výkonovými kolíky. Tyto dva diferenciální vstupní piny jsou invertující kolík nebo záporný a neinvertující kolík nebo kladný. Operační zesilovač zesiluje rozdíl napětí mezi těmito dvěma vstupními piny a poskytuje zesílený výstup přes svůj Vout nebo výstupní kolík.

V závislosti na typu vstupu lze operační zesilovač klasifikovat jako invertující nebo neinvertující. V tomto kurzu se naučíme, jak používat operační zesilovač v neinvertující konfiguraci.

V neinvertující konfiguraci je vstupní signál aplikován na neinvertující vstupní svorku (kladnou svorku) operačního zesilovače. Díky tomu se zesílený výstup stane „ in-fázovým “ se vstupním signálem.

Jak jsme již diskutovali, operační zesilovač potřebuje zpětnou vazbu k zesílení vstupního signálu. Toho je obecně dosaženo aplikací malé části výstupního napětí zpět na invertující kolík (v případě neinvertující konfigurace) nebo na neinvertující kolík (v případě invertujícího kolíku) pomocí sítě děliče napětí.

Konfigurace neinvertujícího operačního zesilovače

Na horním obrázku je zobrazen operační zesilovač s neinvertující konfigurací. Signál, který je třeba zesílit pomocí operačního zesilovače, se přivádí do kladného nebo neinvertujícího kolíku obvodu operačního zesilovače, zatímco dělič napětí využívající dva odpory R1 a R2 poskytuje malou část výstupu invertujícímu pin obvodu op-zesilovače. Tyto dva rezistory poskytují požadovanou zpětnou vazbu operačnímu zesilovači. V ideálním stavu bude vstupní kolík operačního zesilovače poskytovat vysokou vstupní impedanci a výstupní kolík bude mít nízkou výstupní impedanci.

Zesílení je závislé na těchto dvou zpětnovazebních rezistorech (R1 a R2) připojených jako konfigurace děliče napětí. R2 se označuje jako Rf (zpětnovazební rezistor)

Výstup děliče napětí, který je přiváděn do neinvertujícího kolíku zesilovače, se rovná Vin, protože spojovací body Vin a děliče napětí jsou umístěny přes stejný uzemňovací uzel.

Z tohoto důvodu, a protože Vout je závislý na zpětnovazební síti, můžeme vypočítat zisk napětí uzavřené smyčky, jak je uvedeno níže.

Zisk neinvertujícího operačního zesilovače

Protože výstupní napětí děliče napětí je stejné jako vstupní napětí , dělič Vout = Vin

Takže Vin / Vout = R1 / (R1 + Rf) Nebo Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1

Celkový zisk napětí zesilovače (Av) je Vout / Vin

Av = Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1

Pomocí tohoto vzorce můžeme dojít k závěru, že zisk napětí uzavřené smyčky neinvertujícího operačního zesilovače je,

Av = Vout / Vin = 1 + (Rf / R1)

Tímto faktorem tedy zisk operačního zesilovače nemůže být nižší než zisk jednoty nebo 1. Zisk bude také pozitivní a nemůže být v negativní formě. Zisk je přímo závislý na poměru Rf a R1.

Nyní je zajímavé, že pokud dáme hodnotu zpětnovazebního rezistoru nebo Rf jako 0, zisk bude 1 nebo jednota. A pokud se R1 stane 0, pak bude zisk nekonečno. Ale je to možné jen teoreticky. Ve skutečnosti je to široce závislé na chování op-amp a zisku otevřené smyčky.

Operační zesilovač lze také použít jako sčítací zesilovač se dvěma vstupními napěťovými vstupy.

Praktický příklad neinvertujícího zesilovače

Navrhneme neinvertující op-amp obvod, který bude produkovat 3x napěťový zisk na výstupu ve srovnání se vstupním napětím.

Uděláme 2V vstup v operačním zesilovači. Nakonfigurujeme operační zesilovač v neinvertující konfiguraci se schopnostmi 3x zesílení. Hodnotu rezistoru R1 jsme vybrali jako 1,2k. Zjistíme hodnotu rezistoru Rf nebo R2 a po zesílení vypočítáme výstupní napětí.

Protože zisk závisí na rezistorech a vzorec je Av = 1 + (Rf / R1)

V našem případě je zisk 3 a hodnota R1 je 1. 2k. Takže hodnota Rf je, 3 = 1 + (Rf / 1,2k) 3 = 1 + (1,2k + Rf / 1,2k ) 3,6k = 1,2k + Rf 3,6k - 1,2k = Rf Rf = 2,4k

Po zesílení bude výstupní napětí

Av = Vout / Vin 3 = Vout / 2V Vout = 6V

Ukázkový obvod je zobrazen na obrázku výše. R2 je zpětnovazební rezistor a zesílený výstup bude 3krát větší než vstup.

Sledovač napětí nebo zesilovač Unity Gain

Jak již bylo řečeno, pokud uděláme Rf nebo R2 jako 0, znamená to, že v R2 není žádný odpor a rezistor R1 je roven nekonečnu, pak bude zesílení zesilovače 1 nebo bude dosaženo zisku jednoty. Protože v R2 není žádný odpor, je výstup zkratován záporným nebo obráceným vstupem operačního zesilovače. Protože zisk je 1 nebo jednota, tato konfigurace se nazývá konfigurace zesilovače jednotkového zesílení nebo sledovač napětí nebo vyrovnávací paměť.

Když dáme vstupní signál na kladný vstup operačního zesilovače a výstupní signál je ve fázi se vstupním signálem se ziskem 1x, dostaneme stejný signál na výstup zesilovače. Výstupní napětí je tedy stejné jako vstupní napětí. Napětí out = Napětí in.

Bude tedy sledovat vstupní napětí a na svém výstupu bude produkovat stejný replikovaný signál. Proto se mu říká obvod sledovače napětí.

Vstupní impedance tohoto operačního zesilovače je velmi vysoké, když napěťový sledovač, nebo jednota zisk se používá konfigurace. Někdy je vstupní impedance mnohem vyšší než 1 Megohm. Díky vysoké vstupní impedanci tedy můžeme na vstup aplikovat slabé signály a ve vstupním kolíku nebude proudit žádný proud ze zdroje signálu do zesilovače. Na druhou stranu je výstupní impedance velmi nízká a na výstupu bude produkovat stejný vstup signálu.

Na výše uvedeném obrázku je zobrazena konfigurace sledovače napětí. Výstup je přímo připojen přes zápornou svorku operačního zesilovače. Zisk této konfigurace je 1x.

Jak víme, Zisk (Av) = Vout / Vin Takže 1 = Vout / Vin Vin = Vout.

Kvůli vysoké vstupní impedanci je vstupní proud 0, takže vstupní výkon je také 0. Sledovač napětí poskytuje na svém výstupu velký energetický zisk. Kvůli tomuto chování byl sledovač napětí použit jako obvod vyrovnávací paměti.

Konfigurace vyrovnávací paměti také poskytuje dobrý faktor izolace signálu. Díky této vlastnosti se obvod sledovače napětí používá v aktivních filtrech typu Sallen-key, kde jsou stupně filtrů od sebe izolovány pomocí konfigurace zesilovače sledovače napětí.

K dispozici jsou také digitální vyrovnávací obvody, jako 74LS125, 74LS244 atd.

Protože můžeme řídit zisk neinvertujícího zesilovače, můžeme vybrat více hodnot rezistorů a můžeme vytvořit neinvertující zesilovač s proměnným rozsahem zesílení.

Neinvertující zesilovače se používají v odvětví zvukové elektroniky, stejně jako v rozsahu, mixážních pultech a na různých místech, kde je vyžadována digitální logika pomocí analogové elektroniky.