- Konfigurácia neinvertujúceho operačného zosilňovača
- Zisk neinvertujúceho operačného zosilňovača
- Praktický príklad neinvertujúceho zosilňovača
- Sledovač napätia alebo zosilňovač Unity Gain
Op-Amp, skratka pre operačný zosilňovač, je chrbticou analógovej elektroniky. Operačný zosilňovač je jednosmerne viazaný elektronický komponent, ktorý zosilňuje napätie z diferenciálneho vstupu pomocou spätnej väzby odporu. Operačné zosilňovače sú populárne pre svoju univerzálnosť, pretože sa dajú konfigurovať mnohými spôsobmi a dajú sa použiť v rôznych aspektoch. Obvod operačného zosilňovača sa skladá z niekoľkých premenných, ako je šírka pásma, vstupná a výstupná impedancia, zisková marža atď. Rôzne triedy operačných zosilňovačov majú rôzne špecifikácie v závislosti od týchto premenných. Existuje veľa operačných zosilňovačov v rôznych balíkoch integrovaných obvodov (IC), niektoré operačné zosilňovače majú dva alebo viac operačných zosilňovačov v jednom balíku. LM358, LM741, LM386 sú niektoré bežne používané integrované obvody operačného zosilňovača. Ak sa chcete dozvedieť viac informácií o operačných zosilňovačoch, postupujte podľa našej sekcie obvodov operačných zosilňovačov.
Operačný zosilňovač má dva diferenciálne vstupné kolíky a výstupný kolík spolu s výkonovými kolíkmi. Tieto dva kolíky diferenciálneho vstupu sú invertujúci pin alebo záporný a neinvertujúci pin alebo pozitívny. Operačný zosilňovač zosilňuje rozdiel napätia medzi týmito dvoma vstupnými pinmi a poskytuje zosilnený výstup cez svoj Vout alebo výstupný kolík.
V závislosti od typu vstupu možno operačný zosilňovač klasifikovať ako invertujúci alebo neinvertujúci. V tomto tutoriále sa dozvieme, ako používať operačný zosilňovač v neinvertujúcej konfigurácii.
V neinvertujúcej konfigurácii sa vstupný signál prenáša cez neinvertujúci vstupný terminál (pozitívny terminál) operačného zosilňovača. Z tohto dôvodu sa zosilnený výstup stáva „ fázovým “ so vstupným signálom.
Ako sme už diskutovali, operačný zosilňovač potrebuje spätnú väzbu na zosilnenie vstupného signálu. To sa všeobecne dosiahne použitím malej časti výstupného napätia späť na invertujúci kolík (v prípade neinvertujúcej konfigurácie) alebo na neinvertujúci kolík (v prípade invertujúceho kolíka) pomocou siete s deličom napätia.
Konfigurácia neinvertujúceho operačného zosilňovača
Na hornom obrázku je zobrazený operačný zosilňovač s neinvertujúcou konfiguráciou. Signál, ktorý je potrebné zosilniť pomocou operačného zosilňovača, sa privádza do kladného alebo neinvertujúceho kolíka obvodu operačného zosilňovača, zatiaľ čo delič napätia pomocou dvoch rezistorov R1 a R2 poskytuje malú časť výstupu invertujúcemu pin obvodu op-zosilňovača. Tieto dva odpory poskytujú požadovanú spätnú väzbu operačnému zosilňovaču. V ideálnom stave bude vstupný kolík operačného zosilňovača poskytovať vysokú vstupnú impedanciu a výstupný kolík bude mať nízku výstupnú impedanciu.
Zosilnenie závisí od týchto dvoch spätnoväzbových rezistorov (R1 a R2) pripojených ako konfigurácia rozdeľovača napätia. R2 sa označuje ako Rf (spätnoväzbový rezistor)
Výstup rozdeľovača napätia, ktorý sa privádza do neinvertujúceho kolíka zosilňovača, sa rovná Vin, pretože spojovacie body Vin a rozdeľovača napätia sú umiestnené v rovnakom uzemňovacom uzle.
Z tohto dôvodu a keďže Vout je závislý na spätnoväzbovej sieti, môžeme vypočítať zisk napätia v uzavretej slučke, ako je uvedené nižšie.
Zisk neinvertujúceho operačného zosilňovača
Pretože výstupné napätie rozdeľovača napätia je rovnaké ako vstupné napätie , rozdeľovač Vout = Vin
Takže Vin / Vout = R1 / (R1 + Rf) alebo Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1
Celkový zosilnenie napätia zosilňovača (Av) je Vout / Vin
Takže, Av = Vout / Vin = (R1 + Rf) / R1
Pomocou tohto vzorca môžeme vyvodiť záver, že zisk napätia v uzavretej slučke neinvertujúceho operačného zosilňovača je,
Av = Vout / Vin = 1 + (Rf / R1)
Týmto faktorom teda zisk operačného zosilňovača nemôže byť nižší ako zisk jednoty alebo 1. Zisk bude tiež pozitívny a nemôže mať negatívnu formu. Zisk je priamo závislý od pomeru Rf a R1.
Teraz je zaujímavé, že ak dáme hodnotu spätnoväzbového odporu alebo Rf ako 0, zisk bude 1 alebo jednota. A ak sa R1 stane 0, potom bude zisk nekonečný. Ale je to možné iba teoreticky. V skutočnosti je to do značnej miery závislé od správania operačného zosilňovača a zisku otvorenej slučky.
Operačný zosilňovač možno tiež použiť ako sčítavací zosilňovač s dvoma vstupnými napätiami.
Praktický príklad neinvertujúceho zosilňovača
Navrhneme neinvertujúci operačný obvod, ktorý na výstupe vytvorí 3x napäťový zisk porovnaním vstupného napätia.
V operačnom zosilňovači urobíme 2V vstup. Operačný zosilňovač nakonfigurujeme v neinvertujúcej konfigurácii s možnosťami 3x zosilnenia. Hodnotu rezistora R1 sme vybrali ako 1,2k, Zistíme hodnotu rezistora Rf alebo R2 a po zosilnení vypočítame výstupné napätie.
Pretože zisk závisí od rezistorov a vzorec je Av = 1 + (Rf / R1)
V našom prípade, zisk je 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 zosilnení bude výstupné napätie
Av = Vout / Vin 3 = Vout / 2V Vout = 6V
Vzorový obvod je znázornený na obrázku vyššie. R2 je spätnoväzbový rezistor a zosilnený výstup bude 3-krát väčší ako vstup.
Sledovač napätia alebo zosilňovač Unity Gain
Ako už bolo diskutované, ak urobíme Rf alebo R2 ako 0, znamená to, že v R2 nie je odpor a rezistor R1 sa rovná nekonečnu, potom bude zosilňovač zosilňovač 1 alebo bude dosahovať zisk jednoty. Pretože v R2 nie je žiadny odpor, výstup je skratovaný so záporným alebo obráteným vstupom operačného zosilňovača. Pretože zisk je 1 alebo jednotka, táto konfigurácia sa nazýva konfigurácia zosilňovača zosilnenia jednotky alebo sledovač napätia alebo vyrovnávacia pamäť.
Keď dáme vstupný signál na kladný vstup operačného zosilňovača a výstupný signál je vo fáze so vstupným signálom so ziskom 1x, dostaneme rovnaký signál na výstup zosilňovača. Výstupné napätie je teda rovnaké ako vstupné napätie. Napätie von = Napätie dovnútra.
Bude teda sledovať vstupné napätie a na svojom výstupe produkovať rovnaký replikovaný signál. Preto sa nazýva obvod sledovača napätia.
Vstupná impedancia tohto operačného zosilňovača je veľmi vysoké, keď napäťový sledovač, alebo jednota zisk sa používa konfigurácie. Niekedy je vstupná impedancia oveľa vyššia ako 1 Megohm. Vďaka vysokej vstupnej impedancii teda môžeme na vstup aplikovať slabé signály a na vstupnom kolíku nebude prúdiť žiadny prúd zo zdroja signálu do zosilňovača. Na druhej strane je výstupná impedancia veľmi nízka a bude na výstupe produkovať rovnaký vstupný signál.
Na vyššie uvedenom obrázku je zobrazená konfigurácia sledovača napätia. Výstup je priamo pripojený cez zápornú svorku operačného zosilňovača. Zisk tejto konfigurácie je 1x.
Ako vieme, Zisk (Av) = Vout / Vin Takže, 1 = Vout / Vin Vin = Vout.
Kvôli vysokej vstupnej impedancii je vstupný prúd 0, takže aj vstupný výkon je 0. Sledovač napätia poskytuje na svojom výstupe veľký energetický zisk. Z tohto dôvodu sa sledovač napätia použil ako vyrovnávací obvod.
Konfigurácia medzipamäte tiež poskytuje dobrý faktor izolácie signálu. Vďaka tejto vlastnosti sa obvod sledovača napätia používa v aktívnych filtroch typu Sallen-key, kde sú stupne filtra navzájom izolované pomocou konfigurácie zosilňovača sledovača napätia.
K dispozícii sú tiež digitálne vyrovnávacie obvody, napríklad 74LS125, 74LS244 atď.
Pretože dokážeme riadiť zisk neinvertujúceho zosilňovača, môžeme zvoliť viac hodnôt rezistorov a môžeme vytvoriť neinvertujúci zosilňovač s premenlivým rozsahom zosilnenia.
Neinvertujúce zosilňovače sa používajú v sektoroch audio elektroniky, ako aj v rozsahu, mixážnych pultoch a na rôznych miestach, kde je potrebná digitálna logika pomocou analógovej elektroniky.