Was sind Operationsverstärker?
Operationsverstärker sind die Grundbausteine von Analoge elektronische Schaltungen . Sie sind lineare Geräte mit allen Eigenschaften eines Gleichstromverstärkers. Wir können externe Widerstände oder Kondensatoren für den Operationsverstärker verwenden. Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, um sie zu verschiedenen Formen von Verstärkern zu machen, wie z. B. invertierenden Verstärker, nicht invertierenden Verstärker, Spannungsfolger, Komparator, Differenzverstärker, Summierverstärker, Integrator usw. OPAMPs können einzeln sein. Dual, Quad usw. OPAMPs wie CA3130, CA3140, TL0 71, LM311 usw. bieten eine hervorragende Leistung bei sehr geringem Eingangsstrom und sehr geringer Eingangsspannung. Der ideale Operationsverstärker verfügt neben anderen Anschlüssen über drei wichtige Anschlüsse. Die Eingangsanschlüsse sind invertierender Eingang und nicht invertierender Eingang. Der dritte Anschluss ist der Ausgang, der Strom und Spannung aufnehmen und liefern kann. Das Ausgangssignal ist die Verstärkung des Verstärkers multipliziert mit dem Wert des Eingangssignals.
5 Ideale Charaktere eines Operationsverstärkers:
1. Open Loop Gain
Open-Loop-Verstärkung ist die Verstärkung des Operationsverstärkers ohne positive oder negative Rückkopplung. Ein idealer Operationsverstärker sollte eine unendliche Verstärkung im offenen Regelkreis haben, liegt jedoch normalerweise zwischen 20.000 und 2.000.
2. Eingangsimpedanz
Dies ist das Verhältnis der Eingangsspannung zum Eingangsstrom. Es sollte unendlich sein, ohne dass Strom von der Versorgung zu den Eingängen abfließt. Bei den meisten Operationsverstärkern treten jedoch einige Pico-Ampere-Stromverluste auf.
3. Ausgangsimpedanz
Der ideale Operationsverstärker sollte eine Ausgangsimpedanz von Null ohne Innenwiderstand haben. Damit kann die an den Ausgang angeschlossene Last mit vollem Strom versorgt werden.
4. Bandbreite
Der ideale Operationsverstärker sollte einen unendlichen Frequenzgang haben, damit er jede Frequenz von Gleichstromsignalen bis zu den höchsten Wechselstromfrequenzen verstärken kann. Die meisten Operationsverstärker haben jedoch eine begrenzte Bandbreite.
5. Versatz
Der Ausgang des Operationsverstärkers sollte Null sein, wenn die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen Null ist. Bei den meisten Operationsverstärkern ist der Ausgang im ausgeschalteten Zustand jedoch nicht Null, sondern es liegt eine winzige Spannung an.
OPAMP-Pin-Konfiguration:
In einem typischen Operationsverstärker gibt es 8 Pins. Diese sind
Pin1 - Offset Null
Pin2 - Invertierender Eingang INV
Pin3 - Nicht invertierender Eingang Nicht INV
Pin4 - Masse - Negative Versorgung
Pin5 - Offset Null
Pin6 - Ausgang
Pin7 - Positive Versorgung
Pin8 - Blitz
4 Arten von Verstärkung in OPAMPs:
Spannungsverstärkung - Spannung ein und Spannung aus
Stromverstärkung - Strom ein und Strom aus
Transkonduktanz - Spannungseingang und Stromausgang
Transwiderstand - Strom ein und Spannung aus
Funktionsweise eines Operationsverstärkers:
Hier haben wir einen Operationsverstärker von LM358 verwendet. Normalerweise muss ein nicht invertierender Eingang einer Vorspannung zugewiesen werden, und der invertierende Eingang ist der reale Verstärker, der mit einer Rückkopplung von 60 k Widerstand vom Ausgang zum Eingang verbunden ist. Und ein Widerstand 10k ist in Reihe mit einem Kondensator geschaltet und die Schaltung wird mit 1 V Sinus versorgt. Jetzt werden wir sehen, wie die Verstärkung durch R2 / R1 = 60k / 10k = 6 Verstärkung gesteuert wird, dann beträgt der Ausgang 6V . Wenn wir die Verstärkung um 40 ändern, beträgt der Ausgang 4 V der Sinuswelle.
Video zur Arbeitsweise des Operationsverstärkers
Normalerweise handelt es sich um einen Verstärker mit zwei Stromversorgungen, der mithilfe eines Widerstandsnetzwerks problemlos für eine einzelne Stromversorgung konfiguriert werden kann. In diesem Fall legen die Widerstände R3 und R4 eine Spannung von der Hälfte der Versorgungsspannung an den nichtinvertierenden Eingang an, wodurch die Ausgangsspannung auch die Hälfte der Versorgungsspannung beträgt und eine Art Vorspannungswiderstand R3 und R4 bildet, von dem ein beliebiger Wert sein kann 1k bis 100k, aber in allen Fällen sollten sie gleich sein. Dem nichtinvertierenden Eingang wurde ein zusätzlicher 1-F-Kondensator hinzugefügt, um das durch die Konfiguration verursachte Rauschen zu reduzieren. Für diese Konfiguration ist die Verwendung von Koppelkondensatoren für Ein- und Ausgang erforderlich.
3 OPAMP-Anwendungen:
1. Verstärkung
Das verstärkte Ausgangssignal vom Operationsverstärker ist die Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen.
Das oben gezeigte Diagramm ist die einfache Verbindung des Operationsverstärkers. Wenn beide Eingänge mit der gleichen Spannung versorgt werden, nimmt der Operationsverstärker die Differenz zwischen den beiden Spannungen und ist 0. Der Operationsverstärker multipliziert dies mit seiner Verstärkung von 1.000.000, sodass die Ausgangsspannung 0 beträgt. Wenn 2 Volt sind Bei einem Eingang und 1 Volt im anderen nimmt der Operationsverstärker seine Differenz und multipliziert mit der Verstärkung. Das ist 1 Volt x 1.000.000. Diese Verstärkung ist jedoch sehr hoch. Um die Verstärkung zu verringern, erfolgt die Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang normalerweise über einen Widerstand.
Invertierender Verstärker:
Die oben gezeigte Schaltung ist ein invertierender Verstärker, dessen nicht invertierender Eingang mit Masse verbunden ist. Zwei Widerstände R1 und R2 sind in der Schaltung so verbunden, dass R1 das Eingangssignal speist, während R2 den Ausgang an den invertierenden Eingang zurückgibt. Wenn das Eingangssignal positiv ist, ist der Ausgang negativ und umgekehrt. Die Spannungsänderung am Ausgang relativ zum Eingang hängt vom Verhältnis der Widerstände R1 und R2 ab. R1 wird als 1K und R2 als 10K ausgewählt. Wenn der Eingang 1 Volt empfängt, gibt es 1 mA Strom durch R1 und der Ausgang muss - 10 Volt werden, um 1 mA Strom durch R2 zu liefern und die Spannung am invertierenden Eingang auf Null zu halten. Daher beträgt die Spannungsverstärkung R2 / R1. Das ist 10K / 1K = 10
Nicht invertierender Verstärker:
Die oben gezeigte Schaltung ist ein nicht invertierender Verstärker. Hier empfängt der nicht invertierende Eingang das Signal, während der invertierende Eingang zwischen R2 und R1 angeschlossen ist. Wenn sich das Eingangssignal entweder positiv oder negativ bewegt, ist der Ausgang in Phase und hält die Spannung am invertierenden Eingang gleich wie die des nicht invertierenden Eingangs. Die Spannungsverstärkung ist in diesem Fall immer höher als 1 (1 + R2 / R1).
zwei. Spannungsfolger
Die obige Schaltung ist ein Spannungsfolger. Hier bietet es eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz. Wenn sich die Eingangsspannung ändert, ändern sich der Ausgang und der invertierende Eingang gleichermaßen.
3. Komparator
Der Operationsverstärker vergleicht die an einem Eingang angelegte Spannung mit der am anderen Eingang angelegten Spannung. Jeder Unterschied zwischen den Spannungen, wenn er klein ist, treibt den Operationsverstärker in die Sättigung. Wenn die an beide Eingänge gelieferten Spannungen die gleiche Größe und Polarität haben, beträgt der Operationsverstärkerausgang 0 Volt.
Ein Komparator erzeugt begrenzte Ausgangsspannungen, die leicht mit der digitalen Logik verbunden werden können, obwohl die Kompatibilität überprüft werden muss.
Video zum Operationsverstärker als Komparatorschaltbild
Hier haben wir einen Operationsverstärker, der als Komparator mit den invertierenden und nicht invertierenden Klemmen verwendet wird und an den ein Potentialteiler und ein Messgerät sowie ein Voltmeter am Ausgang und angeschlossen sind Führte zu die Ausgabe. Die Grundformel für den Komparator lautet: Wenn '+' größer als '' ist, ist die Ausgabe hoch (eins), andernfalls ist die Ausgabe Null. Wenn die Spannung am negativen Eingang unter der Referenzspannung liegt, ist der Ausgang hoch und wenn der negative Eingang die Spannung am positiven Eingang überschreitet, geht der Ausgang auf niedrig.
3 Anforderungen an OPAMPs:
1. Offset Nulling
Der größte Teil des OPAMP hat eine Offset-Spannung am Ausgang, auch wenn die Eingangsspannungen gleich sind. Um den Ausgang auf Null zu stellen, wird die Offset-Nullungsmethode verwendet. Bei den meisten Operationsverstärkern gibt es aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaft einen kleinen Versatz, der sich aus den Fehlanpassungen in der Eingangsvorspannungsanordnung ergibt. Daher steht am Ausgang einiger Operationsverstärker eine kleine Ausgangsspannung zur Verfügung, selbst wenn das Eingangssignal Null ist. Dieser Nachteil kann behoben werden, indem den Eingängen eine kleine Offset-Spannung zugeführt wird. Dies ist als Eingangsversatzspannung bekannt. Um den Offset zu entfernen oder auf Null zu setzen, verfügen die meisten Operationsverstärker über zwei Pins, um die Offset-Nullung zu aktivieren. Zu diesem Zweck sollte ein Pot oder Preset mit einem typischen Wert von 100 K zwischen den Pins 1 und 5 mit dem Scheibenwischer an Masse angeschlossen werden. Durch Einstellen der Voreinstellung kann der Ausgang auf Nullspannung eingestellt werden.
zwei. Stroboskop oder Phasenkompensation
Operationsverstärker können manchmal instabil werden und um sie für die gesamten Frequenzbänder stabil zu machen, wird normalerweise eine Kappe zwischen ihrem Strobe-Pin 8 und Pin 1 angeschlossen. Normalerweise wird ein 47pF-Plattenkondensator für hinzugefügt Phasenkompensation damit der OpAmp stabil bleibt. Dies ist am wichtigsten, wenn der OpAmp als empfindlicher Verstärker verwendet wird.
3. Feedback
Wie Sie wissen, hat der Operationsverstärker einen sehr hohen Verstärkungsgrad, der normalerweise etwa 1.000,00-mal beträgt. Angenommen, der Operationsverstärker hat eine Verstärkung von 10.000, dann verstärkt der Operationsverstärker die Spannungsdifferenz in seinem nicht invertierenden Eingang (V +) und seinem invertierenden Eingang (V-). Die Ausgangsspannung V out ist also
10.000 x (V + - V-)
Im Diagramm wird das Signal an den nicht invertierenden Eingang angelegt und im invertierenden Eingang an den Ausgang angeschlossen. Also V + = V in und V- = Vout. Daher ist Vout = 10.000 x (Vin - Vout). Daher ist die Ausgangsspannung nahezu gleich der Eingangsspannung.
Lassen Sie uns nun sehen, wie das Feedback funktioniert. Durch einfaches Hinzufügen eines Widerstands zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang wird die Verstärkung erheblich reduziert. Indem ein Bruchteil der Ausgangsspannung an den invertierenden Eingang angelegt wird, kann die Verstärkung erheblich reduziert werden.
Gemäß der früheren Gleichung ist V out = 10.000 x (V + - V-). Hier wird jedoch ein Rückkopplungswiderstand hinzugefügt. Hier ist also V + Vin und V- ist R1.R1 + R2 x V out. Daher ist V out 10.000 x (Vin - R1.R1 + R2xVout). Also V out = R1 + R2.R1x Vin
Negative Rückmeldung:
Hier ist der Ausgang des Operationsverstärkers mit seinem invertierenden (-) Eingang verbunden, so dass der Ausgang zum Eingang zurückgeführt wird, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Somit wird das Eingangssignal am nicht invertierenden (+) Eingang am Ausgang reflektiert. Der Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung treibt seinen Ausgang auf den erforderlichen Pegel und daher ist die Spannungsdifferenz zwischen seinen invertierenden und nicht invertierenden Eingängen nahezu Null.
Positives Feedback:
Hier wird die Ausgangsspannung an den nicht invertierenden (+) Eingang zurückgeführt. Das Eingangssignal wird dem invertierenden Eingang zugeführt. Wenn bei positiver Rückkopplung der invertierende Eingang mit Masse verbunden ist, hängt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers von der Größe und Polarität der Spannung am nicht invertierenden Eingang ab. Wenn die Eingangsspannung positiv ist, ist der Ausgang des Operationsverstärkers positiv und diese positive Spannung wird dem nicht invertierenden Eingang zugeführt, was zu einem vollständig positiven Ausgang führt. Wenn die Eingangsspannung negativ ist, wird der Zustand umgekehrt.
Eine Anwendung von Operationsverstärkern - Audio-Vorverstärker
Filter und Vorverstärker:
Leistungsverstärker kommen nach den Vorverstärkern und vor den Lautsprechern. Moderne CD- und DVD-Player benötigen keine Vorverstärker. Sie benötigen Lautstärkeregler und Quellenselektoren. Durch die Verwendung von Schaltreglern und passiver Lautstärke können Vorverstärker vermieden werden.
Lassen Sie uns einen kurzen Überblick über Audio-Leistungsverstärker geben
Der Leistungsverstärker ist eine Komponente, die die Lautsprecher ansteuern kann, indem sie das Signal mit niedrigem Pegel in ein großes Signal umwandelt. Die Aufgabe von Leistungsverstärkern besteht darin, relativ hohe Spannung und hohen Strom zu erzeugen. Üblicherweise liegt der Bereich der Spannungsverstärkung zwischen 20 und 30. Die Leistungsverstärker haben einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand.
Technische Daten des Audio-Leistungsverstärkers
- Maximale Ausgangsleistung:
Die Ausgangsspannung ist sowohl für kleine als auch für große Signale lastunabhängig. Die gegebene an die Last angelegte Spannung verursacht die doppelte Strommenge. Somit wird die doppelte Menge an Leistung geliefert. Die Nennleistung ist die kontinuierliche durchschnittliche Sinuswellenleistung, so dass die Leistung unter Verwendung einer Sinuswelle gemessen werden kann, deren Effektivspannung langfristig gemessen wird.
- Frequenzgang:
Der Frequenzgang muss das gesamte Audioband von 20 Hz bis 20 kHz erweitern. Die Toleranz gegenüber dem Frequenzgang beträgt ± 3db. Die herkömmliche Methode zur Angabe der Bandbreite besteht darin, dass ein Verstärker gegenüber dem Nennwert von 0 dB um 3 dB niedriger ist.
- Lärm:
Die Leistungsverstärker sollten ein geringes Rauschen erzeugen, wenn die Leistungsverstärker mit hohen Frequenzen arbeiten. Der Rauschparameter kann gewichtet oder ungewichtet sein. Ungewichtetes Rauschen wird über eine Bandbreite von 20 kHz angegeben. Basierend auf der Empfindlichkeit des Ohrs wird die gewichtete Geräuschspezifikation berücksichtigt. Die Messung des gewichteten Rauschens neigt dazu, das Rauschen bei höheren Frequenzen zu dämpfen, daher ist die Messung des gewichteten Rauschens ziemlich besser als die Messung des ungewichteten Rauschens.
- Verzerrung:
Die gesamte harmonische Verzerrung ist die übliche Verzerrung, die normalerweise bei verschiedenen Frequenzen angegeben wird. Dies wird bei einem Leistungspegel angegeben, der mit der Lastimpedanz des Leistungsverstärkers angegeben wird.
