operationsforstærkere

driftsforstærkere: nøgleegenskaber og parametre

Der er mange forskellige vigtige egenskaber og parametre relateret til op-forstærkere (se figur 1). Disse egenskaber er beskrevet mere detaljeret nedenfor.,

Figur 1: Operationelle Forstærker Skematisk

Open loop gain

Open loop gain: open loop gain (“A” i Figur 1) af et operationelt forstærker er den foranstaltning af den gevinst, der opnås, når der er ingen feedback gennemført i kredsløbet. Dette betyder, at feedbackstien eller sløjfen er åben. En open-loop gevinst ofte skal være overordentlig stor (10.000+) at være nyttige i sig selv, undtagen med spænding komparatorer.

Spændingskomparatorer sammenligner indgangsterminalspændingerne., Selv med små spændingsforskelle kan spændingskomparatorer drive udgangen til enten de positive eller negative skinner. Høje open-loop gevinster er gavnlige i lukkede kredsløb konfigurationer, da de muliggør stabile kredsløb adfærd på tværs af temperatur, proces, og signal variationer.

Indgangsimpedans

et andet vigtigt kendetegn ved op-forstærkere er, at de generelt har høj indgangsimpedans (“.in” i Figur 1). Indgangsimpedans måles mellem de negative og positive indgangsterminaler, og dens ideelle værdi er uendelig, hvilket minimerer indlæsning af kilden., (I virkeligheden er der en lille strøm lækage.) At arrangere kredsløbet omkring en operationsforstærker kan ændre den effektive indgangsimpedans for kilden markant, så eksterne komponenter og feedbacksløjfer skal konfigureres omhyggeligt. Det er vigtigt at bemærke, at indgangsimpedans ikke udelukkende bestemmes af input DC-modstanden. Input kapacitans kan også påvirke kredsløbsadfærd, så det skal også tages i betragtning.

outputimpedans

en operationsforstærker har ideelt set nul outputimpedans (“outout”i Figur 1)., Imidlertid har outputimpedansen typisk en lille værdi, der bestemmer mængden af strøm, den kan køre, og hvor godt den kan fungere som en spændingsbuffer.

frekvensrespons og båndbredde (B.)

en ideel op-forstærker ville have en uendelig båndbredde (B.) og ville være i stand til at opretholde en høj forstærkning uanset Signalfrekvens. Imidlertid har alle operationelle forstærkere en endelig båndbredde, generelt kaldet “- 3dB-punktet”, hvor forstærkningen begynder at rulle, når frekvensen stiger. Forstærkerens forstærkning falder derefter med en hastighed på-20dB / årti, mens frekvensen stiger., Op-forstærkere med en højere B.har forbedret ydeevne, fordi de opretholder højere gevinster ved højere frekvenser; imidlertid, denne højere gevinst resulterer i større strømforbrug eller øgede omkostninger.

Figur 2: Operationelle Forstærker Open-Loop Frekvens-Respons Kurve

Gain bandwidth product (GBP)

Som navnet antyder, GBP er et produkt af forstærkerens gain og båndbredde., GBP er en konstant værdi på tværs af kurven, og kan beregnes med Ligning (1):

$$GBP = Gain x Båndbredde = A x BW$$

GBP er målt ved frekvens punkt, hvor den operationelle forstærkerens gain når frem til enhed. Dette er nyttigt, fordi det giver brugeren mulighed for at beregne enhedens open-loop gevinst ved forskellige frekvenser. En operationsforstærkers GBP er generelt et mål for dets anvendelighed og ydeevne, da op-forstærkere med en højere GBP kan bruges til at opnå bedre ydelse ved højere frekvenser.,

Disse er de vigtigste parametre til at overveje, når du vælger en operationel forstærker i dit design, men der er mange andre overvejelser, der kan påvirke dit design, afhængigt af programmet og ydeevne behov. Andre almindelige parametre omfatter input offset spænding, støj, hvilestrøm og forsyningsspændinger.

negativ Feedback og lukket Sløjfeforøgelse

i en operationsforstærker implementeres negativ feedback ved at føre en del af udgangssignalet gennem en ekstern feedbackmodstand og tilbage til den inverterende indgang (se figur 3).,

figur 3: negativ Feedback med inverterende operationsforstærker

negativ feedback bruges til at stabilisere forstærkningen. Ved at bruge en negativ feedback kan den lukkede sløjfe-forstærkning bestemmes via eksterne feedbackomponenter, der kan have højere nøjagtighed sammenlignet med operationsforstærkerens interne komponenter. Dette skyldes, at de interne op-forstærkerkomponenter kan variere væsentligt på grund af processkift, temperaturændringer, spændingsændringer og andre faktorer., Closed-loop gevinst kan beregnes med Ligning (2):

$$ \frac {V_{UD}}{V_{I}} = \frac 1 f $$

operationsforstærkere: Fordele og Begrænsninger

Der er mange fordele ved at bruge en operationel forstærker. Operationelle forstærkere kommer ofte i form af en IC, og er bredt tilgængelige, med utallige valgbare ydelsesniveauer for at imødekomme enhver applikations behov. Op-forstærkere har en bred vifte af anvendelser, og som sådan er en vigtig byggesten i mange analoge applikationer — inklusive filterdesign, spændingsbuffere, komparatorkredsløb og mange andre., Derudover leverer de fleste virksomheder simuleringssupport, såsom PSpice-modeller, til designere til at validere deres operationelle forstærkerdesign, før de bygger rigtige designs.

begrænsningerne ved brug af operationelle forstærkere inkluderer det faktum, at de er analoge kredsløb, og kræver en designer, der forstår analoge grundlæggende elementer som indlæsning, frekvensrespons og stabilitet. Det er ikke ualmindeligt at designe et tilsyneladende simpelt op amp-kredsløb, kun for at tænde det og finde ud af, at det svinger., På grund af nogle af de vigtigste parametre diskuteret tidligere, skal designeren forstå, hvordan disse parametre spiller ind i deres design, hvilket typisk betyder, at designeren skal have et moderat til højt niveau af analog designoplevelse.

Operational Amplifier Configuration Topologies

Der er flere forskellige op amp kredsløb, hver afviger i funktion. De mest almindelige topologier er beskrevet nedenfor.

Spændingsfølger

det mest basale driftsforstærkerkredsløb er en spændingsfølger (se figur 4)., Dette kredsløb kræver generelt ikke eksterne komponenter og giver høj indgangsimpedans og lav udgangsimpedans, hvilket gør det til en nyttig buffer. Da spændingsindgangen og-udgangen er ens, producerer ændringer i indgangen tilsvarende ændringer i udgangsspændingen.

$$ V_{UD} = V_{I} $$

Figur 4: Spænding Follower

Den mest almindelige op-amp, der anvendes i elektroniske enheder er spænding forstærkere, som øger udgangsspændingen størrelsesorden., Inverterende og ikke-inverterende konfigurationer er de to mest almindelige forstærkerkonfigurationer. Begge disse topologier er lukket sløjfe (hvilket betyder, at der er feedback fra udgangen tilbage til indgangsterminalerne), og spændingsforstærkning indstilles således af et forhold mellem de to modstande.

Inverterende operationelle forstærker

I inverterende operationsforstærkere, op-amp styrker den negative terminal til at svare til den positive terminal, som er en almindeligt jorden. Indgangsstrømmen bestemmes derfor af vin / R1-forholdet (se figur 5).,

figur 5: inverterende operationsforstærker

i denne konfiguration strømmer den samme strøm gennem R2 til udgangen. Ideelt set strømmer strømmen ikke ind i operationsforstærkerens negative terminal på grund af dens høje .in. Strømmen, der strømmer fra den negative terminal gennem R2, skaber en omvendt spændingspolaritet i forhold til VIN. Dette er grunden til disse op forstærkere er mærket med en inverterende konfiguration., Bemærk, at op-forstærkerens output kun kan svinge mellem dens positive og negative forsyninger, så at skabe en negativ udgangsspænding kræver en op-forstærker med en negativ forsyningsskinne. VOUT kan beregnes med ligning (3):

$$ v_{OUT} = – \left({R_2} \over {R_1}\right). V_{IN}$$

ikke-inverterende operationsforstærker

i et ikke-inverterende forstærkerkredsløb er indgangssignalet fra kilden forbundet til den ikke-inverterende ( + ) terminal (se figur 6).,

figur 6: Ikke-inverterende operationsforstærker

operationsforstærkeren tvinger den inverterende (-) terminalspænding til at svare til indgangsspændingen, hvilket skaber en strømstrøm gennem feedbackmodstandene. Udgangsspændingen er altid i fase med indgangsspændingen, hvorfor denne topologi er kendt som ikke-inverterende. Bemærk, at med en ikke-inverterende forstærker er spændingsforstærkningen altid større end 1, hvilket ikke altid er tilfældet med de inverterende konfigurationer., UOUT kan beregnes med Ligning (4):

$$ V_{UD} = \left(1 + \frac {{R_2}} {R_1}\right) x V_{I} $$

spændingskomparator

En operationel forstærker spændingskomparator sammenligner spænding input, og driver udgang til levering tog af alt input er højere. Denne konfiguration betragtes som åben sløjfe, fordi der ikke er nogen feedback. Spændingskomparatorer har fordelen ved at fungere meget hurtigere end de lukkede topologier, der er diskuteret ovenfor (se figur 7).,

Figur 7: spændingskomparator

Hvordan til at Vælge en Operationel Forstærker til Din Ansøgning

Det nedenstående afsnit beskrives visse overvejelser, når du vælger den rette operationelle forstærker til din ansøgning.vælg først en op-forstærker, der kan understøtte dit forventede driftsspændingsområde. Disse oplysninger kan fås ved at se på forstærkerens strømforsyningsspændinger. Forsyningsspændingerne vil sandsynligvis enten være VDD ( + ) og jord (single supply), eller forstærkeren kan muligvis understøtte både en positiv og negativ forsyning., En negativ forsyning er nyttig, hvis udgangen skal understøtte negative spændinger.for det andet skal du overveje forstærkerens GBP. Hvis din applikation skal understøtte højere frekvenser, eller kræver en højere ydelse og reduceret forvrængning, overveje op ampere med højere Gbps.

man bør også overveje strømforbruget, da visse applikationer kan kræve drift med lav effekt. De anbefalede strømkrav kan typisk findes i delens datablad, og er normalt opført som strømforsyning og strømforbrug., Strømforbruget kan også estimeres ud fra produktet af forsyningsstrømmen og forsyningsspændingen. Generelt har op-forstærkere med lavere forsyningsstrømme lavere GBP og svarer til lavere kredsløbsydelse.

for applikationer, der kræver højere nøjagtighed, skal designeren være særlig opmærksom på forstærkerens indgangsforskydningsspænding, da denne spænding fører til en forskydning i forstærkerens udgangsspænding.

resum.

operationelle forstærkere er meget udbredt i mange analoge og effekt applikationer., Fordelene ved at bruge en op-forstærker er, at de generelt forstås bredt, veldokumenteret og understøttet, og er forholdsvis lette at bruge og implementere. Op-forstærkere er nyttige til mange applikationer, såsom spændingsbuffere, oprettelse af analoge filtre og tærskeldetektorer. Med en større forståelse af nøgleparametre og fælles topologier relateret til operationelle forstærkere, kan du begynde at implementere dem i dine kredsløb.

_________________________