ARTICLE
haal waardevolle bronnen rechtstreeks naar uw postvak in – Eén keer per maand verzonden
We waarderen uw privacy
Wat is een operationele versterker?
een operationele versterker (op amp) is een analoog circuitblok dat een differentiële spanningsingang neemt en een enkelvoudige spanningsuitgang produceert.
Op versterkers hebben meestal drie aansluitingen: twee hoogimpedantie ingangen en een laagimpedantie uitgangspoort., De inverterende ingang wordt aangeduid met een min (-) teken, en de niet-inverterende ingang gebruikt een positief (+) teken. Operationele versterkers werken om het spanningsverschil tussen de ingangen te versterken, wat nuttig is voor een verscheidenheid aan analoge functies, waaronder signaalketting, vermogen en besturingstoepassingen.
operationele Versterkerclassificaties
Er zijn vier manieren om operationele versterkers te classificeren:
- Spanningsversterkers nemen spanning in en produceren een spanning aan de uitgang.
- Stroomversterkers ontvangen een stroomingang en produceren een stroomuitgang.,
- Transgeleidingsversterkers zetten een spanningsingang om in een stroomuitgang.
- Transresistance versterkers zetten een stroomingang om en produceren een spanningsuitgang.
omdat de meeste op-versterkers worden gebruikt voor spanningsversterking, zal dit artikel zich richten op spanningsversterkers.
operationele versterkers: belangrijkste kenmerken en Parameters
Er zijn veel verschillende belangrijke kenmerken en parameters met betrekking tot op-versterkers (zie Figuur 1). Deze kenmerken worden hieronder nader beschreven.,
figuur 1: Schema van de operationele versterker
open-loopversterking
open-loopversterking: de open-loopversterking (“A” in Figuur 1) van een operationele versterker is de maat van de verkregen versterking wanneer er geen feedback is geïmplementeerd in het circuit. Dit betekent dat het feedbackpad, of lus, open is. Een open-lusversterking moet vaak buitengewoon groot zijn (10.000+) om op zichzelf nuttig te zijn, behalve bij spanningsvergelijkers.
Spanningsvergelijkaars vergelijken de ingangsspanningen., Zelfs met kleine spanningsverschillen kunnen spanningsvergelijkaars de uitgang naar de positieve of negatieve rails drijven. Hoge open-lus winsten zijn gunstig in closed-lus configuraties, omdat ze stabiel circuit gedrag over temperatuur, proces, en signaal variaties mogelijk te maken.
Ingangsimpedantie
een ander belangrijk kenmerk van op-versterkers is dat zij over het algemeen een hoge ingangsimpedantie hebben (“ZIN” in Figuur 1). De ingangsimpedantie wordt gemeten tussen de negatieve en positieve ingangsklemmen, en de ideale waarde is oneindig, wat de belasting van de bron minimaliseert., (In werkelijkheid is er een kleine stroomlekkage.) Het schikken van de schakelingen rond een operationele versterker kan de effectieve Ingangsimpedantie voor de bron aanzienlijk veranderen, dus externe componenten en feedback loops moeten zorgvuldig worden geconfigureerd. Het is belangrijk op te merken dat de ingangsimpedantie niet alleen wordt bepaald door de ingangs DC weerstand. Ingangscapaciteit kan ook kringsgedrag beïnvloeden, dus daar moet ook rekening mee worden gehouden.
Uitgangsimpedantie
een operationele versterker heeft idealiter een uitgangsimpedantie van nul (“ZOUT” in Figuur 1)., Nochtans, heeft de uitgangsimpedantie typisch een kleine waarde, die de hoeveelheid stroom bepaalt het kan drijven, en hoe goed het als voltagebuffer kan werken.
frequentierespons en bandbreedte (BW)
een ideale op-versterker zou een oneindige bandbreedte (BW) hebben en een hoge versterking kunnen behouden, ongeacht de signaalfrequentie. Echter, alle operationele versterkers hebben een eindige bandbreedte, in het algemeen genoemd de “-3dB punt,” waar de winst begint te rollen naarmate de frequentie toeneemt. De versterking van de versterker neemt dan af met een snelheid van-20dB/decennium terwijl de frequentie toeneemt., Op versterkers met een hogere BW hebben betere prestaties omdat ze hogere winsten bij hogere frequenties behouden; echter, deze hogere winst resulteert in een groter energieverbruik of hogere kosten.
Figuur 2: Operational Amplifier Open-Loop Frequency Response Curve
Gain bandwidth product (GBP)
zoals de naam al doet vermoeden, is GBP een product van de versterkerversterking en bandbreedte., GBP is een constante waarde over de curve, en kan worden berekend met Vergelijking (1):
$$GBP = Gain x Bandwidth = A x BW$$
GBP wordt gemeten op het frequentiepunt waarop de versterking van de operationele versterker eenheid bereikt. Dit is handig omdat het de gebruiker in staat stelt om de open-loop gain van het apparaat te berekenen op verschillende frequenties. Een operationele versterker van GBP is over het algemeen een maat voor het nut en de prestaties, als op versterkers met een hogere GBP kan worden gebruikt om betere prestaties te bereiken bij hogere frequenties.,
Dit zijn de belangrijkste parameters waarmee u rekening moet houden bij het selecteren van een operationele versterker in uw ontwerp, maar er zijn veel andere overwegingen die uw ontwerp kunnen beïnvloeden, afhankelijk van de toepassing en prestatiebehoeften. Andere gemeenschappelijke parameters omvatten input offset spanning, lawaai, ruststroom, en voedingsspanningen.
negatieve Feedback en Closed-Loop Gain
in een operationele versterker wordt negatieve feedback geïmplementeerd door een deel van het uitgangssignaal via een externe feedbackweerstand terug te voeren naar de inverterende ingang (zie Figuur 3).,
Figuur 3: negatieve Feedback met inverterende operationele versterker
negatieve feedback wordt gebruikt om de versterking te stabiliseren. Door een negatieve feedback te gebruiken, kan de closed-loop gain worden bepaald via externe feedback componenten die een hogere nauwkeurigheid kunnen hebben in vergelijking met de interne componenten van de operationele versterker. Dit komt omdat de interne op amp componenten aanzienlijk kunnen variëren als gevolg van proces verschuivingen, temperatuurveranderingen, spanningsveranderingen, en andere factoren., De closed-loop gain kan worden berekend met Vergelijking (2):
$$ \frac {V_{OUT}}{V_{in}} = \frac 1 f $$
operationele versterkers: voordelen en beperkingen
Er zijn veel voordelen aan het gebruik van een operationele versterker. Operationele versterkers komen vaak in de vorm van een IC, en zijn op grote schaal beschikbaar, met talloze selecteerbare prestatieniveaus om te voldoen aan de behoeften van elke toepassing. Op versterkers hebben een breed scala van toepassingen, en als zodanig zijn een belangrijke bouwsteen in vele analoge toepassingen — met inbegrip van filterontwerpen, spanningsbuffers, comparator circuits, en vele anderen., Daarnaast bieden de meeste bedrijven simulatieondersteuning, zoals PSPICE-modellen, voor ontwerpers om hun operationele versterkerontwerpen te valideren voordat ze echte ontwerpen bouwen.
De beperkingen aan het gebruik van operationele versterkers zijn onder meer het feit dat het analoge circuits zijn, en vereisen een ontwerper die analoge grondbeginselen zoals belasting, frequentierespons en stabiliteit begrijpt. Het is niet ongewoon om een schijnbaar eenvoudige op amp circuit te ontwerpen, alleen om het aan te zetten en te vinden dat het Oscillerend is., Als gevolg van een aantal van de belangrijkste parameters eerder besproken, de ontwerper moet begrijpen hoe deze parameters spelen in hun ontwerp, wat meestal betekent dat de ontwerper moet een matig tot hoog niveau van analoge ontwerpervaring.
Operational Amplifier Configuration Topologies
Er zijn verschillende op amp circuits, elk verschillend in functie. De meest voorkomende topologieën worden hieronder beschreven.
Spanningsvolger
het meest basale operationele versterkercircuit is een spanningsvolger (zie Figuur 4)., Dit circuit heeft over het algemeen geen externe componenten nodig, en biedt een hoge ingangsimpedantie en een lage uitgangsimpedantie, waardoor het een nuttige buffer is. Omdat de spanningsingang en-uitgang gelijk zijn, produceren veranderingen in de input gelijkwaardige veranderingen in het uitgangsspanning.
$$ V_{OUT} = V_{IN} $$
Figuur 4: Spanningsvolger
de meest voorkomende op-amp gebruikt in elektronische apparaten zijn spanningsversterkers, die de magnitude van de uitgangsspanning verhogen., Inverterende en niet-inverterende configuraties zijn de twee meest voorkomende versterkerconfiguraties. Beide topologieën zijn gesloten-lus (wat betekent dat er feedback van de output terug naar de input terminals), en dus spanningsversterking wordt ingesteld door een verhouding van de twee weerstanden.
inverterende operationele versterker
bij inverterende operationele versterkers dwingt de op-amp de negatieve terminal om gelijk te zijn aan de positieve terminal, die gewoonlijk wordt gemalen. Daarom wordt de ingangsstroom bepaald door de VIN / R1 verhouding (zie Figuur 5).,
Figuur 5: inverterende operationele versterker
In deze configuratie stroomt dezelfde stroom door R2 naar de uitgang. Idealiter stroomt de stroom niet in de negatieve terminal van de operationele versterker vanwege de hoge ZIN. De stroom die van de negatieve terminal door R2 stroomt creëert een omgekeerde spanningspolariteit met betrekking tot VIN. Dit is de reden waarom deze op versterkers zijn gelabeld met een inverterende configuratie., Merk op dat de uitgang van de op amp kan alleen schommelen tussen de positieve en negatieve leveringen, dus het creëren van een negatieve uitgangsspanning vereist een op amp met een negatieve levering rail. VOUT kan worden berekend met Vergelijking (3):
$$ V_{OUT} = – \left({R_2} \over {R_1}\right) x V_{in}$$
niet-inverterende operationele versterker
In een niet-inverterende versterkercircuit is het ingangssignaal van de bron verbonden met de niet-inverterende ( + ) terminal (zie Figuur 6).,
Figuur 6: niet-inverterende operationele versterker
de operationele versterker forceert de inverterende (-) aansluitspanning gelijk aan de ingangsspanning, waardoor een stroomstroom door de terugkoppelweerstanden ontstaat. De uitgangsspanning is altijd in fase met de ingangsspanning, daarom staat deze topologie bekend als niet-inverterend. Merk op dat bij een niet-inverterende versterker de spanningsversterking altijd groter is dan 1, wat niet altijd het geval is bij de inverterende configuraties., VOUT kan worden berekend met Vergelijking (4):
$$ V_{OUT} = \left(1 + \frac {{R_2}} {R_1}\right) x V_{in} $$
Voltage comparator
een operationele versterker voltage comparator vergelijkt spanningsingangen en drijft de uitgang naar de voedingsrail van welke ingang dan ook. Deze configuratie wordt beschouwd als open-loop operatie omdat er geen feedback. Voltage comparators hebben het voordeel dat ze veel sneller werken dan de closed-loop topologieën hierboven besproken (zie Figuur 7).,
Figuur 7: Voltage Comparator
hoe kiest u een operationele versterker voor uw toepassing
in het onderstaande gedeelte worden bepaalde overwegingen besproken bij het selecteren van de juiste operationele versterker voor uw toepassing.
Kies eerst een op-versterker die uw verwachte spanningsbereik ondersteunt. Deze informatie kan worden verkregen door te kijken naar de voedingsspanningen van de versterker. De voedingsspanningen zullen waarschijnlijk VDD (+) en aarde (enkele voeding) zijn, of de versterker kan zowel een positieve als een negatieve voeding ondersteunen., Een negatieve voeding is nuttig als de output negatieve spanningen moet ondersteunen.
ten tweede, overweeg de GBP van de versterker. Als uw applicatie hogere frequenties moet ondersteunen, of hogere prestaties en minder vervorming vereist, overweeg dan op-versterkers met hogere GBPs.
men dient ook rekening te houden met het stroomverbruik, omdat bepaalde toepassingen een laag vermogen nodig kunnen hebben. De aanbevolen stroomvereisten zijn meestal te vinden in het datasheet van het onderdeel, en worden meestal vermeld als leveringsstroom en stroomverbruik., Het stroomverbruik kan ook worden geschat op basis van het product van de voedingsstroom en voedingsspanning. Over het algemeen, op versterkers met lagere toevoerstromen hebben lagere GBP, en corresponderen met lagere circuit prestaties.
voor toepassingen die een hogere nauwkeurigheid vereisen, moet de ontwerper speciale aandacht besteden aan de ingangsspanning van de versterker, aangezien deze spanning leidt tot een verschuiving in de uitgangsspanning van de versterker.
samenvatting
operationele versterkers worden veel gebruikt in veel analoge en energietoepassingen., De voordelen van het gebruik van een op-versterker zijn dat ze over het algemeen algemeen worden begrepen, goed gedocumenteerd en ondersteund, en zijn vrij eenvoudig te gebruiken en te implementeren. Op versterkers zijn nuttig voor vele toepassingen, zoals spanningsbuffers, het creëren van analoge filters, en drempeldetectoren. Met een beter begrip van de belangrijkste parameters en gemeenschappelijke topologieën met betrekking tot operationele versterkers, kunt u beginnen met het implementeren van hen in uw circuits.