operativa förstärkare

• spänningsförstärkare tar spänning i och producerar en spänning vid utgången.
• nuvarande förstärkare får en aktuell ingång och producerar en aktuell utgång.,
• Transkonduktansförstärkare omvandlar en spänningsingång till en strömutgång.
• Transresistance förstärkare konvertera en strömingång och producerar en spänningsutgång.

eftersom de flesta op-förstärkare används för spänningsförstärkning kommer den här artikeln att fokusera på spänningsförstärkare.

operativa förstärkare: viktiga egenskaper och parametrar

det finns många olika viktiga egenskaper och parametrar relaterade till op-förstärkare (se Figur 1). Dessa egenskaper beskrivs mer detaljerat nedan.,

Figur 1: operationell förstärkare schematisk

Open-loop gain

Open-loop gain: Open-loop gain (”a” i Figur 1) hos en operationell förstärkare är måttet på den uppnådda vinsten när det inte finns någon återkoppling implementerad i kretsen. Detta innebär att återkopplingsvägen, eller loop, är öppen. En öppen ögla vinst måste ofta vara mycket stor (10,000+) för att vara användbar i sig, förutom med spänningskomparatorer.

Spänningsparatorer jämför ingångsspänningarna., Även med små spänningsskillnader kan spänningskomparatorer driva utgången till antingen de positiva eller negativa skenorna. Höga öppna loopvinster är fördelaktiga i slutna konfigurationer, eftersom de möjliggör stabila kretsbeteenden över temperatur, process och signalvariationer.

Ingångsimpedans

en annan viktig egenskap hos op-förstärkare är att de i allmänhet har hög ingångsimpedans (”ZIN” i Figur 1). Ingångsimpedans mäts mellan de negativa och positiva ingångarna, och dess ideala värde är oändlighet, vilket minimerar belastningen av källan., (I verkligheten finns det en liten strömläckage.) Att arrangera kretsarna runt en driftsförstärkare kan väsentligt ändra den effektiva ingångsimpedansen för källan, så externa komponenter och återkopplingsslingor måste noggrant konfigureras. Det är viktigt att notera att ingångsimpedans inte enbart bestäms av ingångs DC-resistansen. Ingångskapacitans kan också påverka kretsbeteende, så det måste beaktas också.

Utgångsimpedans

en driftsförstärkare har helst noll Utgångsimpedans (”ZOUT” i Figur 1)., Utgångsimpedansen har emellertid typiskt ett litet värde, vilket bestämmer hur mycket ström det kan driva och hur väl det kan fungera som en spänningsbuffert.

frekvensrespons och bandbredd (BW)

en idealisk op amp skulle ha en oändlig bandbredd (BW), och skulle kunna upprätthålla en hög förstärkning oavsett signalfrekvens. Men alla operativa förstärkare har en ändlig bandbredd, allmänt kallad ”- 3dB-punkten”, där förstärkningen börjar rulla när frekvensen ökar. Förstärkarens vinst minskar sedan med en hastighet av-20dB / decennium medan frekvensen ökar., Op ampere med en högre BW har förbättrad prestanda eftersom de upprätthåller högre vinster vid högre frekvenser; denna högre vinst resulterar dock i större strömförbrukning eller ökad kostnad.

Figur 2: Operativ förstärkare frekvenskurva för öppen slinga

Gain bandwidth product (GBP)

som namnet antyder är GBP en produkt av förstärkarens förstärkning och bandbredd., GBP är ett konstant värde över kurvan och kan beräknas med ekvation (1):

$$GBP = Gain X Bandwidth = a x bw$$

GBP mäts vid den frekvenspunkt där den operativa förstärkarens vinst når enighet. Detta är användbart eftersom det tillåter användaren att beräkna enhetens Open-loop Vinst vid olika frekvenser. En operativ förstärkares GBP är i allmänhet ett mått på dess användbarhet och prestanda, eftersom op-förstärkare med högre GBP kan användas för att uppnå bättre prestanda vid högre frekvenser.,

det här är de viktigaste parametrarna att tänka på när du väljer en operativ förstärkare i din design, men det finns många andra överväganden som kan påverka din design, beroende på applikations-och prestandabehov. Andra vanliga parametrar inkluderar ingång offset spänning, buller, quiescent ström, och matningsspänningar.

negativ återkoppling och sluten Slingförstärkning

i en operativ förstärkare implementeras negativ återkoppling genom att mata en del av utgångssignalen genom ett externt återkopplingsmotstånd och tillbaka till inverteringsingången (se Figur 3).,

Figur 3: negativ återkoppling med inverterande Operativ förstärkare

negativ återkoppling används för att stabilisera förstärkningen. Genom att använda en negativ återkoppling kan den slutna förstärkningen bestämmas via externa återkopplingskomponenter som kan ha högre noggrannhet jämfört med den operativa förstärkarens interna komponenter. Detta beror på att de interna op amp-komponenterna kan variera väsentligt på grund av processskift, temperaturförändringar, spänningsförändringar och andra faktorer., Den slutna förstärkningen kan beräknas med ekvation (2):

$$ \frac {V_{OUT}}{v_{in}} = \frac 1 f $$

operativa förstärkare: fördelar och begränsningar

det finns många fördelar med att använda en operativ förstärkare. Operativa förstärkare kommer ofta i form av en IC, och är allmänt tillgängliga, med otaliga valbara prestandanivåer för att möta varje applikations behov. Op förstärkare har ett brett utbud av användningsområden, och som sådan är en viktig byggsten i många analoga applikationer — inklusive filterdesign, spänningsbuffertar, komparatorkretsar och många andra., Dessutom tillhandahåller de flesta företag simuleringsstöd, såsom PSpice-modeller, för designers att validera sina operativa förstärkardesigner innan de bygger riktiga mönster.

begränsningarna för att använda operativa förstärkare inkluderar det faktum att de är analoga kretsar, och kräver en designer som förstår analoga fundamenta som lastning, frekvensrespons och stabilitet. Det är inte ovanligt att designa en till synes enkel op amp-krets, bara för att slå på den och upptäcka att den svänger., På grund av några av de viktigaste parametrarna som diskuterats tidigare måste designern förstå hur dessa parametrar spelar in i sin design, vilket vanligtvis innebär att designern måste ha en måttlig till hög nivå av analog designupplevelse.

Operativ förstärkare konfiguration topologier

det finns flera olika op amp kretsar, var och en skiljer sig i funktion. De vanligaste topologierna beskrivs nedan.

spänningsföljare

den mest grundläggande driftsförstärkarkretsen är en spänningsföljare (se Figur 4)., Denna krets kräver i allmänhet inte externa komponenter, och ger hög ingångsimpedans och låg Utgångsimpedans, vilket gör den till en användbar buffert. Eftersom spänningsingången och utgången är lika, ger förändringar i ingången motsvarande förändringar i utspänningen.

$$ v_{OUT} = v_{in} $ $

Figur 4: spänningsföljare

den vanligaste op-förstärkaren som används i elektroniska enheter är spänningsförstärkare, vilket ökar utspänningsstorleken., Inverterande och icke-inverterande konfigurationer är de två vanligaste förstärkarkonfigurationerna. Båda dessa topologier är slutna (vilket innebär att det finns återkoppling från utgången tillbaka till ingångarna), och sålunda spänningsförstärkning ställs in av ett förhållande mellan de två motstånden.

inverterande operativförstärkare

i inverterande operativa förstärkare tvingar op amp den negativa terminalen att motsvara den positiva terminalen, som vanligtvis är markerad. Därför bestäms ingångsströmmen av VIN / R1-förhållandet (se Figur 5).,

Figur 5: invertera Driftsförstärkare

i denna konfiguration strömmar samma ström genom R2 till utgången. Helst strömmar strömmen inte in i den operativa förstärkarens negativa terminal på grund av dess höga ZIN. Strömmen som strömmar från den negativa terminalen genom R2 skapar en inverterad spänningspolaritet med avseende på VIN. Det är därför dessa op ampere är märkta med en inverterande konfiguration., Observera att op-förstärkarens utgång endast kan svänga mellan sina positiva och negativa leveranser, så att skapa en negativ Utgångsspänning kräver en op-förstärkare med en negativ matningsskena. VOUT kan beräknas med ekvation (3):

$$ v_{OUT} = – \left({R_2} \over {R_1}\right) x v_{in}$$

icke-inverterande operativ förstärkare

i en icke-inverterande förstärkarkrets är ingångssignalen från källan ansluten till den icke-inverterande ( + ) terminalen (se Figur 6).,

Figur 6: icke-inverterande Operativförstärkare

den operativa förstärkaren tvingar den inverterande (-) terminalspänningen att motsvara ingångsspänningen, vilket skapar ett strömflöde genom återkopplingsmotstånden. Utgångsspänningen är alltid i fas med ingångsspänningen, varför denna topologi är känd som icke-inverterande. Observera att med en icke-inverterande förstärkare är spänningsförstärkningen alltid större än 1, vilket inte alltid är fallet med inverteringskonfigurationerna., VOUT kan beräknas med ekvation (4):

$$ v_{OUT} = \left(1 + \frac {{r_2}} {R_1}\right) x v_{in} $$

spänningskomparator

en operativ förstärkare spänningskomparator jämför spänningsingångar och driver utgången till matningsskenan för vilken ingång som är högre. Denna konfiguration anses vara öppen slinga eftersom det inte finns någon feedback. Spänningsparatorer har fördelen att fungera mycket snabbare än de slutna topologierna som diskuteras ovan (se Figur 7).,

Figur 7: Voltage Comparator

hur man väljer en operativ förstärkare för din ansökan

avsnittet nedan diskuterar vissa överväganden när du väljer rätt driftsförstärkare för din ansökan.

Välj först en op amp som kan stödja ditt förväntade driftspänningsområde. Denna information kan erhållas genom att titta på förstärkarens nätspänningar. Matningsspänningarna kommer sannolikt antingen att vara VDD ( + ) och mark (single supply), eller förstärkaren kan stödja både en positiv och negativ tillförsel., En negativ tillförsel är användbar om utgången behöver stödja negativa spänningar.

För det andra, överväga förstärkarens GBP. Om din ansökan behöver stödja högre frekvenser, eller kräver en högre prestanda och minskad distorsion, överväga op amps med högre GBPs.

man bör också överväga strömförbrukningen, eftersom vissa applikationer kan kräva låg effektdrift. De rekommenderade strömkraven kan vanligtvis hittas i delens datablad, och är vanligtvis listade som Matningsström och strömförbrukning., Strömförbrukningen kan också uppskattas från produkten av Matningsström och matningsspänning. I allmänhet har op-förstärkare med lägre försörjningsströmmar lägre GBP och motsvarar lägre kretsprestanda.

För applikationer som kräver högre noggrannhet bör designern ägna särskild uppmärksamhet åt förstärkarens inspänningsförskjutning, eftersom denna spänning leder till en förskjutning i förstärkarens utspänning.

sammanfattning

operativa förstärkare används ofta i många analoga och kraftprogram., Fördelarna med att använda en op amp är att de är allmänt förstådda, väl dokumenterade och stöds, och är ganska lätt att använda och genomföra. Op ampere är användbara för många tillämpningar, såsom spänningsbuffertar, skapa analoga filter, och tröskel detektorer. Med en större förståelse av nyckelparametrar och vanliga topologier relaterade till operativa förstärkare kan du börja implementera dem i dina kretsar.

_________________________