Разумевање операционих појачала: принципи, једначине и примене

Оперативна појачала, или оп-појачала, су кључни грађевински блокови у аналогној електроници.Они појачавају, упоређују или обрађују електричне сигнале са високом прецизношћу.Овај чланак објашњава главне типове, основне параметре и важне формуле које описују како функционишу оп-појачала.Од инвертујућих и неинвертујућих кола до интегратора и диференцијатора, покрива како ова појачала обликују важне сигнале.

Каталог

Слика 1. Оперативни појачавачи

Шта су операциони појачивачи?

Оперативно појачало (Оп-Амп) је интегрисано коло које се користи за појачавање или модификовање електричних сигнала у аналогним системима.Има два улазна пина, један инвертујући (–) и један неинвертујући (+) и један излаз који даје појачану верзију разлике напона између њих.Унутар чипа, транзистори и отпорници раде заједно како би створили веома високо појачање и осетљивост, омогућавајући чак и мале промене улаза да произведу приметне варијације излаза.У колима у стварном свету, повратна спрега се додаје како би се контролисало појачање и учинило појачало стабилним и прецизним.Док се претпоставља да идеални оп-појачала имају бесконачно појачање и да нема унутрашњих губитака, практични оп-појачала су дизајнирани да раде ефикасно у границама.Због своје прецизности и флексибилности, оп-појачала се широко користе у аудио појачавачима, филтерима, компараторима, сензорима и круговима за кондиционирање сигнала за задатке као што су појачање напона, филтрирање шума и обликовање таласног облика у свакодневним електронским уређајима и контролним системима.

Облици операционог појачавача

Оперативно појачало (оп-амп) се може посматрати на два начина као идеално и важно.

Феатуре	Идеално Оп-Амп	Практично Оп-Амп
Отворено појачање	Бесконачно	Веома висока (10⁵–10⁶)
Инпут Импеданце	Бесконачно	Висока (МΩ–ГΩ)
Излазна импеданса	Зеро	Ниско (десетине Ω)
Бандвидтх	Бесконачно	Ограничено
Слев Рате	Бесконачно	Коначан
Оффсет Волтаге	Зеро	Мала (µВ–мВ)

Основне карактеристике и терминологија операционог појачала

Слика 2. Оп-Амп Основне карактеристике и терминологија

Операциона појачала (оп-појачала) су описана са неколико карактеристика које дефинишу њихов учинак у електронским колима.Разумевање ових термина помаже у одабиру правог оп-појачала за одређену примену.

Инпут Оффсет Волтаге: Мали нежељени напон који се појављује на улазним терминалима, чак и када би оба улаза требала бити на истом потенцијалу.То узрокује благу излазну грешку и представља колико је појачало „избалансирано“ интерно.

Инпут Биас Цуррент: Мала количина струје која тече у улазне терминале за рад унутрашњих транзистора.Мања струја пристрасности значи већу улазну тачност.

Инпут Импеданце: Отпор који се види путем улазног сигнала.Висока улазна импеданса осигурава да оп-амп не оптерећује или омета извор сигнала.

Излазна импеданса: Отпор на излазном терминалу.Ниска излазна импеданса омогућава оперативном појачалу да ефикасно покреће друга кола или оптерећења.

Повећање отворене петље (АОЛ): Појачање напона оп-појачала без икакве повратне информације.Обично је веома велика и одређује колико је појачало осетљиво на улазне разлике.

Бандвидтх: Опсег фреквенција преко којих оп-појачало може ефикасно појачати сигнале.Шири пропусни опсег омогућава бржи и прецизнији одзив сигнала.

Слев Рате: Максимална брзина при којој се излазни напон може променити.То утиче на то колико добро операционо појачало може да поднесе сигнале који се брзо мењају.

Коефицијент одбијања заједничког режима (ЦМРР): Способност оп-појачала да игнорише уобичајене сигнале који се појављују на оба улаза, осигуравајући само појачавање разлике напона.

Однос одбијања напајања (ПСРР) : Означава колико добро операционо појачало може да одржи стабилан излаз чак и када се промени напон напајања.

Уобичајене једначине и формуле операционог појачала

Оперативно појачало (оп-амп) ради на принципу појачавања разлике напона између своја два улаза, инвертујућег (–) и неинвертујућег (+) терминала.Једначина испод показује да излаз зависи од појачане разлике између сваког улазног напона.

Слика 3. Инвертујуће појачало

Инвертујуће појачало

Ан инвертујуће појачало је једноставно оп-амп коло које производи излазни сигнал који је обрнуто (супротно у фази) у поређењу са улазом.Улазни напон се примењује на инвертујући улаз (–) преко улазног отпорника $Р_{ин}$, док а повратни отпорник ${Р}_{ф}$повезује излаз назад на исти улаз.Тхе неинвертујући улаз (+) је спојен на уземљење, стварајући виртуелно уземљење на инвертном терминалу.Због негативне повратне информације, струја пролази $Р_{ин}$протиче кроз ${Р}_{ф}$, а однос између улаза и излаза је дат формулом $В_{оут} = -\фрац{Р_ф}{Р_{ин}} \пута В_{ин}$.Негативан предзнак показује да је излаз за 180° ван фазе са улазом.Ово коло обезбеђује контролисано и стабилно појачање напона постављено односом отпорника и широко се користи у аудио, кондиционирању сигнала и контролним апликацијама где је потребно прецизно и обрнуто појачање.

Слика 4. Неинвертујући појачавач

Неинвертујуће појачало

А неинвертујући појачивач је ан операционо појачало (оп-амп) коло које појачава улазни сигнал без промене његове фазе, излаз расте и пада исто као и улаз.Тхе улазни напон примењује се на неинвертујући терминал (+), док се део излаза шаље назад у инвертни терминал (–) кроз пар отпорника који формирају а мрежа повратних информација.Један отпорник $Р_ф$повезује излаз на инвертујући улаз, и други отпорник $Р_1$ повезује инвертујући улаз са уземљењем.Ова повратна информација стабилизује коло и поставља појачање напона, што је дато формулом:

$$В_{оут} = \лефт(1 + \фрац{Р_ф}{Р_1}\ригхт) В_{ин}$$

Пошто је појачање увек веће од један, ова конфигурација појачава улазни сигнал док га одржава у фази.Тхе неинвертујући појачивач има а веома висока улазна импеданса и а ниска излазна импеданса, што га чини идеалним за употребу као тампон, кондиционер сигнала, или следбеник напона у аналогним колима.

Слика 4. Пратилац напона

Волтаге Фолловер

А следбеник напона, такође познат као а бафер појачало или појачало са јединичним појачањем, је једноставно конфигурација оп-амп који обезбеђује исти излазни напон као и улазни, али са побољшаном способношћу покретања струје.У овој поставци, излаз је директно повезан са инвертовање улаза (–), док је улазни сигнал примењује се на неинвертујући улаз (+).Ово ствара 100% негативне повратне информације, присиљавајући излазни напон да тачно прати улаз.Формула за ово коло је једноставна:

$$В_{оут} = В_{ин$$

Иако је појачање напона један, следбеник напона има важне предности.То нуди веома висока улазна импеданса, који спречава учитавање или слабљење улазног сигнала, и врло ниска излазна импеданса, омогућавајући му да лако покреће тешка оптерећења или друге фазе кола.

Слика 5. Диференцијално појачало

Диференцијално појачало

А диференцијално појачало је ан оп-амп коло то појачава разлика између два улазна напона док одбацује сваки напон заједнички за оба.То га чини идеалним за смањење буке и сметњи сензорска кола, аудио системи, и мерни инструменти.Однос између улаза и излаза је дат главном формулом:

$$В_{оут} = \лево(\фрац{Р_2}{Р_1}\десно)(В_2 - В_1)$$

Ова једначина показује да је излазни напон зависи од разлика између два улазна сигнала помножено са однос отпорника $\фрац{Р_2}{Р_1}$.Зато што одбацује уобичајену буку и само појачава разлику, тј диференцијално појачало се широко користи за чисто, тачно и стабилно појачање сигнала у аналогним и инструментационим апликацијама.

Слика 6. Појачало за сумирање и интегрисање

Појачало за сумирање и интегрисање

А сабирни и интеграциони појачавач су две заједничке кола оп-амп користи се за математичке операције над аналогним сигналима.А сабирни појачивач комбинује неколико улазних напона у један излаз, док ан интеграционо појачало производи излаз који зависи од временског интеграла улаза.Кључна формула за ан интеграционо појачало је:

$$В_{оут} = -\фрац{1}{Р_1Ц} \инт В_{ин} \, дт$$

Ова једначина показује да је излазни напон пропорционалан интегралу улазног сигнала, што значи да континуирано додаје улаз током времена.Интегришућа појачала се широко користе у аналогни компјутери, филтери сигнала, генератори таласних облика, и системи управљања за обраду и обликовање сигнала.

Кола интегратора и диференцијатора оперативних појачала

Интегратор и диференцијатор оп-појачала су два важна аналогна кола која изводе основне математичке операције на интеграцији и диференцијацији електричних сигнала користећи операциони појачавач.

Слика 7. Интегратор

А Интеграторско коло производи излазни напон који је пропорционалан интегралу улазног напона током времена.У овом колу, улазни сигнал пролази кроз отпорник Р1у инвертујући улаз (–), а кондензатор (Ц) се користи на путу повратне спреге уместо отпорника.Неинвертујући улаз (+) је уземљен.

То значи да се излазни напон мења на основу акумулираног улазног сигнала, а константни улаз производи сталну промену (рампу) излаза.Интеграторска кола се обично користе у аналогним филтерима, генераторима таласних облика и апликацијама за обраду сигнала.

Слика 8. Диференцијатор

А Дифферентиатор Цирцуит, с друге стране, ради супротно, производи излаз који је пропорционалан брзини промене улазног сигнала.Овде је кондензатор постављен на улаз, а отпорник се користи у повратној спрези.

То значи да када се улаз брзо промени, излаз снажно реагује, чинећи га осетљивим на брзе варијације у сигналу.Диференцијаторска кола се користе у системима за детекцију ивица, обликовање таласа и контролу.

Примене оперативних појачала

Оперативна појачала се користе у скоро свим областима електронике због своје свестраности и прецизности.Они играју велику улогу у аналогним и мешовитим сигналним системима.Уобичајене апликације укључују:

• Аудио појачала – Користи се за појачавање слабих сигнала са микрофона или инструмената за чист звук.

• Сензорски кругови – Појачајте мале напонске сигнале са сензора у системима за температуру, притисак и детекцију покрета.

• Комуникациони системи – Обрадите и филтрирајте сигнале у предајницима, пријемницима и модемима за бољи квалитет сигнала.

• Индустриал Цонтроллерс – Користи се у повратним и контролним петљама за аутоматизацију, моторне погоне и регулацију процеса.

• Сигнал Амплифицатион – Повећајте нивое напона или струје за мерење, инструментацију и контролне апликације.

• Активни филтери – Уклоните шум или нежељене фреквенције у аудио, радио и податковним колима.

• Математичке операције – Извршите сабирање, одузимање, интеграцију и диференцијацију у аналогним рачунарским и управљачким колима.

• Аналогна и мешовита обрада сигнала – Комбинујте аналогне и дигиталне сигнале за задатке као што су конверзија података, филтрирање и кондиционирање.

Предности и ограничења оперативних појачала

Предности

• Хигх Гаин – Чак и мала разлика улазног напона производи велики излаз, чинећи их веома осетљивим и ефикасним за појачање.

• Висока улазна импеданса – Они црпе врло мало улазне струје, спречавајући губитак сигнала и смањујући оптерећење извора.

• Ниска излазна импеданса – Може ефикасно покретати друге степене кола или оптерећења без значајног пада напона.

• Једноставност употребе – Једноставан дизајн кола коришћењем отпорника и кондензатора;доступна као компактна интегрисана кола.

• Виде Бандвидтх – Може да ради са широким опсегом фреквенција у зависности од типа коришћеног оп-појачала.

• Стабилне перформансе – Поуздано и доследно понашање када се користи негативна повратна информација.

• Исплативо – Лако доступан и јефтин за академске и индустријске примене.

Ограничења

• Фините Гаин – Права оп-појачала немају бесконачно појачање;њихов учинак се смањује на вишим фреквенцијама.

• Ограничени пропусни опсег – Појачање се смањује са повећањем фреквенције због компромиса између појачања и пропусног опсега.

• Инпут Оффсет Волтаге – Мале разлике напона се могу појавити на излазу чак и када су улази једнаки.

• Ограничење брзине успорења – Излаз се не може одмах променити;брзе варијације сигнала могу изазвати изобличење.

• Коначна улазна струја преднапона – Мала улазна струја је увек потребна за рад унутрашњег транзистора, што може утицати на прецизност.

• Температурна осетљивост – Параметри као што су напон офсета и струја пристрасности могу да варирају са температуром.

• Зависност од напајања – Варијације у напону напајања могу утицати на излазне перформансе (мерено ПСРР).

• Шум и изобличење – Нека оп-појачала уносе малу количину електричног шума или изобличења, посебно у сигналима ниског нивоа.

ОП-АМП појачава пропусни опсег и фреквентни одзив

Дакле, ако је оп-појачало подешено на високо појачање, може да поднесе само ниже фреквенције;ако је појачање ниже, може радити на вишим фреквенцијама.На пример, оп-појачало са 1 МХз ГБВ може дати појачање од 10 до 100 кХз.

Једноставно речено, појачање пропусног опсега и фреквенцијски одзив реците нам како се појачање оп-појачала мења са брзином сигнала.Они помажу у дизајнирању стабилних, јасних и тачних кола за аудио, филтрирање, и обрада сигнала апликације.

Оперативни појачала против диференцијалних појачала

Феатуре	Оперативни Појачало	Диференцијал Појачало
Дефиниција	Интегрисано коло које појачава разлику напона између два улаза са веома високим појачањем и може обављати многе аналогне функције.	Основно коло које појачава разлика напона између два улаза уз одбацивање заједничког мода сигнали.
Структура	Састоји се од вишеструких диференцијала степене појачала, активна оптерећења и интерне компензационе мреже.	Једностепени појачавач који користи отпорници и транзистори.
Добитак	Веома висока (обично 10⁵ до 10⁶).	Умерено (зависи од отпорника односи).
Инпут Импеданце	Веома висока (опсег од МΩ до ГΩ).	Релативно ниска до умерена.
Излазна импеданса	Веома ниско.	Умерено.
Функционалност	Може извести више аналогних операције (појачавање, филтрирање, сумирање, интегрисање, диференцирање).	Ограничено на диференцијални напон појачање.
Употреба повратних информација	Користи негативне повратне информације за стабилност и контролу.	Обично ради без повратне информације.
Коефицијент одбијања заједничког режима (ЦМРР)	Веома висока, због унутрашњег дизајна и прецизне компоненте.	Ниже, у зависности од отпорника подударање.
Апликације	Користи се у аудио појачивачима, филтери, контролни системи, инструментација и кондиционирање сигнала.	Користи се у круговима сензора, улаз степена оп-појачала и мерних система.

Закључак

Оперативни појачавачи су важни за појачавање сигнала, филтрирање и контролу у безбројним електронским системима.Разумевање њихових типова, формула и понашања помаже у дизајнирању прецизних и стабилних кола.Било да се користе као бафери, интегратори или диференцијална појачала, оп-појачала комбинују флексибилност и перформансе, чинећи их основним за модерну електронику аналогних и мешовитих сигнала.