Operationsverstärker

Was sind Operationsverstärker?

Operationsverstärker bilden das GrundgebäudeBlöcke von analogen elektronischen Schaltungen. Sie sind lineare Geräte mit allen Eigenschaften eines DC-Verstärkers. Wir können externe Widerstände oder Kondensatoren für den Operationsverstärker verwenden. Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, sie in verschiedene Arten von Verstärkern umzuwandeln, z. Dual, Quad usw. OPAMPs wie CA3130, CA3140, TL0 71, LM311 usw. bieten eine hervorragende Leistung bei sehr niedrigem Eingangsstrom und -spannung. Der ideale Operationsverstärker verfügt zusätzlich zu den anderen Terminals über drei wichtige Terminals. Die Eingangsklemmen sind invertierender Eingang und nicht invertierender Eingang. Der dritte Anschluss ist der Ausgang, der Strom und Spannung ableiten und abgeben kann. Das Ausgangssignal ist die Verstärkung des Verstärkers, multipliziert mit dem Wert des Eingangssignals.

5 ideale Zeichen eines Op Amp:

1. Open Loop-Verstärkung

Die Open-Loop-Verstärkung ist die Verstärkung des Operationsverstärkers ohne positive oder negative Rückkopplung. Ein idealer OP-Verstärker sollte eine unendliche Open-Loop-Verstärkung haben, liegt jedoch normalerweise zwischen 20.000 und 2, 00000.

2. Eingangsimpedanz

Es ist das Verhältnis der Eingangsspannung zum Eingangaktuell. Es sollte unendlich sein, ohne dass Strom von der Versorgung zu den Eingängen abfließt. Bei den meisten Operationsverstärkern wird es jedoch zu einigen Pico-Ampere-Stromverlusten kommen.

3. Ausgangsimpedanz

Der ideale Operationsverstärker sollte ohne Ausgangswiderstand eine Ausgangsimpedanz von Null 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 DC-Signalen auf die höchsten AC-Frequenzen steigern 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 jedoch nicht Null, wenn er ausgeschaltet ist, aber es entsteht eine winzige Spannung.

OPAMP-Pin-Konfiguration:

OP-AMP-PINS

In einem typischen Operationsverstärker gibt es 8 Pins. Diese sind

Pin1 - Offset Null

Pin2 - Invertierung des Eingangs INV

Pin3 - Nicht invertierender Eingang Nicht-INV

Pin4 - Masse - Negative Versorgung

Pin5 - Offset Null

Pin6 - Ausgang

Pin7 - Positive Versorgung

Pin8 - Blitz

4 Arten der Verstärkung in OPAMPs:

Spannungsverstärkung - Spannung in und Spannung aus

Stromverstärkung - Strom in und Strom aus

Transkonduktanz - Spannungseingang und Stromausgang

Trans Widerstand - Strom in und Spannung aus

Arbeiten eines Operationsverstärkers:

Hier haben wir einen Operationsverstärker des LM358 verwendet. Normalerweise muss ein nicht invertierender Eingang einer Vorspannung zugeführt werden, und der invertierende Eingang ist der reale Verstärker. verbunden mit einer Rückmeldung von 60k Widerstand vom Ausgang zum Eingang. Ein Widerstand 10k ist mit einem Kondensator in Reihe geschaltet, und die Schaltung wird mit einer 1-V-Sinuswelle versorgt. Nun werden wir sehen, wie die Verstärkung durch R2 / R1 = 60k / 10k = 6 reguliert wird, dann ist die Ausgabe 6V . Wenn wir die Verstärkung um 40 ändern, ist die Ausgabe 4V der Sinuswelle.

Video zum Arbeiten des Operationsverstärkers

Normalerweise handelt es sich dabei um einen Verstärker mit zwei Netzteileneinfach zu einem einzigen Netzteil über ein Resister-Netzwerk zu konfigurieren. Dabei legen die Widerstände R3 und R4 eine Spannung der Hälfte der Versorgungsspannung über den nicht invertierenden Eingang, wodurch die Ausgangsspannung auch die Hälfte der Versorgungsspannung ist, die eine Art Vorspannungswiderstände R3 und R4 bildet, die einen beliebigen Wert annehmen können 1k bis 100k, aber in allen Fällen sollten sie gleich sein. Dem nicht invertierenden 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 Eingang und Ausgang erforderlich.

3 OPAMP-Anwendungen:

1. Verstärkung

Das verstärkte Ausgangssignal des Operationsverstärkers ist die Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen.

VERSTÄRKUNG

Das oben abgebildete Diagramm ist der Operationsverstärker einfachVerbindung. Wenn beide Eingänge mit der gleichen Spannung versorgt werden, nimmt der Operationsverstärker die Differenz zwischen den beiden Spannungen und es wird 0. Der Operationsverstärker multipliziert dies mit einer Verstärkung von 1.000.000, so dass die Ausgangsspannung 0 ist Wenn Sie einen Eingang und 1 Volt an den anderen anschließen, nimmt der Operationsverstärker seine Differenz und multipliziert sich mit der Verstärkung. Das ist 1 Volt x 1.000.000. Diese Verstärkung ist jedoch sehr hoch. Um die Verstärkung zu reduzieren, erfolgt die Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang normalerweise über einen Widerstand.

Invertierender Verstärker:

UMKEHRVERSTÄRKER

Die oben gezeigte Schaltung ist ein invertierender VerstärkerDer nicht invertierende Eingang ist mit Masse verbunden. Zwei Widerstände R1 und R2 sind so in der Schaltung verbunden, dass R1 das Eingangssignal zuführt, während R2 den Ausgang an den Invertiereingang zurückgibt. Wenn hier 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, fließt durch R1 ein Strom von 1 mA 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 ist die Spannungsverstärkung R2 / R1. Das ist 10K / 1K = 10

Nicht invertierender Verstärker:

NICHT UMKEHR-VERSTÄRKER

Die oben gezeigte Schaltung ist nicht invertierendVerstärker. 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 genauso wie die des nicht invertierenden Eingangs. Die Spannungsverstärkung ist in diesem Fall immer größer als 1 (1 + R2 / R1).

2. Spannungsfolger

SPANNUNGSFOLGE

Die Schaltung oben 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. Vergleicher

Operationsverstärker vergleicht die Spannungan einem Eingang an die am anderen Eingang anliegende Spannung angelegt. Jeder Unterschied zwischen den Spannungen, wenn er klein ist, führt zur Sättigung des Operationsverstärkers. Wenn die an beiden Eingängen anliegenden Spannungen den gleichen Betrag und die gleiche Polarität haben, beträgt der Operationsverstärkerausgang 0 Volt.

Ein Komparator erzeugt begrenzte Ausgangsspannungen, die sich problemlos mit der digitalen Logik verbinden lassen, obwohl die Kompatibilität überprüft werden muss.

Video zum Operationsverstärker als Komparatorschaltbild

Hier haben wir einen Operationsverstärker als Komparator mitdie invertierenden und nicht invertierenden Anschlüsse sowie einige Potentialteiler und -meßgeräte und ein Voltmeter am Ausgang und eine LED am Ausgang. Die Grundformel für den Vergleicher lautet: Wenn "+" mehr ist als "-", wenn die Ausgabe hoch ist (Eins), andernfalls Null. Wenn die Spannung am negativen Eingang unter der Referenzspannung liegt, ist der Ausgang hoch und wenn der negative Eingang die Spannung am positiven übersteigt, geht der Ausgang auf niedrig.

3 Anforderungen an OPAMPs:

1. Offset-Nulling

Der größte Teil des OPAMP hat am Offset eine Offsetspannungauch wenn die Eingangsspannungen gleich sind. Um den Ausgang auf Nullspannung zu bringen, wird das Offset-Nulling-Verfahren verwendet. Bei den meisten Op-Amps gibt es einen kleinen Versatz wegen ihrer inhärenten Eigenschaft und resultiert aus den Nichtübereinstimmungen in der Eingangsvorspannung. Am Ausgang einiger Operationsverstärker steht also eine kleine Ausgangsspannung zur Verfügung, auch wenn das Eingangssignal Null ist. Dieser Nachteil kann durch die Bereitstellung einer kleinen Offsetspannung an den Eingängen ausgeglichen werden. Dies wird als Eingangsoffsetspannung bezeichnet. Um den Offset zu entfernen oder auf Null zu setzen, verfügen die meisten Op-Amps über zwei Pins, um die Nullpunktverschiebung 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 Wiper auf den Boden gelegt werden. Durch Anpassen der Voreinstellung kann der Ausgang auf Nullspannung eingestellt werden.

OFFSET-NULLING
2. Stroboskop- oder Phasenkompensation

Op-Amps können manchmal instabil werden und zu machenSie sind für die gesamten Frequenzbänder stabil. In der Regel ist eine Cap zwischen Strobe-Pin 8 und Pin1 geschaltet. Normalerweise wird ein 47pF-Plattenkondensator zur Phasenkompensation hinzugefügt, damit der OpAmp stabil bleibt. Dies ist besonders wichtig, wenn der OpAmp als empfindlicher Verstärker verwendet wird.

STROBBING
3. Feedback

Wie Sie wissen, hat der Op-Amp einen sehr hohen PegelVerstärkung typischerweise um das 1.000.000fache. 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 Vout ist also
10.000 x (V + - V-)

1

Im Diagramm wird das Signal an das Non angelegtEingang invertieren und Eingang Invertieren ist mit dem Ausgang verbunden. Also ist 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. Durch die Übernahme eines Bruchteils der Ausgangsspannung an den invertierenden Eingang kann die Verstärkung erheblich reduziert werden.

2

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 ist Vout = R1 + R2.R1x Vin

Negative Rückmeldung:

Hier ist der Ausgang des Op-Amp mit seinem verbundenInvertieren des (-) Eingangs, somit wird der Ausgang zum Eingang zurückgeführt, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Somit wird das Eingangssignal am nicht invertierenden (+) Eingang am Ausgang reflektiert. Der Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung wird seinen Ausgang auf den erforderlichen Pegel bringen, und daher ist die Spannungsdifferenz zwischen seinen invertierenden und nicht invertierenden Eingängen nahezu Null.

Positives Feedback:

Hier wird die Ausgangsspannung an das Non zurückgespeistinvertierender (+) Eingang. Das Eingangssignal wird dem Inverting-Eingang zugeführt. Wenn der invertierende Eingang mit Masse verbunden ist, hängt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers von der Größe und der 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 vollen positiven Ausgang führt. Wenn die Eingangsspannung negativ ist, wird der Zustand umgekehrt.

Eine Anwendung von Operationsverstärkern - Audiovorverstärker

Filter und Vorverstärker:

Endstufen kommen nach demVorverstärker und vor den Lautsprechern. Moderne CD- und DVD-Player benötigen keine Vorverstärker. Sie benötigen Lautstärkeregler und Quellenauswahl. Durch die Verwendung von Schaltelementen und passiver Lautstärke können Vorverstärker vermieden werden.

Audiovorverstärkerschaltung mit Operationsverstärker

Lassen Sie uns einen kurzen Überblick über Audio-Leistungsverstärker geben

Der Leistungsverstärker ist eine Komponente, die fahren kanndie Lautsprecher durch Umwandlung des Signals mit niedrigem Pegel in ein Großsignal. Die Aufgabe der Leistungsverstärker besteht darin, eine relativ hohe Spannung und einen hohen Strom zu erzeugen. Üblicherweise liegt der Bereich der Spannungsverstärkung zwischen 20 und 30. Die Leistungsverstärker haben einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand.

Spezifikationen des Audio-Leistungsverstärkers

  • Maximale Ausgangsleistung:

Die Ausgangsspannung ist lastunabhängig, zsowohl kleine als auch große Signale. Die gegebene Spannung, die an die Last angelegt wird, bewirkt die doppelte Stromstärke. Somit wird die doppelte Menge an Strom geliefert. Die Nennleistung ist die kontinuierliche durchschnittliche Sinuswellenleistung, so dass die Leistung unter Verwendung einer Sinuswelle gemessen werden kann, deren RMS-Spannung langfristig gemessen wird.

  • Frequenzgang:

Die Frequenzantwort muss das volle Audio ausdehnenBand 20 Hz bis 20 KHz. Die Toleranz zum Frequenzgang beträgt ± 3 dB. Die herkömmliche Art, die Bandbreite zu spezifizieren, ist, dass ein Verstärker um 3 dB von der nominellen 0 dB abgesunken ist.

  • Lärm:

Die Leistungsverstärker sollten rauscharm seinwenn die Leistungsverstärker mit hohen Frequenzen arbeiten. Der Geräuschparameter kann gewichtet oder nicht gewichtet sein. Nicht gewichtetes Rauschen wird bei einer Bandbreite von 20 kHz angegeben. Basierend auf der Empfindlichkeit des Ohrs werden die gewichteten Geräuschspezifikationen berücksichtigt. Die gewichtete Geräuschmessung neigt dazu, das Geräusch bei höheren Frequenzen zu dämpfen, daher ist die gewichtete Geräuschmessung durchaus besser als die Messung ohne Gewicht.

  • Verzerrung:

Die harmonische Gesamtverzerrung 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.


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