Εισαγωγή στους λειτουργικούς ενισχυτές: 7 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Σε αυτό το Instructable, θα κάνω μια εισαγωγή στον λειτουργικό ενισχυτή, μία από τις πιο χρήσιμες αναλογικές συσκευές. Αυτή η συσκευή μπορεί να διαμορφωθεί ως ενισχυτής μη αναστροφής ή αντιστροφής, συγκριτής, ενισχυτής τάσης, ενισχυτής αθροίσεων, ενισχυτής οργάνων, ρυθμιστικό, ενεργό φίλτρο, ταλαντωτής γέφυρας Wien συν πολλές άλλες εφαρμογές. Το opamp διατίθεται σε διαφορετικές διαμορφώσεις, όπως το μονό LM741 8 ακίδων DIP ή ο τετραπλός ενισχυτής 14 ακίδων LM324 που εμφανίζεται παραπάνω. Υπάρχουν επίσης τύποι που έρχονται σε παραλλαγές επιφανειακής τοποθέτησης.

Βήμα 1: Τι είναι ένας λειτουργικός ενισχυτής;

Ο λειτουργικός ενισχυτής, ο οποίος είναι επίσης γνωστός για συντομία ως op-amp, είναι ενισχυτής τάσης υψηλής απόδοσης συζευγμένος με DC, ενσωματωμένος σε ένα τσιπ IC. Έχουν δύο εισόδους (διαφορική είσοδο) και μία έξοδο. Έχουν χρησιμοποιηθεί ως δομικά στοιχεία στα αναλογικά ηλεκτρονικά από τότε που κυκλοφόρησαν οι πρώτες συσκευές στα τέλη της δεκαετίας του 1960. Μια από τις ομορφιές αυτών των συσκευών είναι ότι απλοποίησαν πολύ τον ηλεκτρονικό σχεδιασμό από τη φύση της τυποποίησης τους. Ο σχεδιασμός ενισχυτών με διακριτά εξαρτήματα περιλάμβανε πολλές αλλαγές λόγω των διαφορών μεταξύ των ενεργών συσκευών. Εάν όλοι οι ενισχυτές είναι κατασκευασμένοι από την ίδια μήτρα πυριτίου, μπορούν όλοι να κατασκευαστούν το ίδιο και να έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά. Κατά το σχεδιασμό με λειτουργικούς ενισχυτές, ένα συγκεκριμένο κέρδος για τη συσκευή μπορεί να επιτευχθεί με την εγκατάσταση δύο εξωτερικών αντιστάσεων με συγκεκριμένο λόγο αντίστασης. Για παράδειγμα, εάν είναι επιθυμητό ένα κέρδος τάσης 100, μια αντίσταση 100k και μια αντίσταση 1k θα μπορούσαν να τοποθετηθούν στο κύκλωμα για να ληφθεί λόγος 100. Χρησιμοποιώντας αυτήν τη στρατηγική, το κέρδος είναι το ίδιο κάθε φορά. Ο πιο δημοφιλής op-ενισχυτής όλων των εποχών είναι ο 741 που υπήρχε από τις αρχές της δεκαετίας του '70 και χρησιμοποιήθηκε από γενιές χομπίστες σε όλα, από ενισχυτές ήχου έως τροφοδοτικά. Το 741 δεν έχει χρησιμοποιηθεί από τη βιομηχανία εδώ και πολλά χρόνια επειδή έχουν αναπτυχθεί καλύτεροι ενισχυτές, αλλά εξακολουθούν να έχουν τους ακόλουθους μεταξύ των χόμπι και είναι εύκολο να αποκτηθούν. Οι πρώτες συσκευές βγήκαν είτε σε στυλ διπλής ενσωματωμένης συσκευασίας 8 ακίδων είτε σε κυκλικό μεταλλικό κουτί. Αργότερα, οι συσκευές επιφανειακής τοποθέτησης έγιναν διαθέσιμες. Το 741 και άλλα op-amp του vintage χρησιμοποιούσαν διπολικά τρανζίστορ με συσκευές που χρησιμοποιούσαν εισόδους τρανζίστορ εφέ πεδίου που βγαίνουν αργότερα. Οι είσοδοι τρανζίστορ εφέ πεδίου άρχισαν να χρησιμοποιούνται λόγω της ανάγκης να έχουν μεγαλύτερη σύνθετη αντίσταση εισόδου και χαμηλότερη παροχή ρεύματος.

Βήμα 2: Ο ενισχυτής που δεν αντιστρέφεται

Ο μη ανεστραμμένος ενισχυτής είναι το πρώτο κύκλωμα που θα καλύψουμε. Στο παραπάνω διάγραμμα, ο ενισχυτής op συνδέεται με την είσοδο να πηγαίνει στη θετική είσοδο και την αντίσταση ανάδρασης να πηγαίνει στην αρνητική είσοδο. Ο λόγος Rf προς Rg καθορίζει το κέρδος. Στην περίπτωση του παραπάνω κυκλώματος, το κέρδος τάσης είναι 10. Το διάγραμμα στη μέση των περιορισμών του "πραγματικού κόσμου" του 741 op amp όταν ένα τετράγωνο κύμα 10 kHz τροφοδοτείται στην είσοδο αλλά βγαίνει ως τριγωνική κυματομορφή λόγω η περιορισμένη ταχύτητα μεταγωγής της συσκευής. Όταν η είσοδος μειωθεί σε τετραγωνικό κύμα 1 kHz, η έξοδος βελτιώνεται και μοιάζει περισσότερο με πραγματικό τετραγωνικό κύμα. Η μέτρηση της ικανότητας του ενισχυτή να παρακολουθεί τις αλλαγές στο πλάτος του σήματος εισόδου ονομάζεται "Ρυθμός πτώσης" και μετριέται σε βολτ ανά μικροδευτερόλεπτο. Το 741 έχει πολύ ήσυχη βαθμολογία στα.5 βολτ ανά μικροδευτερόλεπτο. Οι ενισχυτές υψηλής ταχύτητας έχουν βαθμολογία έως 5000 βολτ ανά μικροδευτερόλεπτο, αν και ένας τυπικός τύπος όπως ο TL081 θα έχει μέση βαθμολογία 13 βολτ ανά μικροδευτερόλεπτο.

Βήμα 3: Ο αναστρέψιμος ενισχυτής

Το opamp μπορεί να διαμορφωθεί με τέτοιο τρόπο ώστε μια αρνητική κυματομορφή 1 βολτ να αναστραφεί και να ενισχυθεί για να δώσει μια θετική κυματομορφή συνεχούς ροής 10 βολτ. Οι χρήσεις για αυτήν τη διαμόρφωση θα μπορούσαν να είναι οπουδήποτε απαιτείται αλλαγή φάσης, όπως στα στάδια οδήγησης διακριτών ενισχυτών τρανζίστορ.

Βήμα 4: Χρήση ενισχυτή Op ως μετατροπέα τετραγωνικού κύματος σε ημιτονοειδές κύμα

Το παραπάνω κύκλωμα θα αλλάξει ένα τετραγωνικό κύμα 1000 Hz σε ημιτονοειδές κύμα 1000 Hz. Το κάνει αυτό φιλτράροντας όλα τα στοιχεία συχνότητας (αρμονικές) πάνω και κάτω από το θεμελιώδες, το οποίο είναι ημιτονοειδές κύμα. Αντί να χρησιμοποιούμε αντιστάσεις στο κύκλωμα ανάδρασης, χρησιμοποιούμε επιλεκτικά εξαρτήματα συχνότητας (πυκνωτές) που παρέχουν αρνητική ανάδραση για να ακυρώσουμε τις ανεπιθύμητες συχνότητες. Το μεσαίο διάγραμμα δείχνει το πραγματικό κύκλωμα που προσομοιώνεται και την κυματομορφή που παράγεται. Το τρίτο διάγραμμα δείχνει την απόκριση συχνότητας του κυκλώματος. Το τεχνικό όνομα αυτού του τύπου κυκλώματος είναι ένα φίλτρο ενεργού εύρους ζώνης. Επιτρέπει μόνο μια πολύ στενή ζώνη συχνοτήτων να περάσει χωρίς να εξασθενήσει.

Βήμα 5: Χρήση Op Amp ως συγκριτή

Υπάρχουν ειδικά τσιπ που είναι καλύτερα συγκριτικά, αλλά μερικές φορές ενδέχεται να μην τα έχετε στο χέρι, οπότε είναι πάντα χρήσιμο να γνωρίζετε πώς να φτιάχνετε έναν συγκριτή από ένα opamp. Μια γρήγορη ανασκόπηση του τι είναι ένας συγκριτής, είναι βασικά ένα opamp που έχει συσταθεί ως ενισχυτής χωρίς ανάδραση, επιτρέποντας στον ενισχυτή να λειτουργεί με το μέγιστο κέρδος του. Όταν μια είσοδος είναι συνδεδεμένη με μια συγκεκριμένη τάση όπως τα 3 βολτ που φαίνονται στο διάγραμμα, το κύκλωμα θα δώσει μια έξοδο που είναι σχεδόν η μέγιστη τάση ράγας όταν οι δύο είσοδοι είναι στην ίδια τάση. Στην περίπτωση του παραπάνω κυκλώματος, ένα ημιτονοειδές κύμα 1 kHz δίνει έξοδο όταν ανεβαίνει πάνω από τα 3 βολτ και αλλάζει ξανά όταν το ημιτονοειδές κύμα πέσει κάτω από τα 3 βολτ. Οι συγκριτές χρησιμοποιούνται συνήθως σε (ADC) και ταλαντωτές χαλάρωσης.

Βήμα 6: Δημιουργία ενισχυτή αθροίσεων με ένα Opamp

Ο παραπάνω αθροιστικός ενισχυτής λαμβάνει δύο σήματα 1 kHz, ένα από 10 mV κορυφή σε κορυφή και ένα άλλο 20 mV κορυφή σε κορυφή. Η προκύπτουσα έξοδος είναι 60 mV κορυφή σε κορυφή. Δεδομένου ότι είναι ένας αναστροφικός ενισχυτής, βγάζει ένα σήμα αντίθετης φάσης.

Οι ενισχυτές αθροίσματος χρησιμοποιούνται σε μίξερ ήχου όπου πρέπει να προστεθούν διαφορετικές εισόδους. Τροφοδοτώντας σήματα σε ποτενσιόμετρα, τα σήματα μπορούν να μεταβληθούν για να δώσουν την επιθυμητή έξοδο.

Βήμα 7: Μείκτης ήχου τριών εισόδων

Αυτό το κύκλωμα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να συνδυάσει μαζί δύο όργανα και ένα φωνητικό κομμάτι, ενώ θα μπορούσαν να προστεθούν περισσότερες εισόδους ανάλογα με τις ανάγκες. Κάθε επίπεδο εισόδου μπορεί να ρυθμιστεί ανεξάρτητα με τα ποτενσιόμετρα.