Operationalforstærker eller Op amp

Electrical4u

Felt: Grundlæggende elektricitet

China

En forstærker eller op-amp er en DC-koblet spændingsforstærker med en meget høj spændingsforstærkning.

Op-amp er i grundlæggende en flertrins-forstærker, hvor flere forstærkertrin er forbundet på en meget kompliceret måde. Dens interne kredsløb består af mange transistorer, FET'er og modstandere. Alt dette optager meget lidt plads.
Så det er pakket i en lille beholder og findes i form af Integreret Kredsløb (IC). Begriffet Op-Amp bruges til at betegne en forstærker, der kan konfigureres til at udføre forskellige operationer som forstærkning, subtraktion, differentiation, addition, integration osv. Et eksempel er den meget populære IC 741.

Symbolet og dets faktiske udseende i IC-form vises nedenfor. Symbolet ser ud som en pilehoved, hvilket betyder, at signalet strømmer fra output til input. op-amp symbol of op-amp

Input og Output Terminaler for en Forstærker

En op-amp har to inputterminaler og et outputterminal. Op-amp har også to spændingssupply-terminaler, som ses ovenfor. De to inputterminaler danner den differentielle input. Vi kalder terminalen, der er markeret med negativ (-) tegn, for inverterende terminal, og terminalen, der er markeret med positiv (+) tegn, for ikke-inverterende terminalen for den operational amplifier. Hvis vi anvender et inputsignal på inverterende terminal (-), vil det forstærkede outputsignal være 180o ud af fase i forhold til det anvendte inputsignal. Hvis vi anvender et inputsignal på ikke-inverterende terminal (+), vil det opnåede outputsignal være i fase, dvs. det vil have ingen faseskift i forhold til inputsignalet.

Strømforsyning for en Operational Amplifier

Som ses fra kredsløbs-symbolet ovenfor, har det to inputstrømforsyningsterminaler +VCC og –VCC. For drift af en op-amp er en dobbelt polaritet DC-strømforsyning nødvendig. I den dobbeltpolære strømforsyning forbinder vi +VCC til den positive DC-strømforsyning og –VCC terminalen til den negative DC-strømforsyning. Dog kan nogle få op-amps også fungere med en enkelt polaritet strømforsyning. Bemærk, at der ikke er nogen fælles jordterminal i op-amps, så jorden skal etableres eksternt.

Arbejdsprincip for Op-Amp

Åben sløjfe drift for en operational amplifier

Som nævnt ovenfor, har en op-amp en differential input og en endelig output. Så hvis vi anvender to signaler, ét på inverterende og et andet på ikke-inverterende terminal, vil en ideal op-amp forstærke forskellen mellem de to anvendte inputsignaler. Vi kalder denne forskel mellem de to inputsignaler for den differentielle inputspænding. Ligningen nedenfor giver outputtet for en operational amplifier.Hvor, VOUT er spændingen ved outputterminalen for op-amp. AOL er åben sløjfe forstærkningen for den givne op-amp og er konstant (ideelt). For IC 741 er AOL 2 x 105.
V1 er spændingen ved ikke-inverterende terminal.
V2 er spændingen ved inverterende terminal.
(V1 – V2) er den differentielle inputspænding.
Det er klart fra den ovenstående ligning, at outputtet kun vil være ikke-nul, hvis og kun hvis den differentielle inputspænding er ikke-nul (V1 og V2 er ikke lige), og vil være nul, hvis både V1 og V2 er lige. Bemærk, at dette er en ideal betingelse, i praksis er der små ubalancer i op-amp. Åben sløjfe forstærkningen for en op-amp er meget høj. Derfor forstærker en åben sløjfe operational forstærker en lille anvendt differentiel inputspænding til en enorm værdi.
Også, det er sandt, at hvis vi anvender en lille differentiel inputspænding, forstærker operational forstærker det til en betydelig værdi, men denne betydelige værdi ved outputtet kan ikke gå ud over strømforsyningsspændingen for op-amp. Derfor overtræder det ikke energibevarelsesloven.

Lukket sløjfe drift

Den ovenfor forklarede drift for op-amp var for åben sløjfe, dvs. uden feedback. Vi introducerer feedback i lukket sløjfe konfiguration. Denne feedback sti føder outputsignalet til input. Derfor er der samtidig to signaler til stede ved inputterne. Et af dem er det oprindelige anvendte signal, og det andet er feedback-signalet. Ligningen nedenfor viser outputtet for en lukket sløjfe op-amp.Hvor VOUT er spændingen ved outputterminalen for op-amp. ACL er lukket sløjfe forstærkningen. Feedback-kredsløbet forbundet til op-amp bestemmer lukket sløjfe forstærkningen ACL. VD = (V1 – V2) er den differentielle inputspænding. Vi siger, at feedback er positiv, hvis feedback-stien føder signal fra outputterminalen tilbage til ikke-inverterende (+) terminal. Positiv feedback bruges i oscillators. Feedback er negativ, hvis feedback-stien føder en del af signal fra outputterminalen tilbage til inverterende (-) terminal. Vi bruger negativ feedback til op-amps, der bruges som forstærkere. Hver type feedback, negativ eller positiv, har sine fordele og ulemper.