Jak funguje operační zesilovač (O- Pamp)?

Jak funguje operační zesilovač?

Operační zesilovač (Op-Amp) je vysokostupeňsky integrovaná elektronická součástka široce používaná v obvodech pro zesílení signálů, filtraci, integraci, diferenci, a mnoho dalších aplikací. Jeho hlavní funkce spočívá v zesílení rozdílu napětí mezi jeho dvěma vstupními články. Zde je vysvětlení, jak operační zesilovač funguje a klíčové koncepty:

1. Základní struktura

• Operační zesilovač obvykle má pět pinů:

• Nevýkonový vstup (V+): Pozitivní vstupní článek.

• Výkonový vstup (V−): Negativní vstupní článek.

• Výstup (Vout): Zesílený výstupní signál.

• Pozitivní zásobování (Vcc): Pozitivní napájecí napětí.

• Negativní zásobování (Vee): Negativní napájecí napětí.

2. Princip fungování

Předpoklady pro ideální operační zesilovač

• Nekonečné zesílení: Ideálně je zesílení A op-ampu nekonečné.

• Nekonečný vstupní odpor: Vstupní odpor Rin je nekonečný, což znamená, že vstupní proud je téměř nulový.

• Nulový výstupní odpor: Výstupní odpor Rout je nulový, což znamená, že výstupní proud může být libovolně velký bez ovlivnění výstupního napětí.

• Nekonečná propustnost: Ideálně může op-amp pracovat na všech frekvencích bez jakýchkoli omezení.

Charakteristiky skutečného operačního zesilovače

• Konečné zesílení: Ve skutečnosti je zesílení A op-ampu konečné, obvykle se pohybuje od deseti na pátou mocninu do deseti na šestou mocninu.

• Konečný vstupní odpor: Skutečný vstupní odpor není nekonečný, ale je velmi vysoký (na úrovni megohmů).

• Nenulový výstupní odpor: Skutečný výstupní odpor není nulový, ale je velmi nízký.

• Konečná propustnost: Skutečná propustnost op-ampu je omezená, obvykle se pohybuje od stovek kilohertzů až po megahertze.

3. Základní režimy fungování

Otevřená smyčka

Zesílení otevřené smyčky: V konfiguraci otevřené smyčky přímo zesiluje op-amp rozdílové vstupní napětí.

Saturace: Díky vysokému zesílení A může i malý rozdíl vstupního napětí způsobit, že výstupní napětí dosáhne hranic napájecích napětí (tj. Vcc nebo Vee).

Uzavřená smyčka

Negativní zpětná vazba: Zavedením negativní zpětné vazby lze kontrolou zesílení op-ampu pracovat v rozumném rozmezí.

Obvod s negativní zpětnou vazbou: Běžné obvody s negativní zpětnou vazbou zahrnují inverzní zesilovače, neinverzní zesilovače a diferenciální zesilovače.

Virtuální krátké spojení a virtuální otevření: V obvodech s negativní zpětnou vazbou jsou napětí na obou vstupních členech op-ampu téměř stejná (virtuální krátké spojení), a vstupní proud je téměř nulový (virtuální otevření).

4. Běžné aplikace obvodů

Inverzní zesilovač

Struktura obvodu: Vstupní signál je vedén přes odporník R1 k výkonovému vstupu V−, a zpětnovazební odporník Rf spojuje výstup Vout s výkonovým vstupem V−.

Vout se spojuje s výkonovým vstupem V−.

Neinverzní zesilovač

Struktura obvodu: Vstupní signál je vedén přes odporník R1 k nevýkonovému vstupu V+, a zpětnovazební odporník Rf spojuje výstup Vout s výkonovým vstupem V−.

Diferenciální zesilovač

Struktura obvodu: Dva vstupní signály jsou podávány k nevýkonovému vstupu V+ a výkonovému vstupu V−, a zpětnovazební odporník Rf spojuje výstup Vout s výkonovým vstupem V−.

5. Shrnutí

Operační zesilovač funguje tím, že zesiluje rozdíl napětí mezi svými dvěma vstupními články, s jádrem funkcionalitou založenou na vysokém zesílení a mechanismech negativní zpětné vazby. Použitím různých konfigurací obvodů mohou op-ampy plnit různé funkce, jako jsou zesílení, filtrace, integrace a diferenci. Rozumění principům fungování a běžným aplikacím obvodů op-ampů je zásadní pro návrh a odstraňování potíží v různých elektronických systémech.