Hvordan fungerer en forstærker (O- Pamp)?

Hvordan fungerer en operationsforstærker?

En operationsforstærker (Op-Amp) er et højt integreret elektronisk komponent, der findes bredt anvendt i kredsløb til signalforstærkning, filtrering, integration, differentiation og mange andre anvendelser. Dens primære funktion er at forstærke forskellen i spænding mellem dens to indgangsterminaler. Her følger en forklaring på, hvordan en operationsforstærker fungerer, samt nøglebegreber:

1. Grundlæggende struktur

• En operationsforstærker har typisk fem pinner:

• Ikke-inverterende indgang (V+): Positiv indgangsterminal.

• Inverterende indgang (V−): Negativ indgangsterminal.

• Udgang (Vout): Forstærket udgangssignal.

• Positiv strømforsyning (Vcc): Positiv strømforsyningsspænding.

• Negativ strømforsyning (Vee): Negativ strømforsyningsspænding.

2. Funktionsprincip

Antagelser for en ideal operationsforstærker

• Ubegrænset forstærkning: I teorien er forstærkeren A's forstærkning ubegrænset.

• Ubegrænset indgangsimpedans: Indgangsimpedansen Rin er ubegrænset, hvilket betyder, at indgangsstrømmen er næsten nul.

• Nul udgangsimpedans: Udgangsimpedansen Rout er nul, hvilket betyder, at udgangsstrømmen kan være vilkårligt stor uden at påvirke udgangsspændingen.

• Ubegrænset båndbredde: I teorien kan op-ampen operere ved alle frekvenser uden begrænsninger.

Egenskaber for en reel operationsforstærker

• Begrænset forstærkning: I praksis er forstærkeren A's forstærkning begrænset, typisk mellem ti til femte potens og ti til sjette potens.

• Begrænset indgangsimpedans: Den faktiske indgangsimpedans er ikke ubegrænset, men meget høj (megohms niveau).

• Ikke-nul udgangsimpedans: Den faktiske udgangsimpedans er ikke nul, men meget lav.

• Begrænset båndbredde: Den faktiske båndbredde af op-ampen er begrænset, typisk mellem flere hundrede kilohertz og megahertz.

3. Grundlæggende driftstilstande

Åben sløjfe konfiguration

Åben sløjfe forstærkning: I åben sløjfe konfiguration forstærker op-ampen direkte den differentielle indgangsspænding.

Sættelse: På grund af den høje forstærkning A kan selv en lille forskel i indgangsspænding føre til, at udgangsspændingen når grænserne for strømforsyningsspændingerne (dvs. Vcc eller Vee).

Lukket sløjfe konfiguration

Negativ feedback: Ved at introducere negativ feedback kan forstærkningen af op-ampen kontrolleres til at fungere inden for en rimelig rækkevidde.

Negativ feedback kredsløb: Almindelige negative feedback kredsløb inkluderer inverterende forstærkere, ikke-inverterende forstærkere og differentialforstærkere.

Virtuel kortslutning og virtuel åbning: I negative feedback kredsløb er spændingerne ved de to indgangsterminaler af op-ampen næsten ens (virtuel kortslutning), og indgangsstrømmen er næsten nul (virtuel åbning).

4. Almindelige anvendelseskredsløb

Inverterende forstærker

Kredsløbsstruktur: Indgangssignalet føres gennem en resistor R1 til den inverterende indgang V−, og en feedback resistor Rf forbinder udgangen Vout med den inverterende indgang V−.

Vout til den inverterende indgang V-.

Ikke-inverterende forstærker

Kredsløbsstruktur: Indgangssignalet føres gennem en resistor R1 til den ikke-inverterende indgang V+, og en feedback resistor Rf forbinder udgangen Vout med den inverterende indgang V−.

Differentialforstærker

Kredsløbsstruktur: To indgangssignaler anvendes på den ikke-inverterende indgang V+ og den inverterende indgang V−, og en feedback resistor Rf forbinder udgangen Vout med den inverterende indgang V−.

5. Sammenfatning

En operationsforstærker fungerer ved at forstærke forskellen i spænding mellem dets to indgangsterminaler, med kernefunktionalitet baseret på høj forstærkning og negativ feedback-mekanismer. Ved at bruge forskellige kredsløbskonfigurationer kan op-ampene udføre forskellige funktioner som forstærkning, filtrering, integration og differentiation. At forstå arbejdsmåder og almindelige anvendelseskredsløb for op-amp er afgørende for at designe og fejlsøge forskellige elektroniske systemer.