Miten operaatioversteri (O-Pamp) toimii

Miten operaatioverstärkki toimii?

Operaatioverstärkki (Op-Amp) on erittäin integroitu sähköinen komponentti, jota käytetään laajasti piireissä signaalin vahvistamiseen, suodattamiseen, integrointiin, derivointiin ja moniin muihin sovelluksiin. Sen päärakenteellinen tehtävä on vahvistaa sen kahden syötepin välisen jännitteen erotusta. Tässä on selitys siitä, miten operaatioverstärkki toimii ja avainkäsitteistä:

1. Perusrakenne

• Operaatioverstärkillä on yleensä viisi pinta:

• Ei-käänteinen syöte (V+): Positiivinen syötepin.

• Käänteinen syöte (V−): Negatiivinen syötepin.

• Ulostulo (Vout): Vahvistettu ulostulosisältö.

• Positiivinen virtalähde (Vcc): Positiivinen virtalähdevoltage.

• Negatiivinen virtalähde (Vee): Negatiivinen virtalähdevoltage.

2. Toimintaperiaate

Oletukset ideaalille operaatioverstärkille

• Ääretön vahvistus: Idealisesti ottaen op-ampin vahvistus A on ääretön.

• Ääretön syöttöt impedanssi: Syöttöt impedanssi Rin on ääretön, mikä tarkoittaa, että syöttövirta on lähes nolla.

• Nollan ulostulot impedanssi: Ulostulot impedanssi Rout on nolla, mikä tarkoittaa, että ulostulovirta voi olla mielivaltaisesti suuri ilman, että se vaikuttaa ulostulovoltageen.

• Ääretön taajuusalue: Idealisesti ottaen op-amp toimii kaikilla taajuksilla rajoituksitta.

Todellisen operaatioverstärkin ominaisuudet

• Äärellinen vahvistus: Käytännössä op-ampin vahvistus A on äärellinen, yleensä välillä 10^5 - 10^6.

• Äärellinen syöttöt impedanssi: Todellinen syöttöt impedanssi ei ole ääretön, mutta se on hyvin korkea (megohmien taso).

• Epänegatiivinen ulostulot impedanssi: Todellinen ulostulot impedanssi ei ole nolla, mutta se on hyvin alhainen.

• Äärellinen taajuusalue: Todellinen op-ampin taajuusalue on rajoitettu, yleensä välillä satoja kilohertsejä megahertseihin.

3. Perustoimintatavat

Avaimepiirikonfiguraatio

Avoin silmukka vahvistus: Avaimepiirikonfiguraatiossa op-ampin vahvistus A vahvistaa suoraan differentiaalista syöttöjännitettä

Saturaatio: Korkean vahvistuksen A vuoksi jopa pieni syöttöjänniteero voi aiheuttaa ulostulovoltageen saavuttavan virtalähdevoltageiden rajat (eli Vcc tai Vee).

Suljetun silmukan konfiguraatio

Negatiivinen palautus: Negatiivisen palautuksen avulla op-ampin vahvistusta voidaan ohjata toimimaan kohtuullisen vahvistuksen sisällä.

Negatiivinen palautuspiiri: Yleisiä negatiivisia palautuspiirejä ovat käänteiset vahvistimet, ei-käänteiset vahvistimet ja differentiaalivahvistimet.

Virtuaalinen lyhyys ja virtuaalinen avoimuus: Negatiivisissa palautuspiireissä op-ampin kahden syötepin välinen jännite on melkein sama (virtuaalinen lyhyys), ja syöttövirta on melkein nolla (virtuaalinen avoimuus).

4. Yleisiä sovelluspiirejä

Käänteinen vahvistin

Piirirakenne: Syöttösignaali annetaan vastuksen R1 kautta käänteiseen syötteeseen V −, ja palautusvastus Rf yhdistää ulostulon Vout käänteiseen syötteeseen V-.

Vout  käänteiseen syötteeseen V-.

Ei-käänteinen vahvistin

Piirirakenne: Syöttösignaali annetaan vastuksen R1 kautta ei-käänteiseen syötteeseen V +, ja palautusvastus Rf yhdistää ulostulon Vout käänteiseen syötteeseen V−.

Differentiaalivahvistin

Piirirakenne: Kaksi syöttösignaalia annetaan ei-käänteiseen syötteeseen V+ ja käänteiseen syötteeseen V−, ja palautusvastus Rf yhdistää ulostulon V out käänteiseen syötteeseen V −.

5. Yhteenveto

Operaatioverstärkki toimii vahvistamalla sen kahden syötepin välisen jännitteen erotusta, keskeinen toiminto perustuu korkeaan vahvistukseen ja negatiiviseen palautukseen. Erilaisten piirikonfiguraatioiden avulla op-ampit voivat suorittaa erilaisia funktioita, kuten vahvistamisen, suodattamisen, integroinnin ja derivoinnin. Operaatioverstärkkien toimintaperiaatteiden ja yleisten sovelluspiirien ymmärtäminen on olennaista erilaisten sähköisten järjestelmien suunnittelussa ja vianetsinnässä.