Jak działa wzmacniacz operacyjny (O-Pamp)?
Jak działa wzmacniacz operacyjny?
Wzmacniacz operacyjny (Op-Amp) to wysoko zintegrowany element elektroniczny szeroko stosowany w obwodach do wzmacniania sygnałów, filtrowania, całkowania, różniczkowania i wielu innych zastosowań. Jego podstawowym zadaniem jest wzmacnianie różnicy napięcia między jego dwoma wejściami. Oto wyjaśnienie, jak działa wzmacniacz operacyjny oraz kluczowe pojęcia:
1. Podstawowa struktura
Wzmacniacz operacyjny zwykle ma pięć pinów:
Wejście nieodwracalne (V+): dodatnie wejście.
Wejście odwracalne (V−): ujemne wejście.
Wyjście (Vout): wzmacniony sygnał wyjściowy.
Dodatnia zasilająca (Vcc): dodatnie napięcie zasilające.
Ujemna zasilająca (Vee): ujemne napięcie zasilające.
2. Zasada działania
Założenia dla idealnego wzmacniacza operacyjnego
Nieskończony wzmocnienie: w idealnym przypadku, wzmocnienie A wzmacniacza jest nieskończone.
Nieskończona impedancja wejściowa: impedancja wejściowa Rin jest nieskończona, co oznacza, że prąd wejściowy jest prawie zerowy.
Zero impedancji wyjściowej: impedancja wyjściowa Rout wynosi zero, co oznacza, że prąd wyjściowy może być dowolnie duży bez wpływu na napięcie wyjściowe.
Nieskończona szerokość pasma: w idealnym przypadku, wzmacniacz może działać przy wszystkich częstotliwościach bez żadnych ograniczeń.
Cechy rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego
Skończone wzmocnienie: w praktyce, wzmocnienie A wzmacniacza jest skończone, zazwyczaj w zakresie od dziesiątek tysięcy do setek tysięcy.
Skończone impedancje wejściowe: rzeczywista impedancja wejściowa nie jest nieskończona, ale jest bardzo wysoka (poziom megaomów).
Niezerowa impedancja wyjściowa: rzeczywista impedancja wyjściowa nie wynosi zero, ale jest bardzo niska.
Skończone szerokość pasma: rzeczywiste szerokość pasma wzmacniacza jest ograniczona, zazwyczaj w zakresie od setek kiloherców do megaherców.
3. Podstawowe tryby pracy
Konfiguracja otwartego pętli
Wzmocnienie otwartej pętli: W konfiguracji otwartej pętli, wzmocnienie A wzmacniacza bezpośrednio wzmacnia różnicę napięcia wejściowego.
Nasyconie: Ze względu na wysokie wzmocnienie A, nawet mała różnica napięcia wejściowego może spowodować, że napięcie wyjściowe osiągnie granice napięć zasilających (tj. Vcc lub Vee).
Konfiguracja zamkniętej pętli
Ujemna sprzężenie zwrotne: Przez wprowadzenie ujemnej sprzężenia zwrotnego, wzmocnienie wzmacniacza można kontrolować, aby działało w rozsądnym zakresie.
Obwód ujemnej sprzężenia zwrotnej: Powszechne obwody ujemnej sprzężenia zwrotnej obejmują odwracające wzmacniacze, nieodwracające wzmacniacze i różnicowe wzmacniacze.
Wirtualne krótki i wirtualne otwarte: W obwodach ujemnej sprzężenia zwrotnej, napięcia na dwóch wejściach wzmacniacza są prawie równe (wirtualne krótkie), a prąd wejściowy jest prawie zerowy (wirtualne otwarte).
4. Powszechne obwody zastosowania
Odwracający wzmacniacz
Struktura obwodu: Sygnał wejściowy jest podawany przez rezystor R1 do wejścia odwracalnego V−, a rezystor sprzężenia zwrotnego Rf łączy wyjście Vout z wejściem odwracalnym V−.
Nieodwracający wzmacniacz
Struktura obwodu: Sygnał wejściowy jest podawany przez rezystor R1 do wejścia nieodwracalnego V+, a rezystor sprzężenia zwrotnego Rf łączy wyjście Vout z wejściem odwracalnym V−.
Różnicowy wzmacniacz
Struktura obwodu: Dwa sygnały wejściowe są podawane do wejścia nieodwracalnego V+ i wejścia odwracalnego V−, a rezystor sprzężenia zwrotnego Rf łączy wyjście Vout z wejściem odwracalnym V−.
5. Podsumowanie
Wzmacniacz operacyjny działa poprzez wzmacnianie różnicy napięcia między swoimi dwoma wejściami, z podstawową funkcjonalnością opartą na wysokim wzmocnieniu i mechanizmach ujemnej sprzężenia zwrotnej. Dzięki użyciu różnych konfiguracji obwodowych, wzmacniacze operacyjne mogą wykonywać różne funkcje, takie jak wzmacnianie, filtrowanie, całkowanie i różniczkowanie. Zrozumienie zasad działania i powszechnych obwodów zastosowania wzmacniaczy operacyjnych jest niezbędne do projektowania i rozwiązywania problemów w różnych systemach elektronicznych.
