Hur fungerar en förstärkare (O- Pamp)

Hur fungerar en operationsförstärkare?

En operationsförstärkare (Op-Amp) är en högintegrerad elektronisk komponent som används vidt och brett i kretsar för signalförstärkning, filtrering, integration, differentiering och många andra tillämpningar. Dess huvudsakliga funktion är att förstärka spänningskillnaden mellan dess två ingångsterminaler. Här är en förklaring av hur en operationsförstärkare fungerar samt viktiga begrepp:

1. Grundläggande struktur

• En operationsförstärkare har vanligtvis fem stift:

• Inverterande ingång (V+): Positiv ingångsterminal.

• Inverterande ingång (V−): Negativ ingångsterminal.

• Utmatning (Vout): Förstärkt utdata-signal.

• Positiv spänning (Vcc): Positiv strömförsörjningsspänning.

• Negativ spänning (Vee): Negativ strömförsörjningsspänning.

2. Funktionsprincip

Antaganden för en ideal operationsförstärkare

• Oändlig förstärkning: I teorin är förstärkningen A av op-ampen oändlig.

• Oändlig ingångsimpedans: Ingångsimpedansen Rin är oändlig, vilket betyder att ingångsströmmen är nästan noll.

• Noll utgångsimpedans: Utgångsimpedansen Rout är noll, vilket betyder att utdataströmmen kan vara godtyckligt stor utan att påverka utdataspänningen.

• Oändlig bandbredd: I teorin kan op-ampen fungera vid alla frekvenser utan några begränsningar.

Egenskaper hos en verklig operationsförstärkare

• Ändlig förstärkning: I praktiken är förstärkningen A av op-ampen ändlig, vanligtvis mellan tio upphöjt till fem och tio upphöjt till sex.

• Ändlig ingångsimpedans: Den faktiska ingångsimpedansen är inte oändlig men är mycket hög (megohmsnivå).

• Icke-noll utgångsimpedans: Den faktiska utgångsimpedansen är inte noll men är mycket låg.

• Ändlig bandbredd: Den faktiska bandbredden för op-ampen är begränsad, vanligtvis mellan hundratusentals kilohertz och megahertz.

3. Grundläggande driftlägen

Öppen sluten länk-konfiguration

Öppen sluten länk-förstärkning: I öppen sluten länk-konfiguration förstärker op-ampens förstärkning A direkt den differentiella ingångsspänningen.

Sättning: På grund av den höga förstärkningen A kan även en liten ingångsspänningskillnad orsaka att utdataspänningen når gränserna för strömförsörjningsspänningarna (dvs. Vcc eller Vee).

Stängd sluten länk-konfiguration

Negativ återkoppling: Genom att införa negativ återkoppling kan förstärkningen av op-ampen kontrolleras för att fungera inom ett rimligt intervall.

Negativ återkopplingssirkuit: Vanliga negativa återkopplingssirkuit inkluderar inverterande förstärkare, icke-inverterande förstärkare och differentiella förstärkare.

Virtuell kortslutning och virtuell öppenhet: I negativa återkopplingssirkuit är spänningarna vid de två ingångsterminalerna av op-ampen nästan lika (virtuell kortslutning), och ingångsströmmen är nästan noll (virtuell öppenhet).

4. Vanliga tillämpningskretsar

Inverterande förstärkare

Kretsstruktur: Indata-signalen matas in genom en resistor R1 till den inverterande ingången V−, och en återkopplingsresistor Rf ansluter utmatningen Vout till den inverterande ingången V-.

Vout till den inverterande ingången V-.

Icke-inverterande förstärkare

Kretsstruktur: Indata-signalen matas in genom en resistor R1 till den icke-inverterande ingången V +, och en återkopplingsresistor Rf ansluter utmatningen Vout till den inverterande ingången V−.

Differentiell förstärkare

Kretsstruktur: Två indatasignaler appliceras till den icke-inverterande ingången V+ och den inverterande ingången V−, och en återkopplingsresistor Rf ansluter utmatningen V out till den inverterande ingången V−.

5. Sammanfattning

En operationsförstärkare fungerar genom att förstärka spänningskillnaden mellan dess två ingångsterminaler, med kärnfunktionen som bygger på hög förstärkning och mekanismer för negativ återkoppling. Genom att använda olika kretskonfigurationer kan op-ampar utföra olika funktioner som förstärkning, filtrering, integration och differentiering. Förståelse för arbetssättet och vanliga tillämpningskretsar för op-ampar är viktigt för att designa och felsöka olika elektroniska system.