Як працює операційний підсилювач (O-Pamp)?
Як працює операційний підсилювач?
Операційний підсилювач (Op-Amp) — це високорозподілений електронний компонент, широко використовуваний у схемах для підсилення сигналу, фільтрації, інтегрування, диференціювання та багатьох інших застосувань. Його основна функція полягає у підсиленні різниці напруги між двома вхідними контактами. Ось пояснення того, як працює операційний підсилювач, та ключові поняття:
1. Базова структура
Зазвичай операційний підсилювач має п'ять контактів:
Невертаючий вхід (V+): позитивний вхідний контакт.
Вертаючий вхід (V−): негативний вхідний контакт.
Вихід (Vout): підсиленний вихідний сигнал.
Позитивне живлення (Vcc): позитивна напруга живлення.
Негативне живлення (Vee): негативна напруга живлення.
Безмежне підсилення: ідеально, коефіцієнт підсилення A операційного підсилювача є безмежним. Безмежна вхідна імпеданс: вхідна імпеданс Rin є безмежною, що означає, що вхідний струм практично дорівнює нулю. Нульова вихідна імпеданс: вихідна імпеданс Rout дорівнює нулю, що означає, що вихідний струм може бути довільно великим без впливу на вихідну напругу. Безмежна ширина смуги: ідеально, операційний підсилювач може працювати на всіх частотах без будь-яких обмежень. Характеристики реального операційного підсилювача Кінцеве підсилення: на практиці, коефіцієнт підсилення A операційного підсилювача є скінченним, зазвичай він знаходиться в діапазоні від 10^5 до 10^6. Кінцева вхідна імпеданс: фактична вхідна імпеданс не є безмежною, але дуже високою (рівнем мегом). Ненульова вихідна імпеданс: фактична вихідна імпеданс не дорівнює нулю, але дуже низька. Кінцева ширина смуги: фактична ширина смуги операційного підсилювача обмежена, зазвичай вона знаходиться в діапазоні від сотень кілогерц до мегагерц. 3. Базові режими роботи Конфігурація з відкритим контуром Підсилення з відкритим контуром: у конфігурації з відкритим контуром, коефіцієнт підсилення A операційного підсилювача прямо підсилює диференційну вхідну напругу Насичення: через високий коефіцієнт підсилення A, навіть невелика різниця вхідних напруг може спричинити, що вихідна напруга досягне меж напруг живлення (тобто Vcc або Vee). Конфігурація з замкнутим контуром Негативна зворотна зв'язок: завдяки введення негативної зворотної зв'язку, коефіцієнт підсилення операційного підсилювача можна контролювати, щоб він працював в розумному діапазоні. Схема негативної зворотної зв'язку: типові схеми негативної зворотної зв'язку включають інверсні підсилювачі, неінверсні підсилювачі та диференціальні підсилювачі. Віртуальний короткий замикання та віртуальний відкритий контакт: у схемах з негативною зворотною зв'язкою, напруги на двох вхідних контактах операційного підсилювача майже рівні (віртуальний короткий замикання), а вхідний струм майже дорівнює нулю (віртуальний відкритий контакт). 4. Типові застосування схем Інверсний підсилювач Структура схеми: вхідний сигнал подається через резистор R1 на вертаючий вхід V−, а зворотний резистор Rf з'єднує вихід Vout з вертаючим вводом V−. Неінверсний підсилювач Структура схеми: вхідний сигнал подається через резистор R1 на невертаючий вхід V+, а зворотний резистор Rf з'єднує вихід Vout з вертаючим вводом V−. Диференціальний підсилювач Структура схеми: два вхідних сигнали подаються на невертаючий вхід V+ та вертаючий вхід V−, а зворотний резистор Rf з'єднує вихід Vout з вертаючим вводом V−. 5. Підсумок Операційний підсилювач працює, підсилюючи різницю напруги між своїми двома вхідними контактами, з основною функціональністю, що базується на високому підсиленні та механізмах негативної зворотної зв'язку. Використовуючи різні конфігурації схем, операційні підсилювачі можуть виконувати різні функції, такі як підсилення, фільтрація, інтегрування та диференціювання. Розуміння принципів роботи та типових застосувань операційних підсилювачів є важливим для проектування та вирішення проблем у різних електронних системах.
