Einführung in Operationsverstärker - Gunook

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2025-01-23 12:52

In diesem Instructable werde ich eine Einführung in den Operationsverstärker geben, eines der nützlichsten analogen Geräte. Dieses Gerät kann als nicht-invertierender oder invertierender Verstärker, als Komparator, Spannungsverstärker, Summierverstärker, Instrumentenverstärker, Puffer, aktives Filter, Wien-Brückenoszillator und viele andere Anwendungen konfiguriert werden. Der Operationsverstärker ist in verschiedenen Konfigurationen erhältlich, z. Es gibt auch Typen, die in oberflächenmontierten Varianten erhältlich sind.

Schritt 1: Was ist ein Operationsverstärker?

Der Operationsverstärker, der auch kurz als Operationsverstärker bezeichnet wird, ist ein gleichspannungsgekoppelter Spannungsverstärker mit hoher Verstärkung, der in einen IC-Chip integriert ist. Sie haben zwei Eingänge (Differenzeingang) und einen Ausgang. Sie werden als Bausteine in der analogen Elektronik verwendet, seit die ersten Geräte Ende der 1960er Jahre auf den Markt kamen. Eine der Schönheiten dieser Geräte besteht darin, dass sie das elektronische Design durch die Art ihrer Standardisierung stark vereinfacht haben. Das Entwerfen von Verstärkern mit diskreten Komponenten erforderte aufgrund der Unterschiede zwischen den aktiven Geräten viele Optimierungen. Wenn alle Verstärker aus dem gleichen Siliziumchip aufgebaut sind, können sie alle gleich hergestellt werden und haben die gleichen Eigenschaften. Bei der Auslegung mit Operationsverstärkern kann eine spezifische Verstärkung für das Gerät durch den Einbau von zwei externen Widerständen mit einem bestimmten Widerstandsverhältnis erreicht werden. Wenn beispielsweise eine Spannungsverstärkung von 100 gewünscht wird, könnten ein 100k-Widerstand und ein 1k-Widerstand in die Schaltung eingefügt werden, um ein Verhältnis von 100 zu erhalten. Bei dieser Strategie ist die Verstärkung jedes Mal gleich. Der beliebteste Operationsverstärker aller Zeiten ist der 741, den es seit den frühen 70er Jahren gibt und von Generationen von Bastlern in allen Bereichen von Audioverstärkern bis hin zu Netzteilen verwendet wird. Der 741 wird seit vielen Jahren nicht mehr von der Industrie verwendet, weil bessere Operationsverstärker entwickelt wurden, aber sie haben immer noch eine Anhängerschaft unter Bastlern und sind leicht zu bekommen. Die ersten Geräte kamen entweder in einem 8-Pin-Dual-Inline-Gehäuse oder in einer kreisförmigen Metalldose auf den Markt. Später wurden SMD-Geräte verfügbar. Der 741 und andere Operationsverstärker seines Jahrgangs verwendeten Bipolartransistoren mit Geräten, die später Feldeffekttransistoreingänge verwenden. Feldeffekttransistoreingänge wurden aufgrund der Notwendigkeit verwendet, eine größere Eingangsimpedanz und eine niedrigere Stromaufnahme zu haben.

Schritt 2: Der nicht invertierende Verstärker

Der nicht-invertierende Verstärker ist die erste Schaltung, die wir behandeln werden. Im obigen Diagramm ist der Operationsverstärker so verdrahtet, dass der Eingang zum positiven Eingang und der Rückkopplungswiderstand zum negativen Eingang führt. Das Verhältnis von Rf zu Rg bestimmt die Verstärkung. Im Fall der obigen Schaltung beträgt die Spannungsverstärkung 10. Das Diagramm in der Mitte zeigt die "realen" Einschränkungen des Operationsverstärkers 741, wenn eine 10-kHz-Rechteckwelle in den Eingang eingespeist wird, die jedoch aufgrund von. als Dreieckswellenform ausgegeben wird die begrenzte Schaltgeschwindigkeit des Gerätes. Wenn der Eingang auf eine 1-kHz-Rechteckwelle abgesenkt wird, verbessert sich der Ausgang und sieht eher aus wie eine echte Rechteckwelle. Die Messung der Fähigkeit des Operationsverstärkers, den Amplitudenänderungen des Eingangssignals zu folgen, wird als "Slew Rate" bezeichnet und in Volt pro Mikrosekunde gemessen. Der 741 hat eine sehr zahme Bewertung von 0,5 Volt pro Mikrosekunde. Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärker haben Nennwerte von bis zu 5000 Volt pro Mikrosekunde, obwohl ein typischer Operationsverstärker wie der TL081 eine durchschnittliche Nennleistung von 13 Volt pro Mikrosekunde hat.

Schritt 3: Der invertierende Verstärker

Der Operationsverstärker kann so konfiguriert werden, dass eine negativ laufende 1-Volt-Wellenform invertiert und verstärkt werden kann, um eine positiv laufende 10-Volt-Wellenform zu erhalten. Diese Konfiguration kann überall dort verwendet werden, wo eine Phasenänderung erforderlich ist, wie beispielsweise in den Treiberstufen von diskreten Transistorverstärkern.

Schritt 4: Verwenden eines Operationsverstärkers als Rechteckwellen-zu-Sinuswellen-Konverter

Die obige Schaltung ändert eine 1000-Hz-Rechteckwelle in eine 1000-Hz-Sinuswelle. Dies geschieht durch Herausfiltern aller Frequenzkomponenten (Oberschwingungen) oberhalb und unterhalb der Grundwelle, die eine Sinuswelle ist. Anstatt Widerstände im Rückkopplungskreis zu verwenden, verwenden wir frequenzselektive Komponenten (Kondensatoren), die eine negative Rückkopplung bieten, um die unerwünschten Frequenzen auszulöschen. Das mittlere Diagramm zeigt die tatsächlich simulierte Schaltung und die erzeugte Wellenform. Das dritte Diagramm zeigt den Frequenzgang der Schaltung. Der technische Name dieses Schaltungstyps ist ein aktiver Bandpassfilter. Es lässt nur ein sehr schmales Frequenzband ungedämpft durch.

Schritt 5: Verwenden eines Operationsverstärkers als Komparator

Es gibt dedizierte Chips, die bessere Komparatoren sind, aber manchmal haben Sie möglicherweise keinen zur Hand, daher ist es immer nützlich zu wissen, wie man einen Komparator aus einem Operationsverstärker macht. Ein kurzer Überblick darüber, was ein Komparator ist, es ist im Grunde ein Operationsverstärker, der als Verstärker ohne Rückkopplung eingerichtet ist und es dem Verstärker ermöglicht, mit seiner maximalen Verstärkung zu arbeiten. Wenn ein Eingang an eine bestimmte Spannung wie die im Diagramm gezeigten 3 Volt gebunden ist, liefert die Schaltung einen Ausgang, der fast der maximalen Schienenspannung entspricht, wenn die beiden Eingänge die gleiche Spannung haben. Im Fall der obigen Schaltung gibt eine Sinuswelle von 1 kHz einen Ausgang, wenn sie über 3 Volt ansteigt, und schaltet wieder um, wenn die Sinuswelle unter 3 Volt fällt. Komparatoren werden häufig in (ADCs) und Relaxationsoszillatoren verwendet.

Schritt 6: Aufbau eines Summierverstärkers mit einem Opamp

Der obige Summierverstärker nimmt zwei 1-kHz-Signale auf, eines mit 10 mV Spitze-Spitze und ein weiteres mit 20 mV Spitze-Spitze. Die resultierende Ausgabe beträgt 60 mV Spitze-Spitze. Da es sich um einen invertierenden Verstärker handelt, gibt er ein Signal mit entgegengesetzter Phase aus.

Summierverstärker werden in Audiomischern verwendet, bei denen verschiedene Eingänge zusammengezählt werden müssen. Durch Einspeisen von Signalen in Potentiometer können die Signale variiert werden, um die gewünschte Ausgabe zu erzielen.

Schritt 7: Audiomixer mit drei Eingängen

Diese Schaltung könnte verwendet werden, um zwei Instrumente und eine Gesangsspur zusammenzumischen, weitere Eingänge könnten nach Bedarf hinzugefügt werden. Jeder Eingangspegel kann mit den Potentiometern unabhängig eingestellt werden.