De "operationele" versterker

Lang voor de komst van digitale elektronische technologie werden computers gebouwd om elektronisch berekeningen uit te voeren door gebruik te maken van spanningen en stromen om numerieke grootheden weer te geven. Dit was vooral nuttig voor de simulatie van fysieke processen. Een variabele spanning kan bijvoorbeeld snelheid of kracht in een fysiek systeem vertegenwoordigen. Door het gebruik van resistieve spanningsdelers en spanningsversterkers kunnen de wiskundige bewerkingen van delen en vermenigvuldigen gemakkelijk op deze signalen worden uitgevoerd.

Calculus afgeleide functie als basis om de stroom van de condensator te berekenen

De reactieve eigenschappen van condensatoren en inductoren lenen zich goed voor de simulatie van variabelen die verband houden met calculusfuncties. Onthoud hoe de stroom door een condensator een functie was van de veranderingssnelheid van de spanning, en hoe die veranderingssnelheid in de calculus werd aangeduid als de afgeleide ? Welnu, als spanning over een condensator zou worden gemaakt om de snelheid van een object weer te geven, zou de stroom door de condensator de kracht vertegenwoordigen die nodig is om dat object te versnellen of te vertragen, de capaciteit van de condensator die de massa van het object vertegenwoordigt:

Deze analoge elektronische berekening van de calculus-afgeleidefunctie is technisch bekend als differentiatie , en het is een natuurlijke functie van de stroom van een condensator in relatie tot de spanning die erover wordt aangelegd. Merk op dat dit circuit geen "programmering" vereist om deze relatief geavanceerde wiskundige functie uit te voeren zoals een digitale computer zou doen.

Elektronische schakelingen zijn heel gemakkelijk en goedkoop te maken in vergelijking met complexe fysieke systemen, dus dit soort analoge elektronische simulatie werd veel gebruikt bij het onderzoek en de ontwikkeling van mechanische systemen. Voor realistische simulatie waren echter versterkercircuits met een hoge nauwkeurigheid en gemakkelijke configureerbaarheid nodig in deze vroege computers.

Voordeel van differentieel ten opzichte van enkelzijdige versterker

Tijdens het ontwerpen van analoge computers is gebleken dat differentiële versterkers met extreem hoge spanningsversterkingen beter voldeden aan deze vereisten van nauwkeurigheid en configureerbaarheid dan single-ended versterkers met op maat ontworpen versterkingen. Door gebruik te maken van eenvoudige componenten die zijn aangesloten op de in- en uitgang van de high-gain differentiële versterker, kon in het algemeen vrijwel elke versterking en elke functie van het circuit worden verkregen zonder de interne circuits van de versterker zelf aan te passen of te wijzigen. Deze high-gain differentiële versterkers werden bekend als operationele versterkers , of op-amps, vanwege hun toepassing in wiskundige bewerkingen van analoge computers.

Enkele kenmerken van op-amps

Moderne op-amps, zoals het populaire model 741, zijn hoogwaardige, goedkope geïntegreerde schakelingen. Hun ingangsimpedanties zijn vrij hoog, de ingangen trekken stromen in het bereik van een halve microamp (maximum) voor de 741, en veel minder voor op-amps die veldeffect-ingangstransistors gebruiken. De uitgangsimpedantie is doorgaans vrij laag, ongeveer 75 voor het model 741, en veel modellen hebben een ingebouwde kortsluitbeveiliging, wat betekent dat hun uitgangen direct kunnen worden kortgesloten naar aarde zonder schade aan de interne circuits te veroorzaken. Met directe koppeling tussen de interne transistortrappen van op-amps kunnen ze DC-signalen net zo goed versterken als AC (tot bepaalde maximale tijdslimieten voor spanningsstijging). Het zou veel meer geld en tijd kosten om een ​​vergelijkbaar versterkercircuit met discrete transistoren te ontwerpen dat aan dat soort prestaties zou kunnen voldoen, tenzij een hoog vermogen vereist was. Om deze redenen hebben op-amps in veel toepassingen vrijwel verouderde signaalversterkers met discrete transistoren.

Het volgende diagram toont de pin-aansluitingen voor enkele op-amps (741 inbegrepen) wanneer ze zijn ondergebracht in een 8-pins DIP (D ual ik nline P ackage) geïntegreerde schakeling:

Sommige modellen op-amps worden per twee geleverd, waaronder de populaire modellen TL082 en 1458. Deze worden "dubbele" eenheden genoemd en zijn meestal ook ondergebracht in een 8-pins DIP-pakket, met de volgende pin-aansluitingen:

Er zijn ook operationele versterkers beschikbaar per vier, meestal in 14-pins DIP-opstellingen. Helaas zijn pintoewijzingen niet zo standaard voor deze "quad" op-amps als voor de "dual" of single units. Raadpleeg de datasheet(s) van de fabrikant voor details.

Praktische spanningsversterkingen van operationele versterkers liggen in het bereik van 200.000 of meer, waardoor ze op zichzelf bijna onbruikbaar zijn als analoge differentiële versterker. Voor een op-amp met een spanningsversterking (A_V ) van 200.000 en een maximale uitgangsspanningszwaai van +15V/-15V, er is alleen een differentiële ingangsspanning van 75 V (microvolt) nodig om het naar verzadiging of afsnijding te brengen! Voordat we gaan kijken hoe externe componenten worden gebruikt om de versterking tot een redelijk niveau te brengen, laten we eerst eens kijken naar toepassingen voor de "kale" op-amp zelf.

Vergelijker

Eén applicatie heet de vergelijker . Voor alle praktische doeleinden kunnen we zeggen dat de output van een op-amp volledig positief verzadigd zal zijn als de (+) input positiever is dan de (-) input, en volledig verzadigd als de (+) input minder positief is dan de (-) ingang. Met andere woorden, de extreem hoge spanningsversterking van een op-amp maakt het nuttig als een apparaat om twee spanningen te vergelijken en de uitgangsspanningstoestanden te wijzigen wanneer de ene ingang de andere in omvang overschrijdt.

In het bovenstaande circuit hebben we een op-amp aangesloten als comparator, die de ingangsspanning vergelijkt met een referentiespanning ingesteld door de potentiometer (R₁ ). Als V_in zakt onder de spanning ingesteld door R₁ , zal de output van de op-amp verzadigen tot +V, waardoor de LED oplicht. Anders, als V_in boven de referentiespanning ligt, blijft de LED uit. Als Vin een spanningssignaal is dat wordt geproduceerd door een meetinstrument, zou dit comparatorcircuit kunnen functioneren als een "laag" alarm, met het uitschakelpunt ingesteld door R₁ . In plaats van een LED kan de op-amp-uitgang een relais, een transistor, een SCR of een ander apparaat aansturen dat in staat is om stroom naar een belasting zoals een magneetklep te schakelen, om actie te ondernemen in het geval van een laag alarm.

Vierkante-golfomzetter

Een andere toepassing van de getoonde vergelijkingsschakeling is een blokgolfomzetter. Stel dat de ingangsspanning die wordt toegepast op de inverterende (-) ingang een AC-sinusgolf is in plaats van een stabiele DC-spanning. In dat geval zou de uitgangsspanning overgaan tussen tegengestelde verzadigingstoestanden wanneer de ingangsspanning gelijk was aan de referentiespanning geproduceerd door de potentiometer. Het resultaat zou een blokgolf zijn:

Aanpassingen aan de potentiometerinstelling zouden de referentiespanning wijzigen die wordt toegepast op de niet-inverterende (+) ingang, die de punten zou veranderen waarop de sinusgolf zou kruisen, de aan/uit-tijden of duty cycle zou veranderen van de blokgolf:

Het moet duidelijk zijn dat de AC-ingangsspanning niet in het bijzonder een sinusgolf hoeft te zijn voor deze schakeling om dezelfde functie uit te voeren. De ingangsspanning kan een driehoeksgolf, zaagtandgolf of een ander soort golf zijn die soepel van positief naar negatief naar weer positief oploopt. Dit soort vergelijkingscircuit is erg handig voor het maken van blokgolven met een verschillende werkcyclus. Deze techniek wordt ook wel pulsbreedtemodulatie genoemd , of PWM (variërend, of modulerend een golfvorm volgens een stuursignaal, in dit geval het signaal geproduceerd door de potentiometer).

Bargraph-stuurprogramma

Een andere vergelijkingstoepassing is die van de staafgrafiekdriver. Als we verschillende op-amps hadden aangesloten als comparatoren, elk met zijn eigen referentiespanning aangesloten op de inverterende ingang, maar elk met hetzelfde spanningssignaal op hun niet-inverterende ingangen, zouden we een staafdiagram-achtige meter kunnen bouwen, zoals wat gebruikelijk is gezien op het gezicht van stereotuners en grafische equalizers. Naarmate de signaalspanning (die de sterkte van het radiosignaal of het geluidsniveau van het geluid weergeeft) toenam, zou elke comparator achtereenvolgens "aangaan" en stroom naar de respectievelijke LED sturen. Met elke comparator die "aan" schakelt op een ander geluidsniveau, geeft het aantal verlichte LED's aan hoe sterk het signaal was.

In het hierboven getoonde circuit zou LED1 als eerste gaan branden naarmate de ingangsspanning toenam in een positieve richting. Naarmate de ingangsspanning bleef stijgen, gingen de andere LED's achtereenvolgens branden, totdat ze allemaal oplichtten.

Deze zelfde technologie wordt gebruikt in sommige analoog-naar-digitaal signaalomzetters, namelijk de flitsomzetter , om een ​​analoge signaalhoeveelheid om te zetten in een reeks aan/uit-spanningen die een digitaal getal vertegenwoordigen.

BEOORDELING:

• Een driehoekige vorm is het algemene symbool voor een versterkerschakeling, waarbij het brede uiteinde de invoer aangeeft en het smalle uiteinde de uitvoer.
• Tenzij anders aangegeven, alle spanningen in versterkercircuits verwijzen naar een gemeenschappelijke aarde punt, meestal aangesloten op één aansluiting van de voeding. Op deze manier kunnen we spreken van een bepaalde hoeveelheid spanning die "op" een enkele draad staat, terwijl we ons realiseren dat spanning altijd tussen twee punten wordt gemeten.
• Een differentiële versterker is er een die de spanning versterkt verschil tussen twee signaalingangen. In zo'n circuit heeft de ene ingang de neiging om de uitgangsspanning naar dezelfde polariteit van het ingangssignaal te sturen, terwijl de andere ingang precies het tegenovergestelde doet. Bijgevolg wordt de eerste invoer de niet-inverterende . genoemd (+) invoer en de tweede heet de inverterende (-) invoer.
• Een operationele versterker (of kortweg op-amp) is een differentiële versterker met een extreem hoge spanningsversterking (A_V =200.000 of meer). De naam komt van het oorspronkelijke gebruik in analoge computerschakelingen (voor het uitvoeren van wiskundige bewerkingen).
• Op-amps hebben doorgaans zeer hoge ingangsimpedanties en vrij lage uitgangsimpedanties.
• Soms worden op-amps gebruikt als signaal comparators , werkend in volledige uitschakeling of verzadigingsmodus, afhankelijk van welke ingang (inverterend of niet-inverterend) de grootste spanning heeft. Comparatoren zijn handig bij het detecteren van "groter-dan"-signaalcondities (door de ene met de andere te vergelijken).
• Eén vergelijkingstoepassing heet de pulsbreedtemodulator , en wordt gemaakt door een sinusgolf AC-signaal te vergelijken met een DC-referentiespanning. Naarmate de DC-referentiespanning wordt aangepast, verandert de blokgolfuitgang van de comparator zijn werkcyclus (positieve versus negatieve tijden). Dus de DC-referentiespanning regelt, of moduleert de pulsbreedte van de uitgangsspanning.

GERELATEERD WERKBLAD:

• Werkblad voor eenvoudige operationele versterkers