Optymalizator operacyjny: Blok Budowlany Optymalizatora Operacyjnego

Amplifikator z niemal nieskończonym zwielokrotnieniem

Operacyjny amplifikator jest różniczkowym amplifikatorem o ogromnym zwielokrotnieniu otwartego pętli — w zakresie sto tysięcy do miliona — z dwoma wejściami (wciąż, oznaczonym jako minus, i niewciąż, oznaczony jako plus) oraz jednym wyjściem. Bez żadnych dodatkowych komponentów, to zwielokrotnienie jest tak duże, że w praktyce amplifikator ten nie jest użyteczny jako urządzenie liniowe: nawet ujemna różnica między wejściami o milionu części milivolt przekształca wyjście na jedno z obwodów napięcia prawie natychmiast. Operacyjny amplifikator tylko staje się przydatny, gdy zamkniemy pętlę zwrotną od wyjścia do wejścia wciąż.

Dwa zasady złote

Z powrotem do obwodu z negatywnym sprzężeniem zwrotnym, przy założeniu, że op-amp nie jest zatkanowany, dwie idealizowane zasady opisują obwód prawie dokładnie. To całe narzędzie do ręcznego analizowania obwodów op-amp polega na tych dwóch zasadach:

Zasada 1 — nie przepływa tam ani jedna strumień prądu do żadnej z wejść (wejścia prezentują niemal nieskończoną impedancję) Zasada 2 — wyjście op-ampu wykonuje to, co jest potrzebne, aby przynuczyć oba wejścia do tego samego poziomu napięcia Zasada 2 zachodzi tylko dzięki negatywnemu sprzężeniu zwrotnemu: napięcie wyjściowe jest z powrotem przekierowywane na wejście odjemne poprzez pewien zewnętrzną sieć, a ponieważ stała otwartego sprzężenia jest tak duży, tylko vanishingly small różnica w napięciu wejściowym jest potrzebna do wygenerowania jakiegoś rzeczywistego wyjścia. Traktuj tę różnicę jako dokładnie zero i oto masz Zasadę 2. Zasada 1 wynika z tego, że część wejściowa jest budowana z tranzystorów, których gate lub base nie przepływa małych strumieni prądu na węźle wejściowym.

Rule 1 — no current flows into either input
        (the inputs present essentially infinite impedance)

Rule 2 — the op-amp's output does whatever is needed
        to force the two inputs to the same voltage

Inwerter i wirtualny zrównoważonej

Podłącz nieinwersyjną wejście do ziemi i przekieruj sygnał poprzez rezystor Rin do inwersyjnego wejścia, a rezystor zwrotny Rf od wyjścia powraca do tego samego punktu. Zgodnie z Regułą 2, inwersyjne wejście znajduje się na poziomie 0 V — wirtualny zrównoważony, utrzymywany przez zwrotność, a nie bezpośrednim połączeniem prądu. Zgodnie z Regułą 1, wszystki prąd przychodzący przez Rin ma miejsce tylko do Rf, ponieważ żaden z niego nie może wejść do op-ampa. Ta jedna obserwacja daje całe funkcje przepływu mocy:

Iin = Vin / Rin // prąd wprowadzany do wirtualnie zrównoważonego punktu Iin = -Vout / Rf // ten sam prąd, który opuszcza przez Rf Vout = -(Rf / Rin) * Vin // przyrost inwersyjny, ustawiony jedynie na podstawie proporcji rezystorów Uwaga: przyrost zależy tylko od stosunku dwóch rezystorów — nie od własnego przyrostu otwartego obwodu op-ampa, jego przesunięcia temperaturowego ani rozrzutu produkcji — jak długo przyrost otwartego obwodu jest wystarczająco dużym, aby zasady złotowe miały miejsce. Ta niezależność od własnych niedoskonałości urządzenia przyporządkowawczego jest całą kwestią negatywnej zwrotności, a to jest powodem dla którego obwody op-amp są tak przewidywalne i szeroko stosowane.

Iin  = Vin / Rin          // current into the virtual-ground node
Iin  = -Vout / Rf         // the same current, leaving through Rf
Vout = -(Rf / Rin) * Vin  // inverting gain, set purely by resistor ratio

Warianty niezwalidnianych i dodawaczy

Przekieruj sygnał do wejścia niezwalidnianego, a zamiast tego wprowadź ten sam dzielnik oporności Rin/Rf z powrotu z wyjścia na niszczyciela do drugiego wejścia. Teraz Zasada 2 mówi, że punkt inwersji musi się znajdować na poziomie Vin, a taka sama argumentacja przepływu prądu daje Vout = (1 + Rf/Rin) · Vin — dodatni przyrost, zawsze co najmniej 1, oraz bardzo wysoka impedancja wejściowa, ponieważ sygnał widzi bezpośrednio opornik wstępu op-amp'a zamiast przechodząc przez inny opornik.

Dodaj więcej oporników wejściowych konvergujących na ten sam punkt wirtualnego niszczyciela dla inwersji i argument sumowania przepływów prądu zasady 1 rozszerza się bezpośrednio: wyjście staje się ważonym sumowaniem każdego wejścia, każde z nich skali przez -Rf podzielone przez własny opornik wejściowy. Taki dodawacz jest elementem budowlanym mikserek analogowych i klasycznych konwerterów cyfrowych do analogowego, gdzie każdy opornik wejściowy ma ważenie w sekwencji binarnej.

Gdzie idealna modelika przestaje działać

Realne op-ampy zdrawiają małą przepływność obciążenia wejściowego, mają skończony produkt przyrostu i szerokości przechodniej, co ogranicza szybkość odpowiedzi wyjścia, a także nie mogą osiągać pełnego zakresu na biegunach zasilania. Na wysokich częstotliwościach przyrost pętli spada i zasady złote stają się stopniowo mniej dokładne, co jest powodem, dla którego op-ampy są zawsze określone dla zakresu operacyjnej częstotliwości. Nie zmienia to powyższej logiki — tylko ogranicza miejsce jej zastosowania.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Operational Amplifier — The Op-Amp Building Block i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.