Inleiding tot operationele versterkers: 7 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

In deze Instructable zal ik een inleiding geven tot de operationele versterker, een van de meest bruikbare analoge apparaten. Dit apparaat kan worden geconfigureerd als een niet-inverterende of inverterende versterker, een comparator, spanningsversterker, optelversterker, instrumentatieversterker, buffer, actief filter, Wien-brugoscillator en vele andere toepassingen. De opamp is verkrijgbaar in verschillende configuraties, zoals de enkele LM741 8-pins DIP of de LM324 14-pins quad-op-versterker die hierboven is weergegeven. Er zijn ook typen die in opbouwvarianten worden geleverd.

Stap 1: Wat is een operationele versterker?

De operationele versterker, ook wel kortweg op-amp genoemd, is een DC-gekoppelde high-gain spanningsversterker, ingebouwd in een IC-chip. Ze hebben twee ingangen (differentiële ingang) en één uitgang. Ze worden gebruikt als bouwstenen in analoge elektronica sinds de eerste apparaten eind jaren zestig op de markt kwamen. Een van de schoonheden van deze apparaten is dat ze het elektronische ontwerp aanzienlijk hebben vereenvoudigd door de aard van hun standaardisatie. Het ontwerpen van versterkers met discrete componenten bracht veel aanpassingen met zich mee vanwege de verschillen tussen actieve apparaten. Als versterkers allemaal uit dezelfde siliciummatrijs zijn gebouwd, kunnen ze allemaal hetzelfde worden gemaakt en dezelfde kenmerken hebben. Bij het ontwerpen met operationele versterkers kan een specifieke versterking voor het apparaat worden verkregen door twee externe weerstanden met een specifieke weerstandsverhouding te installeren. Als bijvoorbeeld een spanningsversterking van 100 gewenst is, kunnen een weerstand van 100k en een weerstand van 1k in het circuit worden geplaatst om een verhouding van 100 te verkrijgen. Met deze strategie is de versterking elke keer hetzelfde. De meest populaire op-amp aller tijden is de 741 die al sinds het begin van de jaren 70 bestaat en door generaties hobbyisten wordt gebruikt in alles van audioversterkers tot voedingen. De 741 wordt al jaren niet meer door de industrie gebruikt omdat er betere op-amps zijn ontwikkeld, maar ze hebben nog steeds een aanhang onder hobbyisten en zijn gemakkelijk te verkrijgen. De eerste apparaten kwamen uit in een 8-pins dubbele inline-pakketstijl of een rond metalen blikje. Later kwamen er apparaten voor oppervlaktemontage beschikbaar. De 741 en andere op-amps van zijn vintage gebruikten bipolaire transistors met apparaten die veldeffecttransistoringangen gebruiken die later uitkomen. Ingangen van veldeffecttransistors werden gebruikt vanwege de noodzaak om een grotere ingangsimpedantie en een lager stroomverbruik te hebben.

Stap 2: De niet-inverterende versterker

De niet-inverterende versterker is het eerste circuit dat we zullen behandelen. In het bovenstaande diagram is de opamp bedraad waarbij de ingang naar de positieve ingang gaat en de feedbackweerstand naar de negatieve ingang. De verhouding van Rf tot Rg bepaalt de versterking. In het geval van het bovenstaande circuit is de spanningsversterking 10. Het diagram in het midden de "echte wereld" -beperkingen van de 741 opamp wanneer een 10 kHz blokgolf in de ingang wordt ingevoerd maar als een driehoekige golfvorm uitkomt vanwege de beperkte schakelsnelheid van het apparaat. Wanneer de ingang wordt verlaagd tot een blokgolf van 1 kHz, wordt de uitgang beter en lijkt het meer op een echte blokgolf. De meting van het vermogen van de opamp om de veranderingen in amplitude van het ingangssignaal te volgen, wordt de "Slew Rate" genoemd en wordt gemeten in volt per microseconde. De 741 heeft een zeer tamme rating van 0,5 volt per microseconde. High-speed op-versterkers hebben een nominale waarde tot 5000 volt per microseconde, hoewel een typische zoals de TL081 een gemiddelde classificatie van 13 volt per microseconde zal hebben.

Stap 3: De inverterende versterker

De opamp kan zo worden geconfigureerd dat een negatief gaande golfvorm van 1 volt kan worden omgekeerd en versterkt om een positief gaande golfvorm van 10 volt te geven. Toepassingen voor deze configuratie kunnen overal zijn waar een faseverandering nodig is, zoals in de stuurtrappen van discrete transistorversterkers.

Stap 4: Een opamp gebruiken als een blokgolf naar sinusgolfomzetter

Het bovenstaande circuit zal een blokgolf van 1000 Hz veranderen in een sinusgolf van 1000 Hz. Het doet dit door alle frequentiecomponenten (harmonischen) boven en onder de grondtoon uit te filteren, wat een sinusgolf is. In plaats van weerstanden in het feedbackcircuit te gebruiken, gebruiken we frequentieselectieve componenten (condensatoren) die negatieve feedback geven om de ongewenste frequenties op te heffen. Het middelste diagram toont het daadwerkelijke gesimuleerde circuit en de geproduceerde golfvorm. Het derde diagram toont de frequentierespons van het circuit. De technische naam van dit type circuit is een actief banddoorlaatfilter. Het laat slechts een zeer smalle frequentieband door zonder te worden verzwakt.

Stap 5: Een opamp als vergelijker gebruiken

Er zijn speciale chips die betere comparators zijn, maar soms heb je er misschien geen bij de hand, dus het is altijd handig om te weten hoe je een comparator kunt maken van een opamp. Een snel overzicht van wat een comparator is, het is in feite een opamp die is opgezet als een versterker zonder feedback, waardoor de versterker op maximale versterking kan werken. Wanneer een ingang is gekoppeld aan een specifieke spanning, zoals de 3 volt die in het diagram wordt weergegeven, geeft de schakeling een uitgang die bijna de maximale railspanning is wanneer de twee ingangen dezelfde spanning hebben. In het geval van de bovenstaande schakeling geeft een sinusgolf van 1 kHz een output wanneer deze boven de 3 volt komt en schakelt weer wanneer de sinusgolf onder de 3 volt komt. Comparatoren worden vaak gebruikt in (ADC's) en relaxatieoscillatoren.

Stap 6: Een optelversterker bouwen met een opamp

De optelversterker hierboven neemt twee signalen van 1 kHz op, een van 10 mV piek tot piek en een andere van 20 mV piek tot piek. De resulterende output is 60 mV piek tot piek. Omdat het een inverterende versterker is, geeft het een signaal met tegenfase af.

Sommerende versterkers worden gebruikt in audiomixers waar verschillende ingangen bij elkaar moeten worden opgeteld. Door signalen in potentiometers te voeren, kunnen de signalen worden gevarieerd om de gewenste output te geven.

Stap 7: Audiomixer met drie ingangen

Dit circuit kan worden gebruikt om twee instrumenten en een vocaal spoor te mixen, er kunnen meer ingangen worden toegevoegd als dat nodig is. Elk ingangsniveau kan afzonderlijk worden aangepast met de potentiometers.