Στο επόμενο άρθρο συζητάμε τις κύριες παραμέτρους ενισχυτή op και τα σχετικά βασικά κυκλώματα εφαρμογών op amp με εξισώσεις, για την επίλυση των συγκεκριμένων τιμών συνιστωσών τους.
Οι Op-amp (λειτουργικοί ενισχυτές) είναι ένας εξειδικευμένος τύπος ολοκληρωμένου κυκλώματος που περιλαμβάνει έναν ενισχυτή άμεσης σύζευξης, υψηλής απολαβής με γενικά χαρακτηριστικά απόκρισης προσαρμοσμένα με ανάδραση.
Ο op-amp αντλεί το όνομά του από το γεγονός ότι μπορεί να εκτελέσει ένα ευρύ φάσμα μαθηματικών υπολογισμών. Λόγω της απόκρισής του, ένας op-amp είναι επίσης γνωστός ως γραμμικό ολοκληρωμένο κύκλωμα και αποτελεί το βασικό συστατικό πολλών αναλογικών συστημάτων.
Ένας ενισχυτής λειτουργίας διαθέτει εξαιρετικά υψηλό κέρδος (ενδεχομένως πλησιάζει στο άπειρο), το οποίο μπορεί να ρυθμιστεί μέσω ανατροφοδότησης. Η προσθήκη πυκνωτών ή επαγωγέων στο δίκτυο ανάδρασης μπορεί να οδηγήσει σε κέρδος που αλλάζει με τη συχνότητα, επηρεάζοντας τη συνολική κατάσταση λειτουργίας του ολοκληρωμένου κυκλώματος.
Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα, ο βασικός ενισχυτής λειτουργίας είναι μια συσκευή τριών τερματικών που έχει δύο εισόδους και μία έξοδο. Οι ακροδέκτες εισόδου ταξινομούνται ως 'αντεστραμμένοι' ή 'μη αντιστρεπτικοί'.
Παράμετροι Op Amp
Όταν παρέχεται με ίσες τάσεις εισόδου, η έξοδος του ιδανικού λειτουργικού ενισχυτή, ή 'op amp' είναι μηδέν ή '0 volt'.
VIN 1 = VIN 2 δίνει VOUT = 0
Οι πρακτικοί ενισχυτές λειτουργίας έχουν μια ατελώς ισορροπημένη είσοδο, με αποτέλεσμα να ρέουν άνισα ρεύματα πόλωσης μέσω των ακροδεκτών εισόδου. Προκειμένου να εξισορροπηθεί η έξοδος του ενισχυτή λειτουργίας, πρέπει να παρέχεται μια τάση μετατόπισης εισόδου μεταξύ των δύο ακροδεκτών εισόδου.
1) Ρεύμα πόλωσης εισόδου
Όταν η έξοδος είναι ισορροπημένη ή όταν V ΕΞΩ = 0, το ρεύμα πόλωσης εισόδου (I σι ) ισούται με το μισό των συνολικών μεμονωμένων ρευμάτων που εισέρχονται στις δύο συνδέσεις εισόδου. Είναι συχνά ένας πολύ μικρός αριθμός. για παράδειγμα, εγώ σι = 100 nA είναι μια κανονική τιμή.
2) Εισαγωγή ρεύματος μετατόπισης
Η διαφορά μεταξύ κάθε μεμονωμένου ρεύματος που φτάνει στους ακροδέκτες εισόδου είναι γνωστή ως ρεύμα μετατόπισης εισόδου (I Αυτό ). Και πάλι, είναι συχνά εξαιρετικά χαμηλής αξίας. Για παράδειγμα, μια κοινή τιμή είναι το I Αυτό = 10 nA.
3) Τάση μετατόπισης εισόδου
Για να διατηρηθεί ισορροπημένος ο ενισχυτής λειτουργίας, μια τάση μετατόπισης εισόδου V Αυτό πρέπει να εφαρμοστεί κατά μήκος του τερματικού εισόδου. Συνήθως η τιμή του V Αυτό είναι = 1 mV.
Αξίες του Ι Αυτό και V Αυτό μπορεί και τα δύο να ποικίλλουν ανάλογα με τη θερμοκρασία και αυτή η διακύμανση αναφέρεται ως I Αυτό drift και V Αυτό drift, αντίστοιχα.
4) Αναλογία απόρριψης τροφοδοτικού (PSRR)
Ο λόγος της αλλαγής στην τάση μετατόπισης εισόδου προς την αντίστοιχη αλλαγή στην τάση τροφοδοσίας είναι γνωστός ως λόγος απόρριψης τροφοδοσίας ή PSRR. Αυτό είναι συχνά στην περιοχή από 10 έως 20 uV/V.
Πρόσθετες παράμετροι για op-amp που μπορούν να αναφερθούν είναι:
5) Κέρδος ανοιχτού βρόχου/Κέρδος κλειστού βρόχου
Το κέρδος ανοιχτού βρόχου αναφέρεται στο κέρδος ενός op-amp χωρίς κύκλωμα ανάδρασης, ενώ το κέρδος κλειστού βρόχου αναφέρεται στο κέρδος ενός op-amp με ένα κύκλωμα ανάδρασης. Γενικά αντιπροσωπεύεται ως Α ρε .
6) Αναλογία απόρριψης κοινής λειτουργίας (CMRR)
Αυτός είναι ο λόγος του σήματος διαφοράς προς το σήμα κοινής λειτουργίας και χρησιμεύει ως μέτρο της απόδοσης ενός διαφορικού ενισχυτή. Χρησιμοποιούμε ντεσιμπέλ (dB) για να εκφράσουμε αυτή την αναλογία.
7) Ποσοστό περιστροφής
Ο ρυθμός περιστροφής είναι ο ρυθμός με τον οποίο αλλάζει η τάση εξόδου ενός ενισχυτή υπό συνθήκες μεγάλου σήματος. Αναπαρίσταται χρησιμοποιώντας τη μονάδα V/us.
Βασικά κυκλώματα εφαρμογών Op Amp
Στις επόμενες παραγράφους θα μάθουμε για αρκετά ενδιαφέροντα βασικά κυκλώματα op amp. Κάθε ένα από τα βασικά σχέδια επεξηγείται με τύπους για την επίλυση των τιμών και των χαρακτηριστικών των στοιχείων.
ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ Ή BUFFER
Το κύκλωμα για έναν αναστροφικό ενισχυτή, ή έναν μετατροπέα, φαίνεται στο Σχήμα 1, παραπάνω. Το κέρδος του κυκλώματος δίνεται από:
Off = - R2/R1
Σημειώστε ότι το κέρδος είναι αρνητικό, υποδεικνύοντας ότι το κύκλωμα λειτουργεί ως ακολουθητής τάσης αντιστροφής φάσης, εάν οι δύο αντιστάσεις είναι ίσες (δηλαδή, R1 = R2). Η έξοδος θα ήταν πανομοιότυπη με την είσοδο, με την πολικότητα αντίστροφη.
Στην πραγματικότητα, οι αντιστάσεις μπορούν να αφαιρεθούν για κέρδος μονάδας και να αντικατασταθούν από καλώδια απευθείας βραχυκυκλωτήρα, όπως φαίνεται στο Σχ. 2 παρακάτω.
Αυτό είναι δυνατό επειδή R1 = R2 = 0 σε αυτό το κύκλωμα. Τυπικά, το R3 αφαιρείται από το κύκλωμα παρακολούθησης τάσης αναστροφής.
Η έξοδος οπ ενισχυτή θα ενισχύσει το σήμα εισόδου εάν το R1 είναι μικρότερο από το R2. Για παράδειγμα, εάν το R1 είναι 2,2 K και το R1 είναι 22 K, το κέρδος θα μπορούσε να εκφραστεί ως:
Off = - 22.000/2.200 = -10
Το αρνητικό σύμβολο υποδηλώνει αναστροφή φάσης. Η πολικότητα εισόδου και εξόδου αντιστρέφεται.
Κάνοντας το R1 μεγαλύτερο από το R2, το ίδιο κύκλωμα μπορεί επίσης να εξασθενίσει (μειώσει την ισχύ του) το σήμα εισόδου. Για παράδειγμα, εάν το R1 είναι 120 K και το R2 είναι 47 K, το κέρδος κυκλώματος θα ήταν περίπου:
Off = 47.000/120.000 = - 0,4
Και πάλι, η πολικότητα της εξόδου είναι αντίστροφη αυτής της εισόδου. Αν και η τιμή του R3 δεν είναι ιδιαίτερα σημαντική, θα πρέπει να είναι περίπου ίση με τον παράλληλο συνδυασμό των R1 και R2. Το οποίο είναι:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
Για να το αποδείξετε αυτό, εξετάστε το προηγούμενο παράδειγμά μας, όπου R1 = 2,2 K και R2 = 22 K. Η τιμή του R3 σε αυτήν την περίπτωση θα πρέπει να είναι περίπου:
R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48,400,000/24,200 = 2000 Ω
Μπορούμε να επιλέξουμε την πλησιέστερη τυπική τιμή αντίστασης για το R3 επειδή η ακριβής τιμή δεν είναι απαραίτητη. Σε αυτή την περίπτωση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μια αντίσταση 1,8 Κ ή 2,2 Κ.
Η αναστροφή φάσης που δημιουργείται από το κύκλωμα στο Σχ. 2 μπορεί να μην είναι αποδεκτή σε πολλές περιπτώσεις. Για να χρησιμοποιήσετε το op-amp ως μη αντιστρεπτικό ενισχυτή (ή σαν απλό buffer), συνδέστε τον όπως φαίνεται στην Εικ. 3 παρακάτω.
Το κέρδος σε αυτό το κύκλωμα εκφράζεται ως εξής:
Off = 1 + R2/R1
Η έξοδος και η είσοδος έχουν την ίδια πολικότητα και βρίσκονται σε φάση.
Λάβετε υπόψη ότι το κέρδος πρέπει να είναι πάντα στο ελάχιστο 1 (μονάδα). Δεν είναι δυνατή η εξασθένηση (μείωση) των σημάτων χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα που δεν αντιστρέφεται.
Το κέρδος του κυκλώματος θα είναι συγκριτικά ισχυρότερο εάν η τιμή R2 είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την R1. Για παράδειγμα, εάν R1 = 10 K και R2 = 47 K, το κέρδος του ενισχυτή λειτουργίας θα είναι όπως δίνεται παρακάτω:
Off = 1 + 470.000/10.000 = 1 + 47 = 48
Ωστόσο, εάν το R1 είναι σημαντικά μεγαλύτερο από το R2, το κέρδος θα είναι μόνο λίγο περισσότερο από τη μονάδα. Για παράδειγμα, εάν R1 = 100 K και R2 = 22 K, το κέρδος θα ήταν:
Off = 1 + 22.000/100.000 = 1 + 0,22 = 1,22
Σε περίπτωση που οι δύο αντιστάσεις είναι πανομοιότυπες (R1 = R2), το κέρδος θα ήταν πάντα 2. Για να πείσετε τον εαυτό σας γι' αυτό, δοκιμάστε την εξίσωση κέρδους σε μερικά σενάρια.
Μια συγκεκριμένη κατάσταση είναι όταν και οι δύο αντιστάσεις έχουν ρυθμιστεί στο 0. Με άλλα λόγια, όπως φαίνεται στο Σχ. 4 παρακάτω, χρησιμοποιούνται άμεσες συνδέσεις στη θέση των αντιστάσεων.
Το κέρδος είναι ακριβώς ένα σε αυτή την περίπτωση. Αυτό είναι σύμφωνο με τον τύπο κέρδους:
Off = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1
Η είσοδος και η έξοδος είναι πανομοιότυπες. Οι εφαρμογές για αυτό το κύκλωμα ακολούθου μη αναστροφής τάσης περιλαμβάνουν αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης, απομόνωση και προσωρινή μνήμη.
ADDER (Αθροιστικός ενισχυτής)
Ένας αριθμός τάσεων εισόδου θα μπορούσε να προστεθεί χρησιμοποιώντας έναν ενισχυτή λειτουργίας. Όπως φαίνεται στην Εικ. 5 παρακάτω, τα σήματα εισόδου V1, V2,… Vn εφαρμόζονται στον ενισχυτή λειτουργίας μέσω των αντιστάσεων R1, R2,… Rn.
Αυτά τα σήματα στη συνέχεια συνδυάζονται για να παράγουν το σήμα εξόδου, το οποίο ισούται με το άθροισμα των σημάτων εισόδου. Ο ακόλουθος τύπος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της πραγματικής απόδοσης του op-amp ως αθροιστής:
VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))
Δείτε το αρνητικό σύμβολο. Αυτό σημαίνει ότι η έξοδος έχει αντιστραφεί (η πολικότητα αντιστρέφεται). Με άλλα λόγια, αυτό το κύκλωμα είναι ένας αναστροφικός αθροιστής.
Το κύκλωμα μπορεί να αλλάξει ώστε να λειτουργεί ως μη αντιστρεφόμενος αθροιστής αλλάζοντας τις συνδέσεις στις εισόδους αναστροφής και μη αναστροφής του op-amp, όπως φαίνεται στο Σχ. 6 παρακάτω.
Η εξίσωση εξόδου θα μπορούσε να γίνει απλούστερη υποθέτοντας ότι όλες οι αντιστάσεις εισόδου έχουν ίδιες τιμές.
VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)
ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ
Το Σχ. 7 παραπάνω απεικονίζει το βασικό κύκλωμα ενός διαφορικού ενισχυτή. Οι τιμές των στοιχείων ρυθμίζονται έτσι ώστε R1 = R2 και R3 = R4. Επομένως, η απόδοση του κυκλώματος μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:
VOUT = VIN 2 - VIN 1
Μόνο εφόσον ο ενισχυτής λειτουργίας μπορεί να δεχτεί ότι οι είσοδοι 1 και 2 έχουν διαφορετική σύνθετη αντίσταση (η είσοδος 1 έχει σύνθετη αντίσταση R1 και η είσοδος 2 έχει σύνθετη αντίσταση R1 συν R3).
ΠΡΟΣΘΗΚΤΗΣ/ΥΦΑΙΡΕΤΗΣ
Το Σχήμα 8 παραπάνω απεικονίζει τη διαμόρφωση για ένα κύκλωμα αθροιστή/αφαιρετικού ενισχυτή. Σε περίπτωση που τα R1 και R2 έχουν τις ίδιες τιμές και τα R3 και R4 ορίζονται επίσης στις ίδιες τιμές, τότε:
VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)
Με άλλα λόγια, Vout = V3 + V4 είναι το σύνολο των εισόδων V3 και V4 ενώ είναι η αφαίρεση των εισόδων V1 και V2. Οι τιμές για τα R1, R2, R3 και R4 επιλέγονται για να ταιριάζουν με τα χαρακτηριστικά του ενισχυτή λειτουργίας. Το R5 πρέπει να είναι ίσο με R3 και R4 και το R6 πρέπει να είναι ίσο με R1 και R2.
ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΗΣ
Απλές λειτουργίες πολλαπλασιασμού μπορούν να γίνουν με το κύκλωμα που φαίνεται στο Σχ. 9 παραπάνω. Λάβετε υπόψη ότι αυτό είναι το ίδιο κύκλωμα όπως στο Σχ. 1. Για να επιτευχθεί σταθερό κέρδος (και στη συνέχεια πολλαπλασιασμός της τάσης εισόδου στην αναλογία R2/R1) και ακριβή αποτελέσματα, αντιστάσεις ακριβείας με τις προδιαγραφόμενες τιμές για τα R1 και R2 πρέπει να χρησιμοποιηθεί. Συγκεκριμένα, η φάση εξόδου αναστρέφεται από αυτό το κύκλωμα. Η τάση στην έξοδο θα είναι ίση με:
VOUT = - (VIN x Off)
όπου Av είναι το κέρδος, όπως προσδιορίζεται από τα R1 και R2. Το VOUT και το VIN είναι οι τάσεις εξόδου και εισόδου, αντίστοιχα.
Όπως φαίνεται στο Σχ. 10 παραπάνω, η σταθερά πολλαπλασιασμού μπορεί να τροποποιηθεί εάν το R2 είναι μεταβλητή αντίσταση (ποτενσιόμετρο). Γύρω από τον άξονα ελέγχου μπορείτε να τοποθετήσετε έναν επιλογέα βαθμονόμησης με σημάδια για διάφορα κοινά κέρδη. Η σταθερά πολλαπλασιασμού μπορεί να διαβαστεί απευθείας από αυτόν τον επιλογέα χρησιμοποιώντας μια βαθμονομημένη ένδειξη.
ΟΛΟΚΛΗΡΩΤΗΣ
Ένας οπ-ενισχυτής θα λειτουργήσει, τουλάχιστον, θεωρητικά ως ολοκληρωτής όταν η αναστροφική είσοδος συνδέεται με την έξοδο μέσω ενός πυκνωτή.
Όπως υποδεικνύεται στο Σχ. 11 παραπάνω, μια παράλληλη αντίσταση πρέπει να συνδεθεί κατά μήκος αυτού του πυκνωτή για να διατηρείται σταθερότητα DC. Αυτό το κύκλωμα εφαρμόζει την ακόλουθη σχέση για την ολοκλήρωση του σήματος εισόδου:
Η τιμή του R2 θα πρέπει να επιλεγεί για να ταιριάζει με τις παραμέτρους του ενισχυτή, έτσι ώστε:
VOUT = R2/R1 x VIN
ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΣ
Το κύκλωμα ενισχυτή διαφορικού περιλαμβάνει έναν πυκνωτή στη γραμμή εισόδου που συνδέεται με την είσοδο αναστροφής και μια αντίσταση που συνδέει αυτήν την είσοδο με την έξοδο. Ωστόσο, αυτό το κύκλωμα έχει σαφή όρια, επομένως μια προτιμώμενη ρύθμιση θα ήταν να παραλληλίζονται η αντίσταση και ο πυκνωτής όπως απεικονίζεται στο Σχ. 12 παραπάνω.
Η ακόλουθη εξίσωση καθορίζει πόσο καλά λειτουργεί αυτό το κύκλωμα:
VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt
ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ LOG
Το θεμελιώδες κύκλωμα (Εικ. 13 παραπάνω) χρησιμοποιεί ένα τρανζίστορ NPN και έναν ενισχυτή λειτουργίας για να δημιουργήσει μια έξοδο ανάλογη με το ημερολόγιο της εισόδου:
VOUT = (- k ημερολόγιο 10 ) ΠΑΡ/ΠΑΡ Ο
Το «ανεστραμμένο» κύκλωμα, που λειτουργεί ως θεμελιώδης ενισχυτής αντι-log, απεικονίζεται στο κάτω διάγραμμα. Τυπικά, ο πυκνωτής είναι χαμηλής τιμής (π.χ. 20 pF).
ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΗΧΟΥ
Ένας ενισχυτής λειτουργίας, είναι ουσιαστικά ένας ενισχυτής συνεχούς ρεύματος, αλλά μπορεί επίσης να εφαρμοστεί για εφαρμογές εναλλασσόμενου ρεύματος. Ένας απλός ενισχυτής ήχου φαίνεται στο Σχήμα 14 παραπάνω.
ΜΙΚΤΗΣ ΗΧΟΥ
Σε αυτό το κύκλωμα φαίνεται μια τροποποίηση του ενισχυτή ήχου (Εικ. 15 παραπάνω). Μπορείτε να δείτε πώς μοιάζει με το κύκλωμα αθροιστή στην Εικ. 5. Τα διαφορετικά σήματα εισόδου αναμειγνύονται ή συγχωνεύονται. Το ποτενσιόμετρο εισόδου κάθε σήματος εισόδου επιτρέπει τη ρύθμιση της στάθμης. Οι σχετικές αναλογίες των διαφορετικών σημάτων εισόδου στην έξοδο μπορούν έτσι να ρυθμιστούν από τον χρήστη.
ΔΙΧΑΣΤΗΣ ΣΗΜΑΤΟΣ
Το κύκλωμα διαχωριστή σήματος που φαίνεται στο Σχ. 16 παραπάνω είναι ακριβώς το αντίθετο ενός μείκτη. Ένα μόνο σήμα εξόδου χωρίζεται σε πολλές πανομοιότυπες εξόδους που τροφοδοτούν διάφορες εισόδους. Οι πολλαπλές γραμμές σήματος διαχωρίζονται η μία από την άλλη χρησιμοποιώντας αυτό το κύκλωμα. Για να ρυθμίσετε το απαιτούμενο επίπεδο, κάθε γραμμή εξόδου περιλαμβάνει ξεχωριστό ποτενσιόμετρο.
ΜΕΤΑΤΡΟΠΟΣ ΤΑΣΗ ΣΤΟ ΡΕΥΜΑ
Το κύκλωμα που παρουσιάζεται στο Σχ. 17 παραπάνω θα κάνει την σύνθετη αντίσταση φορτίου R2 και R1 να βιώσουν την ίδια ροή ρεύματος.
Η τιμή αυτού του ρεύματος θα είναι ανάλογη με την τάση του σήματος εισόδου και ανεξάρτητη από το φορτίο.
Ωστόσο, λόγω της υψηλής αντίστασης εισόδου που παρέχεται από τον μη αναστροφικό ακροδέκτη, το ρεύμα θα είναι σχετικά χαμηλής τιμής. Αυτό το ρεύμα έχει μια τιμή που είναι ευθέως ανάλογη του VIN/R1.
ΜΕΤΑΤΡΟΠΟΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΣΕ ΤΑΣΗ
Εάν η τάση εξόδου είναι ίση με IIN x R2 και χρησιμοποιείται ο σχεδιασμός (Εικ. 18 παραπάνω), το ρεύμα του σήματος εισόδου μπορεί να ρέει κατευθείαν μέσω της αντίστασης ανάδρασης R2.
Για να το θέσω αλλιώς, το ρεύμα εισόδου μετατρέπεται σε μια ανάλογη τάση εξόδου.
Το κύκλωμα πόλωσης που δημιουργείται στην είσοδο αναστροφής θέτει ένα χαμηλότερο όριο στη ροή του ρεύματος, το οποίο εμποδίζει τη διέλευση οποιουδήποτε ρεύματος μέσω του R2. Για την εξάλειψη του 'θορύβου', μπορεί να προστεθεί ένας πυκνωτής σε αυτό το κύκλωμα όπως φαίνεται στο σχήμα.
ΤΡΕΧΟΥΣΑ ΠΗΓΗ
Το παραπάνω σχήμα 19 δείχνει πώς ένας ενισχυτής λειτουργίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν πηγή ρεύματος. Οι τιμές των αντιστάσεων μπορούν να υπολογιστούν χρησιμοποιώντας τις ακόλουθες εξισώσεις:
R1 = R2
R3 = R4 + R5
Το ρεύμα εξόδου μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:
Iout = (R3 x VIN) / (R1 x R5)
ΠΟΛΥΔΟΝΗΤΗΣ
Μπορείτε να προσαρμόσετε έναν ενισχυτή λειτουργίας για χρήση ως πολυδονητή. Το Σχ. 20 παραπάνω δείχνει δύο θεμελιώδη κυκλώματα. Η σχεδίαση στο επάνω αριστερό μέρος είναι ένας ελεύθερος (σταθερός) πολυδονητής, του οποίου η συχνότητα ελέγχεται από:
Ένα μονοσταθερό κύκλωμα πολυδονητή που μπορεί να ενεργοποιηθεί από μια είσοδο παλμού τετραγωνικού κύματος φαίνεται στο κάτω δεξιά διάγραμμα. Οι τιμές εξαρτημάτων που παρέχονται αφορούν έναν ενισχυτή CA741.
ΤΕΤΡΑΓΩΝΙΚΗ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΚΥΜΑΤΩΝ
Το Σχ. 21 παραπάνω απεικονίζει ένα λειτουργικό κύκλωμα γεννήτριας τετραγωνικών κυμάτων που επικεντρώνεται γύρω από έναν ενισχυτή λειτουργίας. Αυτό το κύκλωμα γεννήτριας τετραγωνικών κυμάτων θα μπορούσε ενδεχομένως να είναι το πιο απλό. Χρειάζονται μόνο τρεις εξωτερικές αντιστάσεις και ένας πυκνωτής εκτός από τον ίδιο τον ενισχυτή λειτουργίας.
Τα δύο κύρια στοιχεία που καθορίζουν τη χρονική σταθερά του κυκλώματος (συχνότητα εξόδου) είναι η αντίσταση R1 και ο πυκνωτής C1. Ωστόσο, η σύνδεση θετικής ανάδρασης που βασίζεται σε R2 και R3 έχει επίσης αντίκτυπο στη συχνότητα εξόδου. Αν και οι εξισώσεις είναι συχνά κάπως περίπλοκες, μπορούν να γίνουν απλούστερες για συγκεκριμένους λόγους R3/R2. Για απεικόνιση:
Εάν R3/R2 ≈ 1,0 τότε F ≈ 0,5/(R1/C1)
ή,
Αν R3/R2 ≈ 10 τότε F ≈ 5/(R1/C1)
Η πιο πρακτική μέθοδος είναι να χρησιμοποιήσετε μία από αυτές τις τυπικές αναλογίες και να αλλάξετε τις τιμές των R1 και C1 για να επιτευχθεί η απαιτούμενη συχνότητα. Για τα R2 και R3, μπορούν να χρησιμοποιηθούν συμβατικές τιμές. Για παράδειγμα, η αναλογία R3/R2 θα είναι 10 εάν R2 = 10K και R3 = 100K, επομένως:
F = 5/(R1/C1)
Στις περισσότερες περιπτώσεις, θα γνωρίζουμε ήδη την απαιτούμενη συχνότητα και θα χρειαστεί μόνο να επιλέξουμε τις κατάλληλες τιμές στοιχείων. Η απλούστερη μέθοδος είναι να επιλέξετε πρώτα μια τιμή C1 που φαίνεται λογική και στη συνέχεια να αναδιατάξετε την εξίσωση για να βρείτε το R1:
R1 = 5/(F x C1)
Ας δούμε ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα συχνότητας 1200 Hz που αναζητούμε. Εάν το C1 είναι συνδεδεμένο σε έναν πυκνωτή 0,22uF, τότε το R1 θα πρέπει να έχει την τιμή όπως απεικονίζεται στον ακόλουθο τύπο:
R1 = 5/(1200 x 0.00000022) = 5/0.000264 = 18,940 Ω
Μια τυπική αντίσταση 18Κ μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην πλειονότητα των εφαρμογών. Ένα ποτενσιόμετρο μπορεί να προστεθεί σε σειρά με το R1 για να αυξηθεί η χρησιμότητα και η προσαρμοστικότητα αυτού του κυκλώματος, όπως φαίνεται στο Σχ. 22 παρακάτω. Αυτό καθιστά δυνατή τη χειροκίνητη ρύθμιση της συχνότητας εξόδου.
Για αυτό το κύκλωμα, χρησιμοποιούνται οι ίδιοι υπολογισμοί, ωστόσο η τιμή του R1 αλλάζει για να ταιριάζει με τον σειριακό συνδυασμό της σταθερής αντίστασης R1a και τη ρυθμισμένη τιμή του ποτενσιόμετρου R1b:
R1 = R1a + R1b
Η σταθερή αντίσταση εισάγεται για να διασφαλιστεί ότι η τιμή του R1 δεν θα πέσει ποτέ στο μηδέν. Το εύρος των συχνοτήτων εξόδου καθορίζεται από τη σταθερή τιμή του R1a και την υψηλότερη αντίσταση του R1b.
ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΜΕΤΑΒΛΗΤΟΥ ΠΛΑΤΟΣ ΠΑΛΜΩΝ
Ένα τετράγωνο κύμα είναι εντελώς συμμετρικό. Ο κύκλος λειτουργίας του σήματος τετραγωνικού κύματος ορίζεται ως ο λόγος του χρόνου υψηλού επιπέδου προς τον συνολικό χρόνο κύκλου. Τα τετραγωνικά κύματα έχουν εξ ορισμού κύκλο λειτουργίας 1:2.
Με μόνο δύο ακόμη στοιχεία, η γεννήτρια τετραγωνικών κυμάτων από την προηγούμενη ενότητα μπορεί να μετατραπεί σε μια γεννήτρια ορθογώνιων κυμάτων. Το Σχ. 23 παραπάνω απεικονίζει το ενημερωμένο κύκλωμα.
Η δίοδος D1 περιορίζει τη διέλευση ρεύματος μέσω του R4 σε αρνητικούς μισούς κύκλους. Τα R1 και C1 αποτελούν τη σταθερά χρόνου όπως εκφράζεται στην ακόλουθη εξίσωση:
T1 = 5/(2C1 x R1)
Ωστόσο, σε θετικούς μισούς κύκλους, η δίοδος επιτρέπεται να αγώγει και ο παράλληλος συνδυασμός R1 και R4 μαζί με C1 ορίζει τη σταθερά χρόνου, όπως φαίνεται στον ακόλουθο υπολογισμό:
T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))
Το συνολικό μήκος κύκλου είναι μόνο το σύνολο των δύο σταθερών χρόνου μισού κύκλου:
Tt = T1 + T2
Η συχνότητα εξόδου είναι το αντίστροφο της συνολικής χρονικής σταθεράς ολόκληρου του κύκλου:
F = 1/Tt
Εδώ ο κύκλος λειτουργίας δεν θα είναι ίσος με 1:2 επειδή η σταθερά χρόνου για τα τμήματα υψηλού και χαμηλού επιπέδου του κύκλου θα διαφέρει. Ως αποτέλεσμα θα δημιουργηθούν ασύμμετρες κυματομορφές. Είναι δυνατό να κάνετε τα R1 ή R4 ρυθμιζόμενα, ή ακόμα και τα δύο, αλλά να γνωρίζετε ότι κάτι τέτοιο θα άλλαζε τόσο τη συχνότητα εξόδου όσο και τον κύκλο λειτουργίας.
ΤΑΛΑΝΤΩΤΗΣ ΗΜΙΤΟΝΟΜΙΚΟΥ ΚΥΜΑΤΟΣ
Το ημιτονοειδές κύμα, το οποίο φαίνεται στο Σχ. 24 παρακάτω, είναι το πιο βασικό από όλα τα σήματα εναλλασσόμενου ρεύματος.
Δεν υπάρχει απολύτως κανένα αρμονικό περιεχόμενο σε αυτό το εξαιρετικά καθαρό σήμα. Υπάρχει μόνο μία θεμελιώδης συχνότητα σε ένα ημιτονοειδές κύμα. Στην πραγματικότητα, η δημιουργία ενός εντελώς καθαρού ημιτονοειδούς κύματος χωρίς παραμόρφωση είναι μάλλον δύσκολη. Ευτυχώς, χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα ταλαντωτή χτισμένο γύρω από έναν ενισχυτή op-amp, μπορούμε να φτάσουμε αρκετά κοντά σε μια βέλτιστη κυματομορφή.
Το Σχ. 25 παραπάνω απεικονίζει ένα συμβατικό κύκλωμα ταλαντωτή ημιτονικού κύματος που ενσωματώνει έναν op-amp. Ένα κύκλωμα twin-T που χρησιμεύει ως φίλτρο απόρριψης ζώνης (ή εγκοπή) χρησιμεύει ως το δίκτυο ανάδρασης. Ο πυκνωτής C1 και οι αντιστάσεις R1 και R2 συνθέτουν το ένα T. C2, C3, R3 και R4 συνθέτουν το άλλο T. Το σχηματικό το δείχνει αντίστροφο. Οι τιμές των στοιχείων πρέπει να έχουν τις ακόλουθες σχέσεις για να λειτουργεί σωστά αυτό το κύκλωμα:
Ο ακόλουθος τύπος καθορίζει τη συχνότητα εξόδου:
F = 1/(6,28 x R1 x C2)
Αλλάζοντας την τιμή του R4, ο συντονισμός του δικτύου ανάδρασης twin-T θα μπορούσε να τροποποιηθεί κάπως. Συνήθως, αυτό θα μπορούσε να είναι ένα μικροσκοπικό ποτενσιόμετρο. Το ποτενσιόμετρο ρυθμίζεται στην υψηλότερη αντίστασή του και στη συνέχεια μειώνεται σταδιακά έως ότου το κύκλωμα απλώς αιωρείται στα όρια της ταλάντωσης. Το ημιτονοειδές κύμα εξόδου μπορεί να καταστραφεί εάν η αντίσταση ρυθμιστεί πολύ χαμηλά.
SCHMITT TRIGGER
Από τεχνική άποψη, μια σκανδάλη Schmitt μπορεί να αναφέρεται ως αναγεννητικός συγκριτής. Η κύρια λειτουργία του είναι να μετατρέπει μια τάση εισόδου που μεταβάλλεται αργά σε σήμα εξόδου, σε μια συγκεκριμένη τάση εισόδου.
Για να το θέσουμε διαφορετικά, έχει μια ιδιότητα 'οπισθοδρόμησης' που ονομάζεται υστέρηση η οποία λειτουργεί σαν 'σκανδάλη' τάσης. Ο ενισχυτής λειτουργίας γίνεται το βασικό δομικό στοιχείο για τη λειτουργία σκανδάλης Schmitt (βλ. Εικ. 26 παραπάνω). Οι ακόλουθοι παράγοντες καθορίζουν την τάση ενεργοποίησης ή διακοπής:
ΣΕ ταξίδι = (V έξω x R1) / (-R1 + R2)
Σε αυτόν τον τύπο κυκλώματος, η υστέρηση είναι διπλάσια από την τάση διακοπής.
Στο Σχ. 27 παρακάτω, απεικονίζεται ένα άλλο κύκλωμα σκανδάλης Schmitt. Σε αυτό το κύκλωμα, η έξοδος λέγεται ότι «πυροδοτείται» όταν η είσοδος συνεχούς ρεύματος χτυπήσει περίπου το ένα πέμπτο της τάσης τροφοδοσίας.
Η τάση τροφοδοσίας μπορεί να είναι μεταξύ 6 και 15 βολτ, επομένως ανάλογα με την επιλεγμένη τάση τροφοδοσίας, η σκανδάλη μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να λειτουργεί στα 1,2 έως 3 βολτ. Εάν είναι απαραίτητο, το πραγματικό σημείο ενεργοποίησης θα μπορούσε επίσης να τροποποιηθεί τροποποιώντας την τιμή του R4.
Η έξοδος θα είναι ίδια με την τάση τροφοδοσίας μόλις ενεργοποιηθεί. Εάν η έξοδος είναι συνδεδεμένη σε λαμπτήρα πυρακτώσεως ή LED (μέσω μιας σειράς αντίστασης έρματος), η λυχνία (ή LED) θα ανάψει μόλις η τάση εισόδου φτάσει στην τιμή ενεργοποίησης, υποδεικνύοντας ότι αυτό το ακριβές επίπεδο τάσης έχει επιτευχθεί στην είσοδο.
Τυλίγοντας
Αυτά ήταν μερικά βασικά κυκλώματα ενισχυτή με επεξηγημένες τις παραμέτρους τους. Ελπίζω να έχετε κατανοήσει όλα τα χαρακτηριστικά και τους τύπους που σχετίζονται με έναν ενισχυτή op.
Εάν διαθέτετε οποιοδήποτε άλλο βασικό σχέδιο κυκλώματος ενισχυτή λειτουργιών που πιστεύετε ότι πρέπει να συμπεριληφθεί στο παραπάνω άρθρο, μη διστάσετε να το αναφέρετε μέσω των σχολίων σας παρακάτω.
