Dlaczego wzmacniacze operacyjne są tak często stosowane w analogowej elektronice?

Przeczytałem w kilku książkach i spostrzeżeniach spostrzeżenie: „Wzmacniacze operacyjne to chleb powszedni analogowej elektroniki” lub „… wzmacniacze operacyjne są najczęściej spotykanym składnikiem elementów w obwodach analogowych ...” ten efekt.

Chociaż moje doświadczenie nie jest wystarczająco szerokie, aby zgodzić się z tym twierdzeniem lub je obalić, z pewnością znalazło to potwierdzenie w obwodach, które widziałem.

Powoduje, że myślę, że brakuje mi czegoś fundamentalnego, aby wyjaśnić, dlaczego taki komponent może być czymś w rodzaju pętli „for” w programowaniu lub czymś innym, podstawowym wzorcem, który raz dostępny, znajduje wszechobecną aplikację.

Co takiego jest w podstawowej naturze elektroniki analogowej, która sprawia, że ​​wzmacniacz operacyjny spełnia tak podstawowy i wszechstronny wzór?

Wzmacniacze operacyjne są bardzo zbliżone do idealnych wzmacniaczy różnicowych. Tak więc prawdziwe pytanie brzmi: co jest takiego wspaniałego we wzmacniaczach? Istnieją (przynajmniej!) Trzy odpowiedzi.

Po pierwsze, oczywiste - wzmacniacze pozwalają zmienić amplitudę sygnału. Jeśli masz mały sygnał (powiedzmy z przetwornika), wzmacniacz pozwala podnieść jego napięcie do użytecznego poziomu. Wzmacniacze mogą również zmniejszać amplitudę sygnału, co może być przydatne na przykład w celu dopasowania go do zakresu przetwornika ADC.

Wzmacniacze mogą również buforować sygnał. Mają wysoką impedancję po stronie wejściowej i niską impedancję po stronie wyjściowej. Umożliwia to dostarczenie słabego sygnału źródłowego do dużego obciążenia.

Wreszcie ujemne sprzężenie zwrotne pozwala wzmacniaczom filtrować sygnał. Tak zwane filtry aktywne (wykorzystujące wzmacniacze) są znacznie bardziej elastyczne i wydajniejsze niż filtry pasywne (które wykorzystują wyłącznie rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne). Powinienem również wspomnieć o oscylatorach , które są wykonane przy użyciu wzmacniaczy z filtrowanym sprzężeniem zwrotnym.

Kontrola amplitudy, buforowanie i filtrowanie to trzy najczęstsze rzeczy, które można zrobić z sygnałami analogowymi. Mówiąc bardziej ogólnie, wzmacniacze mogą być wykorzystywane do realizacji wielu rodzajów funkcji przesyłania , które są podstawowymi opisami matematycznymi zadań przetwarzania sygnałów. Tak więc wzmacniacze są wszędzie.

Dlaczego w szczególności wzmacniacze operacyjne? Jak powiedziałem, wzmacniacze operacyjne są zasadniczo wzmacniaczami wysokiej jakości. Ich kluczowe cechy to:

• Bardzo wysoki zysk różnicowy (czasami nawet 1 000 000!)
• Bardzo wysoka impedancja wejściowa (terahm przy niskiej częstotliwości dla wzmacniaczy operacyjnych z wejściem FET)
• Bardzo wysoki współczynnik odrzucania w trybie wspólnym (zwykle> 1000)

Te cechy oznaczają, że zachowanie wzmacniacza jest prawie całkowicie determinowane przez obwód sprzężenia zwrotnego. Sprzężenie zwrotne odbywa się za pomocą elementów pasywnych, takich jak rezystory, które są znacznie lepiej zachowane niż tranzystory. Spróbuj symulować prosty wspólny wzmacniacz emitera dla napięcia i temperatury - to nie jest świetne.

Dzięki nowoczesnym ulepszeniom układów scalonych, wzmacniacze operacyjne są tanie, wydajne i łatwo dostępne. O ile nie potrzebujesz ekstremalnej wydajności (wysoka moc, bardzo wysoka częstotliwość), nie ma już większego powodu, aby wybierać dyskretne wzmacniacze tranzystorowe.

Wzmacniacz operacyjny to trzy 5 podstawowych narzędzi w jednym (jeśli nie więcej).

• Najpierw urządzenie porównujące, takie jak instrukcja if else (if a > b, output = a, else b).

• Drugi bufor (in = 1, out = 1, refreshed).

• Po trzecie wzmacniacz, jak multiplikator (in = 1, out = 10).

• Po czwarte , przesunięcie fazowe / opóźnienie (in = x, out = x + 1).

• Po piąte , falownik (in = x, out = 1/x).

Zazwyczaj są bardzo wszechstronne i mogą dostosować się do wielu obwodów w razie potrzeby.

Zasadniczo, gdy sygnał jest przetwarzany przez analogowe elementy dyskretne, jego amplituda - napięcie - spada. Wzmacniacz operacyjny może buforować i wzmacniać sygnał analogowy, zapewniając, że będzie on czytelny lub przydatny na końcu.

Nawiasem mówiąc, pętla for byłaby licznikiem. Licznik dekady działa jak for (i = 0, i < 10, i++)pętla.

Niektóre z kluczowych zalet wzmacniacza operacyjnego to

wysoka impedancja wejściowa : Ze względu na wysoką impedancję wejściową wzmacniacz operacyjny nie obciąża nadmiernie poprzedniego obwodu. Sam wzmacniacz operacyjny może mieć impedancję wejściową w 10 lub 100 gigabitach. Obwód sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego będzie prawdopodobnie miał niższą impedancję wejściową, ale wysoka impedancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego pozwala na całkowite ustawienie tego przez inne elementy.

niska impedancja wyjściowa : Ze względu na niską impedancję wyjściową obwód wzmacniacza operacyjnego może generalnie napędzać inny obwód wzmacniacza operacyjnego (lub ADC lub ...) bez obciążenia wpływającego na jego zachowanie.

wysokie wzmocnienie : wysokie wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego pozwala na wykorzystanie go w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego, tak że zachowanie obwodu jest zdominowane przez elementy sprzężenia zwrotnego, a nie wzmacniacz operacyjny. To znaczy

1. Często tylko kilka precyzyjnych elementów jest wymaganych w obwodzie sprzężenia zwrotnego, aby uzyskać precyzyjne działanie z całego obwodu.

2. Ponieważ zachowanie obwodu jest kontrolowane przez obwód sprzężenia zwrotnego, wzmacniacz operacyjny może być używany z wieloma różnymi elementami sprzężenia zwrotnego w celu osiągnięcia różnych funkcji, takich jak wzmocnienie, różnicowanie, integracja, wzmocnienie logarytmiczne itp. (Może to być kluczowy powód, dla którego op -ampy mają taką „wszechobecną aplikację”).

Myślę, że prawdziwa odpowiedź jest znacznie prostsza niż te dostarczone przez innych (choć tak naprawdę są) - wzmacniacze operacyjne pozwalają po prostu zbudować wszystkie „legos” potrzebne do bardziej zaawansowanego obwodu, patrz https: //en.wikipedia .org / wiki / Operational_amplifier # Aplikacje po więcej szczegółów. Dzięki wzmacniaczowi operacyjnemu możesz uzyskać (niewyczerpująca lista!):

• bufor napięcia / prądu,
• komparator (nawet z histerezą),
• aktywny wzmacniacz (zarówno odwracający, jak i nieodwracający),
• idealna dioda,
• filtr aktywny (w tym aplikacje integrujące / różnicujące),
• aktywny prostownik,
• aktywne bloki matematyczne (np. suma, diff, ply, div),
• syntezator falowy (kwadrat, tri, piła, nawet VCO),
• DAC i ADC,
• przetwornik impedancji,
• żyrator
• ... i wiele innych.

To więcej niż wszystko, czego prawdopodobnie będziesz potrzebować do niezbędnego przetwarzania analogowego - a niektóre z tych rzeczy są również odpowiednie do przetwarzania cyfrowego. Jako takie, wzmacniacze operacyjne są tutaj zarówno chlebem, jak i masłem.

Ponadto można łatwo uzyskać np. 2 lub 4 z nich w jednym małym pakiecie ze wspólnymi liniami zasilania napięciem i ich charakterystyką działania (zbliżoną do idealnego komponentu do wielu praktycznych zastosowań i dość dobrze dopasowaną do wzmacniaczy operacyjnych w jednym pakiecie również ) umożliwiają korzystanie z nich bez większego problemu związanego z dyskretnymi obwodami analogowymi (dioda / BJT / FET) (np. polaryzacja, spadek napięcia, kompensacja temperatury itp.) - umożliwiając projektowanie prostszych, usprawnionych i łatwiejszych w utrzymaniu obwodów, z mniejszą liczbą części i łatwiejsze rozwiązywanie problemów.

Wybranie jednego konkretnego elementu elektronicznego i nazwanie go „chlebem z masłem” jest głupie, podobnie jak wszystkie te „najważniejsze” stwierdzenia. Na przykład policz rezystory w obwodach analogowych i jestem pewien, że przekonasz się, że znacznie przewyższa liczbę wzmacniaczy.

Także rzeczy się zmieniają. Był czas, kiedy lampy próżniowe były głupim „najważniejszym” laikiem lub „chlebem z masłem” komponentu analogowej elektroniki, a następnie tranzystora.

Nigdy nie musisz używać opampa, ale może to być najbardziej efektywny sposób implementacji obwodu do konkretnej specyfikacji. W końcu opampy są wykonane z tranzystorów, więc można zamiast tego użyć kilku tranzystorów (z kilkoma innymi komponentami).

Atrakcją opampów jest to, że zawierają one wspólny i łatwy w użyciu element budulcowy. Dzięki magii układów scalonych te bloki konstrukcyjne mogą czasami mieć wielkość i koszt pojedynczych tranzystorów. Każdy opamp może być przesadą dla dowolnego konkretnego zastosowania, ale duża dźwignia produkowanych masowo układów scalonych pozwala im być tani i wystarczająco mały, tak że zwykle jest tańsze i mniejsze użycie całego opampa, gdy tylko kilka jego tranzystorów faktycznie być potrzebnym.

Aby użyć analogii z pętlą FOR w języku programowania, tak naprawdę nie trzeba używać tej konstrukcji. Możesz samodzielnie inicjować, zwiększać i sprawdzać zmienną za pomocą jawnego kodu. Czasami robisz to, gdy chcesz robić specjalne rzeczy, a konstrukt FOR w puszce jest zbyt sztywny. Jednak przez większość czasu wygodniej i mniej podatnie na błędy jest użycie konstrukcji FOR dla pętli. Podobnie jak w przypadku opamps, możesz nie korzystać ze wszystkich funkcji tego konstruktora wysokiego poziomu w każdym przypadku, ale jego prostota sprawia, że ​​warto. Na przykład większość języków pozwala, aby przyrost był inny niż 1, ale prawdopodobnie używasz tego rzadko.

W przeciwieństwie do konstrukcji FOR, nie ma kompilatora, który optymalizuje opamp w obwodzie dyskretnym tylko do funkcji wymaganych w tym przypadku. Ogromną zaletą wolumenu produkcji układów scalonych jest jednak to, że te funkcje są znacznie mniejsze niż równowartość kilku dodatkowych instrukcji w pętli FOR. Pomyśl o opampach bardziej jak o pełnej funkcjonalnej pętli FOR zaimplementowanej w zestawie instrukcji, która wymaga tych samych instrukcji, aby wykonać, czy wszystkie jego funkcje są używane, czy też nie, i mniej instrukcji niż musiałbyś użyć w innym przypadku, nawet w prostych przypadkach.

Opampy to paczka tranzystorów, które stanowią „ładny” element konstrukcyjny i zostały udostępnione kosztem jednego lub kilku tranzystorów. To nie tylko oszczędza czas w projektowaniu, aby poradzić sobie z całym polaryzowaniem tranzystorów itp., Ale można zastosować techniki wytwarzania, aby zagwarantować dobre dopasowanie między tranzystorami i które pozwalają na pomiary i przycinanie parametrów bliżej ideału. Na przykład, możesz zrobić różnicowy przód z dwoma tranzystorami, ale obniżenie napięcia przesunięcia wejściowego do zaledwie kilku mV nie jest trywialne.

Cała inżynieria opiera się na wykorzystaniu dostępnych elementów budulcowych w pewnym momencie, a opampy są użytecznym elementem budulcowym dla obwodów analogowych. Tak naprawdę nie różni się to od używania tranzystorów. Wiele procesów poświęcono na udoskonalenie krzemu, domieszkowanie go, cięcie go, pakowanie i testowanie, co uważamy za pewnik jako dyskretny tranzystor. Opampy są bardziej zintegrowane niż pojedyncze tranzystory, ale nadal są dość „niskim” poziomem w schemacie rzeczy.

Wracając do analogii oprogramowania, jest to to samo, co użycie istniejących podprogramów, aby rozpocząć pisanie kodu dla konkretnej aplikacji. W przypadku wywołań systemu operacyjnego nie masz możliwości ich użycia. To byłoby jak rafinowanie własnego krzemu. Opampy to bardziej wygodne rozmowy, które można napisać samemu, ale w większości przypadków byłoby to głupie. Na przykład prawdopodobnie musiałeś wiele razy konwertować liczbę całkowitą na ciąg dziesiętny ASCII, ale ile razy napisałeś do tego swój własny kod? Prawdopodobnie użyłeś do tego wywołań biblioteki wykonawczej lub nawet domyślnie wywołałeś konstrukcje wyższego poziomu dostępne w twoim języku (jak printf w C).

Idealny opamp ma nieskończoną impedancję wejściową, 0 offset, 0 impedancję wyjściową, nieskończoną szerokość pasma i kosztuje 0 USD. Żaden opamp nie jest idealny, a te i inne parametry mają różne względne znaczenie w różnych projektach. Dlatego jest tak wiele opampsów. Każdy jest zoptymalizowany pod kątem innego zestawu kompromisów. Na przykład czasami słyszysz, że LM324 jest „gównianym” opampem. To wcale nie jest prawda. To świetny opamp, gdy cena ma wysoki priorytet. Gdy przesunięcie o kilka mV, wzmocnienie 1 MHz * szerokość pasma itp. Jest wystarczająco dobre, wszystko inne jest po prostu zawyżonym kosztem.

Jeśli chodzi o komentarz „To sprawia, że ​​myślę, że brakuje mi czegoś fundamentalnego, aby wyjaśnić, dlaczego taki element może być czymś w rodzaju„ pętli ”:

Być może szukasz analogicznej koncepcji w elektronice do koncepcji Turinga kompletnego z informatyki lub koncepcji kompletności funkcjonalnej znalezionej w algebrze boolowskiej (a więc i logice cyfrowej).

O ile wiem, w obwodach analogowych nie ma koncepcji „kompletności”, w której wszystkie obwody można uzyskać z zestawu podstawowych elementów składowych ...

Istnieją pewne zasady dotyczące obwodów analogowych, które napotkasz podczas studiowania teorii systemów, w szczególności układów niezmienniczych w czasie liniowym.

Mam nadzieję, że to pomaga, ale może nie być to, czego szukasz.

Istnieje wiele przypadków, zarówno w elektronice analogowej, jak i cyfrowej, w których można zdefiniować (ale nie zbudować) idealny komponent, a następnie zaprojektować obwód, który spełni wymagania, jeśli zostanie zbudowany z komponentów, które mieszczą się w pewnej tolerancji idealnej. Rozumowanie projektów z komponentami, które mają uproszczone zachowania idealne, jest często łatwiejsze niż rozumowanie projektów z wykorzystaniem komponentów rzeczywistych o bardziej skomplikowanych zachowaniach rzeczywistych.

W wielu przypadkach możliwe będzie modelowanie projektu przy użyciu komponentów świata rzeczywistego, przypisanie dopuszczalnych tolerancji sygnałom na każdym etapie projektu, a następnie wykazanie, że elementy świata rzeczywistego, jeśli podano dowolną kombinację danych wejściowych, które mieszczą się w zakresie określonej tolerancji dla tych sygnałów wytworzy wyjścia, które mieszczą się w tolerancji określonej dla tych sygnałów. W przypadkach, w których jest to możliwe, takie przypisanie wartości tolerancji często pozwoli uniknąć potrzeby bardziej szczegółowej analizy.

Jednym z powodów, dla których wzmacniacze operacyjne są tak popularne, jest to, że w pewnym sensie istnieje jedno wyraźne „idealne zachowanie” dla wzmacniacza operacyjnego i łatwo jest scharakteryzować pewne odchylenia od tego zachowania. Jeśli wzmacniacz różnicowy ma mieć wzmocnienie wejściowe różnicowe 10: 1, należy sobie poradzić z możliwością, że część rzeczywista może mieć wzmocnienie większe niż idealne lub mniejsze niż idealne. Ponieważ wzmocnienie idealnego wzmacniacza operacyjnego jest nieskończone, rzeczywiste wzmacniacze operacyjne przeznaczone do wzmocnienia będą generalnie miały niższe wzmocnienie [niektóre urządzenia, zwłaszcza te przeznaczone do stosowania jako komparatory, mogą mieć histerezę, którą można postrzegać jako wzmocnienie przekraczające wzmocnienie idealny wzmacniacz operacyjny]. Rozumowanie urządzeń rzeczywistych, które mogą odbiegać od ideału tylko w jednym kierunku, jest często łatwiejsze niż rozumowanie urządzeń, które mogą różnić się w dwóch kierunkach.

Izolacja, dopasowanie impedancji, skalowanie, konwersja poziomu, pozyskiwanie dużych ilości prądu w porównaniu z komponentami cyfrowymi i generowanie sygnału są powszechnymi zastosowaniami dla wzmacniaczy operacyjnych.

Przeanalizuj podstawowe konfiguracje wzmacniaczy operacyjnych, aby przekonać się, dlaczego są tak popularne w projektowaniu analogowym, szczególnie w roli oscylatora i warunkowania sygnału.

Wiele lat temu użyłem odwracającego wzmacniacza operacyjnego ze wzmocnieniem, aby utworzyć konwerter RS-232 / MIL-188C w celu ponownego wykorzystania niektórych danych ze starego Teletype Modelu AT&T Model 40 za pomocą komputera opartego na 386 z uruchomionym niestandardowym programem QuickBasic 4.0.

Są niezastąpione jako izolacja wejściowa i skalowanie frontu do cyfrowego przetwarzania sygnału i mogą wykonywać sprytne zadania, takie jak konwersja napięcia na prąd i / lub częstotliwość iz powrotem.

Myślę, że zdanie „chleb i masło” brzmi uzupełniająco do roli, opamp może być bardzo dobrym przedłużeniem obwodów, w których każdy obwód ma specjalizację.

Na przykład jest stosowany jako integrator i dyferencjator w dziedzinie kontroli i regulacji, które inaczej są lepiej znane jako filtry górnoprzepustowe i dolnoprzepustowe.

Można go również ustawić na stabilne oscylacje, ponieważ ich moc wyjściowa jest w dużej mierze wzmacniana przez wzmocnienie wzmacniacza, wystarczy użyć małego sygnału wejściowego, aby ustawić opamp w oscylacji za pomocą pozytywnego sprzężenia zwrotnego, najlepszym przykładem są Schmitt Triggers, które następnie można wykorzystać w eliminacji szumów, dlatego tworzą obwody takie jak oscylatory Bistable i MonoStable, które dodatkowo nadają im uzupełniającą rolę w 555 zegarach .

Komparator wykorzystuje swój wspólny tryb napięcia, tak naprawdę opamp ma kaskadowy wzmacniacz różnicowy, po którym następuje aktywne obciążenie zwierciadła prądowego, na jego wejściu, co daje mu specjalizację jako komparator, który może porównywać wejścia. Większość jego zastosowań to w oparciu o tę właściwość zasilanie z podwójną szyną napędza obwód bezpośrednio w pobliżu przeciwnych napięć.

Ponieważ ograniczniki prądu w obwodach, w których stosowane są kondensatory, aby zapobiec powolnemu rozładowaniu, są izolowane przez te wzmacniacze przez ich wysoką impedancję wejściową, dzięki czemu utrzymują ładunek, co daje im niezłą komplementarną rolę w szybkich obwodach przełączania i trzymania