WEBVTT

00:00:01.280 --> 00:00:03.400
Witam w Fundamentalnych Piątkach,

00:00:03.400 --> 00:00:08.750
Dzisiaj przyjrzymy się wzmacniaczom operacyjnym,
lub w skrócie OPAMPAmi

00:00:08.750 --> 00:00:13.930
Są to niezwykle istotne elementy, dlatego niezmiernie istotne jest to, żebyś zrozumiał, jak działają.

00:00:13.941 --> 00:00:17.451
Są dwie drogi, żeby nauczyć się, jak one działają:

00:00:17.451 --> 00:00:23.861
Pierwsza to taka - zakręcona. Nie chcesz tego robić w ten sposób, bo jest do kitu.

00:00:23.861 --> 00:00:28.521
Pozbądźmy się więc tego i nauczmy się ich drogą dużo łatwiejszą.

00:00:28.521 --> 00:00:31.791
Więc to to jest OPAMP lub wzmacniacz operacyjny?

00:00:31.791 --> 00:00:39.371
Nazwa wzmacniacz operacyjny pochodzi od tego, że zostały one zbudowane, aby wykonywać operacje matematyczne.

00:00:39.371 --> 00:00:41.481
Stąd nazwa - wzmacniacz operacyjny.

00:00:41.493 --> 00:00:47.603
Jeszcze wtedy nie było czegoś takiego jak komputer cyfrowy, więc używano ich do konstruowania komputerów analogowych.

00:00:47.603 --> 00:00:55.923
Analogowe operacje matematyczne: dodawanie, odejmowanie, całkowanie, różniczkowanie itp., nawet bardzo skomplikowane działania matematyczne

00:00:55.923 --> 00:01:02.143
opampy mogą wykonać sprzętowo - bez cyfrowego, programowego cholerstwa.

00:01:03.339 --> 00:01:09.949
Dzisiaj nie mamy już analogowych komputerów, ale nadal używamy opampów do wykonywania operacji matematycznych.

00:01:09.949 --> 00:01:20.419
Możesz całkować za pomocą opampa, możesz sumować itd, więc są naprawdę przydatnymi elementami.

00:01:20.419 --> 00:01:28.249
Przyjrzymy się wzmacniaczom operacyjnym jako elementom, jak sama nazwa mówi, wzmacniaczom, ponieważ do tego celu są najczęściej wykorzystywane.

00:01:28.249 --> 00:01:31.309
Najprawdopodobniej również Ty będziesz je wykorzystywał do tego celu najczęściej.

00:01:31.309 --> 00:01:38.929
Opamp jest to - ogólnie rzecz biorąc - wzmacniacz, Tak, może być użyty do operacji matematycznych, ale wszystkie drogi prowadzą do tego,

00:01:38.929 --> 00:01:48.989
że jest to wzmacniacz różnicowy. Ma dwa wejścia, wyjście. Posiada również wewnętrzne wzmocnienie.

00:01:48.989 --> 00:01:51.359
Ponieważ wzmacniacze - mają wzmocnienie ;)

00:01:51.359 --> 00:01:59.799
Opamp oblicza różnicę pomiędzy wejściami i mnoży przez wewnętrzny współczynnik wzmocnienia, nazywany wzmocnieniem pętli otwartej.

00:01:59.799 --> 00:02:09.359
Wynik operacji jest podawany na wyjście wzmacniacza. Ale... opampy tak naprawdę nie mogą być używane jako wzmacniacze różnicowe same z siebie.

00:02:09.359 --> 00:02:14.909
Nawet pomimo tego, że zostały do tego stworzone. To mylące, jednak to istotny aspekt, który powinieneś zrozumieć.

00:02:14.909 --> 00:02:18.909
Więc dlaczego opamp nie może być użyty jako wzmacniacz różnicowy?

00:02:18.909 --> 00:02:25.939
Sygnał wejściowy, sygnał wyjściowy, wewnętrzne wzmocnienie? Odpowiedzią jest - nie zostały do tego stworzone.

00:02:25.939 --> 00:02:30.429
Może się to wydać dziwne, bo w zasadzie są wzmacniaczami różnicowymi.

00:02:30.429 --> 00:02:38.389
Widziałeś ten schemat - był to wzmacniacz różnicowy z wewnętrznym wzmocnieniem.

00:02:38.525 --> 00:02:48.835
Ale - hej, dajmy spokój wzmacniaczowi różnicowemu, nawet nie powinienem o nim wspominać. Jednak jest istotne, żeby zrozumieć, jak tak właściwie działa opamp.

00:02:48.835 --> 00:03:00.015
Powodem, dlaczego nie działa jako wzmacniacz różnicowy jest to, że wzmocnienie wewnętrzne jest gigantyczne - to pierwsza rzecz, którą powinieneś zapamiętać.

00:03:01.379 --> 00:03:08.449
Może nie jest nieskończenie wielkie, ale możesz myśleć w tych wartościach - miliony razy.

00:03:08.595 --> 00:03:11.385
W większości not katalogowych nawet nie ma podanego takiego parametru.

00:03:11.385 --> 00:03:19.391
Jeżeli się spróbujemy użyć opampa bez zewnętrznych komponentów i podać napięcie o różnicy jednego miliwolta

00:03:19.772 --> 00:03:27.082
wzmocnienie jest tak duże, że ten układ do niczego nam się nie przyda. [wzmocnienie z pętlą otwartą jest w granicach 100 000 razy]

00:03:27.090 --> 00:03:34.350
Dlatego nigdy nie zobaczysz opampa bez zewnętrznych obwodów, lub czegoś, co jest nazwane "negatywnym sprzężeniem zwrotnym".

00:03:34.350 --> 00:03:39.520
Sprowadza nas to do do pierwszego, praktycznego przykładu wykorzystania opampa - komparatora.

00:03:39.520 --> 00:03:42.790
Jednak zanim spojrzymy na to, rozejrzyjmy się po oznaczeniach opampa.

00:03:42.790 --> 00:03:55.600
Opamp jest rysowany jako trójkąt, ma dwa wejścia, jedno wyjście. Może być czasami odwrócony, w zależności od tego, jak będzie lepiej wyglądać na schemacie i jak przepływają sygnały.

00:03:55.602 --> 00:04:05.852
Jednak jest to dokładnie to samo. Pozytywne wejście jest nazywane "wejściem nieodwracającym" - łatwe do zapamiętania - jest pozytywne.

00:04:05.859 --> 00:04:17.129
Wejście odwracające jest również łatwe do zapamiętania, bo jest ujemne - a minus odwraca. Takiej terminologii powinieneś używać , odwołując się do opampa,

00:04:17.129 --> 00:04:20.839
Bardzo istotne jest, żeby korzystać z właściwej terminologii, w przeciwnym wypadku możesz brzmieć nieco niepoważnie.

00:04:20.839 --> 00:04:28.459
Ma wyjście - proste - i dwa piny zasilania - pozytywne i negatywne, do czego jeszcze dojdziemy.

00:04:28.459 --> 00:04:39.669
Wspominałem, że wewnętrzne wzmocnienie wzmacniacza jest gigantyczne, niemal nieskończone, więc co się stanie jeżeli podłączymy napięcie do wejścia?

00:04:39.669 --> 00:04:49.299
Załóżmy, że mamy 1V na wejściu odwracającym i na wejściu nieodwracającym 1.01V - czyli lekka różnica pomiędzy potencjałami na wejściu.

00:04:49.299 --> 00:04:59.249
10mV lub nawet 1mV w stosunku do wejścia odwracającego. Wzmacniacz wzmocni, lub będzie próbował wzmocnić różnicę pomiędzy potencjałami na wejściu.

00:04:59.249 --> 00:05:06.689
Więc wyjście powinno być milion razy większe niż 1 mV.

00:05:06.689 --> 00:05:16.509
Opamp będzie próbował ustawić na wyjściu tysiące lub dziesiątki tysięcy woltów. Ale... nie może tego zrobić, bo cały obwód jest zasilany z 5, 10 lub 15V

00:05:16.509 --> 00:05:19.109
Wyjście nasyci się.

00:05:19.109 --> 00:05:31.369
Jeżeli mamy 1V tutaj, i 1.001V tutaj, wyjście opampa powędruje w górę do napięcia zasilania układu.

00:05:31.369 --> 00:05:36.879
Nasyci się i będzie miało potencjał dodatniego zasilania układu. Zbudowaliśmy właśnie komparator.

00:05:36.879 --> 00:05:44.559
Jeżeli odwrócimy napięcia na wejściu, kiedy napięcie na wyjściu nieodwracającym będzie lekko większe niż na wyjściu odwracającym,

00:05:44.559 --> 00:05:56.529
nawet o ułamek wolta - bingo! Potencjał wyjścia momentalnie zmieni się na ujemny.

00:05:56.529 --> 00:06:06.819
Możesz więc zobaczyć, że opamp używany jest jako komparator. Będzie to bardzo nieprecyzyjny komparator, możesz go użyć w ten sposób,

00:06:06.819 --> 00:06:13.399
ale nie będzie on tak dobry jak prawdziwy komparator, jaki możesz kupić. Są one zaprojektowane, aby być świetnymi komparatorami.

00:06:13.399 --> 00:06:25.739
Mimo wszystko możesz użyć opampa jako komparatora. Tak się zachowuje, jeżeli podłączych opampa beż sprzężenia zwrotnego. Konfiguracja taka nazywana jest "otwartą pętlą"

00:06:25.739 --> 00:06:36.829
Nie ma pętli. Pętla jest otwarta, ale za chwile ją zamkniemy. Opamp w konfiguracji otwartej pętli jest po prostu komparatorem.

00:06:36.829 --> 00:06:44.279
Pierwszą część mamy już z głowy - dziwną konfigurację komparatora, jak na opampa.

00:06:44.279 --> 00:06:50.489
Przyjrzyjmy się zagadnieniu, gdzie opampy stają się naprawdę przydatne jako poprawne wzmacniacze.

00:06:50.489 --> 00:06:59.359
By to osiągnąć, jak już wcześniej wspominałem, musimy przejść z konfiguracji w otwartej pętli do dodatnia ujemnego sprzężenia zwrotnego.

00:06:59.359 --> 00:07:02.209
Jak sama koszulka mówi.

00:07:02.213 --> 00:07:07.783
Jak już to zrobisz opampy stają się niewiarygodnie przydatnymi urządzeniami.

00:07:07.783 --> 00:07:16.183
Opampami rządzą dwie zasady. To wszystko co musisz zapamiętać. To fantastyczne, jak proste są.

00:07:16.183 --> 00:07:23.173
Jeśli zapamiętasz te dwie zasady, możesz przeanalizować praktycznie każdy układ zbudowany na bazie opampa.

00:07:23.173 --> 00:07:27.173
Zapewne nie będziesz mógł zagłębić się w szczególiki jak wydajność/skuteczność opampa,

00:07:27.173 --> 00:07:33.353
ale spoglądając na schemat będziesz wiedział jak działa dany układ. Te dwie zasady są bardzo proste:

00:07:33.353 --> 00:07:48.363
Zasada numer 1: prąd nie wpływa ani nie wypływa z wejść opampa. Nigdy. To wszystko.

00:07:48.382 --> 00:07:56.022
Nic nie wpływa ani nie wypływa z wejść opampa niezależnie od tego, jak podłączysz obwód - czy jako komparator z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego,

00:07:56.022 --> 00:08:03.752
który widzieliśmy wcześniej, czy z pętlą sprzężenia zwrotnego - odwracającą lub nieodwracającą, na którą patrzymy.

00:08:03.752 --> 00:08:05.842
Nic nie wpływa ani nie wypływa.

00:08:05.842 --> 00:08:18.082
Zasada numer 2: zasada ta ma zastosowanie tylko wtedy, jeżeli masz układ ze sprzężeniem zwrotnym. Nie ma zastosowania z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego.

00:08:18.082 --> 00:08:23.122
Dlatego wytłumaczyłem komparator na samym początku, nawet kosztem tego, że czasami może być mylące zaczynanie w ten sposób.

00:08:23.122 --> 00:08:30.612
Większość ludzi rozpoczyna od wytłumaczenia tych dwóch zasad. Jednak chciałem pokazać Ci komparator na początku, ponieważ chciałem pokazać, że

00:08:30.612 --> 00:08:38.832
zasada numer dwa ma zastosowanie tylko wtedy, kiedy zastosowane jest ujemne sprzężenie zwrotne.

00:08:38.832 --> 00:08:48.412
Zasada numer 2 mówi, że opamp robi wewnętrznie wszystko co może,

00:08:48.412 --> 00:08:53.082
żeby zatrzymać potencjał na wejściach taki sam.

00:08:53.082 --> 00:09:02.972
Opamp nie może zmienić napięcia na wejściu. To są wejścia, nie ma szans, żeby wysterować wejścia do z poziomu opampa i zatrzymać takie samo napięcie.

00:09:02.972 --> 00:09:10.312
Ale może to zrobić przez sprzężenie zwrotne, dlatego ta zasada odnosi się tylko do konfiguracji ze sprzężeniem zwrotnym.

00:09:10.312 --> 00:09:21.202
Opamp ma kontrolę tylko nad swoim wyjściem, ale jeżeli masz sprzężenie zwrotne, opamp zmieni napięcie wyjściowe tak, aby napięcia wejściowe były takie same.

00:09:21.202 --> 00:09:31.372
To bardzo ważna zasada. Jeżeli zobaczysz zamkniętą pętlę możesz być niemal całkowicie pewny, że owa zasada będzie miała zastosowanie.

00:09:31.372 --> 00:09:40.792
Mając na uwadze te dwie zasady, przyjrzyjmy się najprostszej konfiguracji opampa. W tym celu niepotrzebne nam żadne zewnętrzne komponenty.

00:09:40.792 --> 00:09:51.222
Mamy wyjście podpięte do wejścia odwracającego wzmacniacza. Podajemy sygnał na wejście dodatnie, czyli nieodwracające.

00:09:51.222 --> 00:09:54.302
Taki układ nazywa się buforem.

00:09:54.302 --> 00:09:59.732
Używając naszych dwóch zasad bardzo łatwo przeanalizować ten schemat.

00:09:59.732 --> 00:10:13.662
Zajmijmy się na początku tylko prądem stałym - opampy mogą działać zarówno z prądem stałym, jak i prądem zmiennym. Bardzo istotna właściwość.

00:10:17.352 --> 00:10:23.342
Podajemy 1V na wejście nieodwracające. Co dostaniemy na wyjściu?

00:10:23.342 --> 00:10:31.792
Spójrz na zasadę numer 2 - zawsze ma zastosowanie, jeżeli tylko widzisz pętlę sprzężenia zwrotnego.

00:10:31.792 --> 00:10:36.402
"Opamp stara się utrzymać jednakowe napięcie na obu wejściach."

00:10:36.402 --> 00:10:42.042
Przez to na wejściu odwracającym będzie takiego samo napięcie, jak na wejściu nieodwracającym.

00:10:42.042 --> 00:10:47.882
Opamp wysteruje swoje wyjście tak, aby oba wejścia były o takich samych potencjałach.

00:10:47.882 --> 00:10:53.332
Mamy więc 1V na wejściu nieodwracającym, będziemy mieć 1V na wejściu odwracającym, a ponieważ wyjście jest połączone z wejściem kawałkiem kabelka,

00:10:53.332 --> 00:11:02.152
wyjście będzie miało potencjał 1V - dlatego nazywa się to buforem. Nie jest wzmacniaczem, ponieważ nie ma wzmocznienia - 1V na wejściu i 1V na wyjściu.

00:11:02.152 --> 00:11:11.192
-1V na wejściu, -1V na wyjściu. Jakikolwiek jest potencjał wejścia, będzie wyjście, oczywiście w granicach zasilania układu.

00:11:11.192 --> 00:11:20.182
Jaki z tego pożytek? Zasada numer 1: żaden prąd nie wpływa ani nie wypływa z wejścia opampa. Prąd nie wpływa do wejścia odwracającego.

00:11:20.182 --> 00:11:35.632
Więc jeżeli masz obciążenie, np. czujnik lub cokolwiek takiego. Może to być filtr dolnoprzepustowy, do którego doprowadzasz sygnał PWM z mikrokontrolera

00:11:35.632 --> 00:11:46.222
I chcesz zbuforować napięcie z wyjścia filtra - ponieważ do wejścia nie wpływa żaden prąd, opamp nie będzie zniekształcał wyjścia czujnika lub filtra.

00:11:46.222 --> 00:11:53.942
Ma tzw. wejście o wysokiej impedancji. Można powiedzieć, że w zasadzie to "przerwa", więc nie będzie zniekształcał sygnału, który jest do niego podłączony.

00:11:53.942 --> 00:12:04.802
Opamp ma wyjście o niskiej impedancji, więc wyjście możemy wysterować rozsądną wartością prądu - miliampy, dziesiątki mA,

00:12:04.802 --> 00:12:10.212
niektóre opampy mocy są w stanie dostarczyć kilkaset mA.

00:12:10.212 --> 00:12:17.372
Dlatego właśnie opamp buforuje sygnał dużej impedancji i dostarcza wyjście o niskiej impedancji.

00:12:17.372 --> 00:12:22.342
Pozawala Ci sterować obwody, kiedy sygnałem wejściowym jest sygnał, który jest wrażliwy na zniekształcenia.

00:12:22.342 --> 00:12:26.342
Całkiem proste, bardzo użyteczna konfiguracja - bufor.

00:12:26.342 --> 00:12:31.425
Następną konfiguracją, jakiej się przyjrzymy, będzie wzmacniacz nieodwracający. Tutaj ujażmimy tą bestię, której wzmocnienie jest gigantyczne

00:12:31.425 --> 00:12:36.508
i zmienia się wraz z temperaturą

00:12:36.508 --> 00:12:40.762
i zmienia się wraz z temperaturą - okropna sprawa.

00:12:40.762 --> 00:12:45.042
Tak czy siak - opamp ma wzmocnienie, które jest kompletnie nieużyteczne,

00:12:45.042 --> 00:12:51.942
ale jako opamp z jednym wejściem - to znaczy, że mamy jedno wejście, a drugie jest napięciem odniesienia w stosunku do masy.

00:12:51.942 --> 00:13:01.322
Możemy użyć opampa jako wzmacniacza z jednym wejściem i zmniejszyć wzmocnienie dodając negatywne sprzężenie zwrotne.

00:13:01.322 --> 00:13:08.392
Nie będę wyjaśniał, jak działają dodatnie czy ujemne sprzężenia zwrotne ponieważ jest to zagadnienie dużo bardziej zaawansowane.

00:13:08.392 --> 00:13:16.322
Dodajemy rezystor na miejsce naszego kabelka i jeszcze jeden rezystor do masy.

00:13:16.322 --> 00:13:28.812
Teraz wejście odwracające dostaje tylko niewielką część potencjału wyjścia. Rezystor Rf ma zawsze większą rezystancję niż R1.

00:13:28.812 --> 00:13:34.522
Mamy więc po prostu dzielnik napięcia, który oddaje część napięcia wyjściowego na wejście.

00:13:34.522 --> 00:13:41.942
Właśnie to jest negatywne sprzężenie zwrotne - bierzesz część napięcia wyjśćowego i wprowadzasz go do wejścia.

00:13:41.942 --> 00:13:48.262
Prosty wzór, który musisz zapamiętać dla wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym.

00:13:48.262 --> 00:13:58.212
Nie będę próbował go wyprowadzać, ale wzmocnienie tego układu, zwane Av.

00:13:58.212 --> 00:14:08.092
Av=Rf/R1+1

00:14:08.092 --> 00:14:20.112
Proste - jeżeli Rf=9k i R1=1k, który jest podłączony do masy, nasze wzmocnienie będzie równe 10.

00:14:20.112 --> 00:14:25.742
Jeżeli więc podany napięcie 1V na wejście, dostaniemy 10V na wyjściu - proste.

00:14:25.742 --> 00:14:34.392
Ponieważ mamy pozytywną i negatywną gałąź zasilania, do czego jeszcze dojdziemy, możem podać na wejście sygnał zarówno zmienny, jak i stały w stosunku do masy.

00:14:34.392 --> 00:14:39.242
Możemy więc podać -1V na wejście i otrzymać -10V na wyjściu.

00:14:39.242 --> 00:14:45.292
To podstawowa konfiguracja wzmacniacza z ujemną pętlą sprzężenia zwrotnego.

00:14:45.292 --> 00:14:52.402
Możesz spotkać inne, dziwne konfiguracje z kondensatorami, na razie nie będziemy się w to zagłębiać,

00:14:52.402 --> 00:14:59.562
ale konfiguracja jest taka sama - jeżeli zobaczysz, że podawany jest sygnał na wejście nieodwracające,

00:14:59.562 --> 00:15:07.722
a wyjście jest wprowadzone do wejścia odwracającego, to wiesz, że jest to wzmacniacz nieodwracający i wzór ma zastosowanie.