EEVblog #600 - OpAmps Explained - What is an Operational Amplifier?

Witam w Fundamentalnych Piątkach,

Dzisiaj przyjrzymy się wzmacniaczom operacyjnym,
lub w skrócie OPAMPAmi

Są to niezwykle istotne elementy, dlatego niezmiernie istotne jest to, żebyś zrozumiał, jak działają.

Są dwie drogi, żeby nauczyć się, jak one działają:

Pierwsza to taka - zakręcona. Nie chcesz tego robić w ten sposób, bo jest do kitu.

Pozbądźmy się więc tego i nauczmy się ich drogą dużo łatwiejszą.

Więc to to jest OPAMP lub wzmacniacz operacyjny?

Nazwa wzmacniacz operacyjny pochodzi od tego, że zostały one zbudowane, aby wykonywać operacje matematyczne.

Stąd nazwa - wzmacniacz operacyjny.

Jeszcze wtedy nie było czegoś takiego jak komputer cyfrowy, więc używano ich do konstruowania komputerów analogowych.

Analogowe operacje matematyczne: dodawanie, odejmowanie, całkowanie, różniczkowanie itp., nawet bardzo skomplikowane działania matematyczne

opampy mogą wykonać sprzętowo - bez cyfrowego, programowego cholerstwa.

Dzisiaj nie mamy już analogowych komputerów, ale nadal używamy opampów do wykonywania operacji matematycznych.

Możesz całkować za pomocą opampa, możesz sumować itd, więc są naprawdę przydatnymi elementami.

Przyjrzymy się wzmacniaczom operacyjnym jako elementom, jak sama nazwa mówi, wzmacniaczom, ponieważ do tego celu są najczęściej wykorzystywane.

Najprawdopodobniej również Ty będziesz je wykorzystywał do tego celu najczęściej.

Opamp jest to - ogólnie rzecz biorąc - wzmacniacz, Tak, może być użyty do operacji matematycznych, ale wszystkie drogi prowadzą do tego,

że jest to wzmacniacz różnicowy. Ma dwa wejścia, wyjście. Posiada również wewnętrzne wzmocnienie.

Ponieważ wzmacniacze - mają wzmocnienie ;)

Opamp oblicza różnicę pomiędzy wejściami i mnoży przez wewnętrzny współczynnik wzmocnienia, nazywany wzmocnieniem pętli otwartej.

Wynik operacji jest podawany na wyjście wzmacniacza. Ale... opampy tak naprawdę nie mogą być używane jako wzmacniacze różnicowe same z siebie.

Nawet pomimo tego, że zostały do tego stworzone. To mylące, jednak to istotny aspekt, który powinieneś zrozumieć.

Więc dlaczego opamp nie może być użyty jako wzmacniacz różnicowy?

Sygnał wejściowy, sygnał wyjściowy, wewnętrzne wzmocnienie? Odpowiedzią jest - nie zostały do tego stworzone.

Może się to wydać dziwne, bo w zasadzie są wzmacniaczami różnicowymi.

Widziałeś ten schemat - był to wzmacniacz różnicowy z wewnętrznym wzmocnieniem.

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

Powodem, dlaczego nie działa jako wzmacniacz różnicowy jest to, że wzmocnienie wewnętrzne jest gigantyczne - to pierwsza rzecz, którą powinieneś zapamiętać.

Może nie jest nieskończenie wielkie, ale możesz myśleć w tych wartościach - miliony razy.

W większości not katalogowych nawet nie ma podanego takiego parametru.

Jeżeli się spróbujemy użyć opampa bez zewnętrznych komponentów i podać napięcie o różnicy jednego miliwolta

wzmocnienie jest tak duże, że ten układ do niczego nam się nie przyda. [wzmocnienie z pętlą otwartą jest w granicach 100 000 razy]

Dlatego nigdy nie zobaczysz opampa bez zewnętrznych obwodów, lub czegoś, co jest nazwane "negatywnym sprzężeniem zwrotnym".

Sprowadza nas to do do pierwszego, praktycznego przykładu wykorzystania opampa - komparatora.

Jednak zanim spojrzymy na to, rozejrzyjmy się po oznaczeniach opampa.

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.

Jednak jest to dokładnie to samo. Pozytywne wejście jest nazywane "wejściem nieodwracającym" - łatwe do zapamiętania - jest pozytywne.

Wejście odwracające jest również łatwe do zapamiętania, bo jest ujemne - a minus odwraca. Takiej terminologii powinieneś używać , odwołując się do opampa,

Bardzo istotne jest, żeby korzystać z właściwej terminologii, w przeciwnym wypadku możesz brzmieć nieco niepoważnie.

Ma wyjście - proste - i dwa piny zasilania - pozytywne i negatywne, do czego jeszcze dojdziemy.

Wspominałem, że wewnętrzne wzmocnienie wzmacniacza jest gigantyczne, niemal nieskończone, więc co się stanie jeżeli podłączymy napięcie do wejścia?

Załóżmy, że mamy 1V na wejściu odwracającym i na wejściu nieodwracającym 1.01V - czyli lekka różnica pomiędzy potencjałami na wejściu.

10mV lub nawet 1mV w stosunku do wejścia odwracającego. Wzmacniacz wzmocni, lub będzie próbował wzmocnić różnicę pomiędzy potencjałami na wejściu.

Więc wyjście powinno być milion razy większe niż 1 mV.

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

Wyjście nasyci się.

Jeżeli mamy 1V tutaj, i 1.001V tutaj, wyjście opampa powędruje w górę do napięcia zasilania układu.

Nasyci się i będzie miało potencjał dodatniego zasilania układu. Zbudowaliśmy właśnie komparator.

Jeżeli odwrócimy napięcia na wejściu, kiedy napięcie na wyjściu nieodwracającym będzie lekko większe niż na wyjściu odwracającym,

nawet o ułamek wolta - bingo! Potencjał wyjścia momentalnie zmieni się na ujemny.

Możesz więc zobaczyć, że opamp używany jest jako komparator. Będzie to bardzo nieprecyzyjny komparator, możesz go użyć w ten sposób,

ale nie będzie on tak dobry jak prawdziwy komparator, jaki możesz kupić. Są one zaprojektowane, aby być świetnymi komparatorami.

Mimo wszystko możesz użyć opampa jako komparatora. Tak się zachowuje, jeżeli podłączych opampa beż sprzężenia zwrotnego. Konfiguracja taka nazywana jest "otwartą pętlą"

Nie ma pętli. Pętla jest otwarta, ale za chwile ją zamkniemy. Opamp w konfiguracji otwartej pętli jest po prostu komparatorem.

Pierwszą część mamy już z głowy - dziwną konfigurację komparatora, jak na opampa.

Przyjrzyjmy się zagadnieniu, gdzie opampy stają się naprawdę przydatne jako poprawne wzmacniacze.

By to osiągnąć, jak już wcześniej wspominałem, musimy przejść z konfiguracji w otwartej pętli do dodatnia ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Jak sama koszulka mówi.

Jak już to zrobisz opampy stają się niewiarygodnie przydatnymi urządzeniami.

Opampami rządzą dwie zasady. To wszystko co musisz zapamiętać. To fantastyczne, jak proste są.

Jeśli zapamiętasz te dwie zasady, możesz przeanalizować praktycznie każdy układ zbudowany na bazie opampa.

Zapewne nie będziesz mógł zagłębić się w szczególiki jak wydajność/skuteczność opampa,

ale spoglądając na schemat będziesz wiedział jak działa dany układ. Te dwie zasady są bardzo proste:

Zasada numer 1: prąd nie wpływa ani nie wypływa z wejść opampa. Nigdy. To wszystko.

Nic nie wpływa ani nie wypływa z wejść opampa niezależnie od tego, jak podłączysz obwód - czy jako komparator z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego,

który widzieliśmy wcześniej, czy z pętlą sprzężenia zwrotnego - odwracającą lub nieodwracającą, na którą patrzymy.

Nic nie wpływa ani nie wypływa.

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

Dlatego wytłumaczyłem komparator na samym początku, nawet kosztem tego, że czasami może być mylące zaczynanie w ten sposób.

Większość ludzi rozpoczyna od wytłumaczenia tych dwóch zasad. Jednak chciałem pokazać Ci komparator na początku, ponieważ chciałem pokazać, że

zasada numer dwa ma zastosowanie tylko wtedy, kiedy zastosowane jest ujemne sprzężenie zwrotne.

Zasada numer 2 mówi, że opamp robi wewnętrznie wszystko co może,

żeby zatrzymać potencjał na wejściach taki sam.

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.

Ale może to zrobić przez sprzężenie zwrotne, dlatego ta zasada odnosi się tylko do konfiguracji ze sprzężeniem zwrotnym.

Opamp ma kontrolę tylko nad swoim wyjściem, ale jeżeli masz sprzężenie zwrotne, opamp zmieni napięcie wyjściowe tak, aby napięcia wejściowe były takie same.

To bardzo ważna zasada. Jeżeli zobaczysz zamkniętą pętlę możesz być niemal całkowicie pewny, że owa zasada będzie miała zastosowanie.

Mając na uwadze te dwie zasady, przyjrzyjmy się najprostszej konfiguracji opampa. W tym celu niepotrzebne nam żadne zewnętrzne komponenty.

Mamy wyjście podpięte do wejścia odwracającego wzmacniacza. Podajemy sygnał na wejście dodatnie, czyli nieodwracające.

Taki układ nazywa się buforem.

Używając naszych dwóch zasad bardzo łatwo przeanalizować ten schemat.

Zajmijmy się na początku tylko prądem stałym - opampy mogą działać zarówno z prądem stałym, jak i prądem zmiennym. Bardzo istotna właściwość.

Podajemy 1V na wejście nieodwracające. Co dostaniemy na wyjściu?

Spójrz na zasadę numer 2 - zawsze ma zastosowanie, jeżeli tylko widzisz pętlę sprzężenia zwrotnego.

"Opamp stara się utrzymać jednakowe napięcie na obu wejściach."

Przez to na wejściu odwracającym będzie takiego samo napięcie, jak na wejściu nieodwracającym.

Opamp wysteruje swoje wyjście tak, aby oba wejścia były o takich samych potencjałach.

Mamy więc 1V na wejściu nieodwracającym, będziemy mieć 1V na wejściu odwracającym, a ponieważ wyjście jest połączone z wejściem kawałkiem kabelka,

wyjście będzie miało potencjał 1V - dlatego nazywa się to buforem. Nie jest wzmacniaczem, ponieważ nie ma wzmocznienia - 1V na wejściu i 1V na wyjściu.

-1V na wejściu, -1V na wyjściu. Jakikolwiek jest potencjał wejścia, będzie wyjście, oczywiście w granicach zasilania układu.

Jaki z tego pożytek? Zasada numer 1: żaden prąd nie wpływa ani nie wypływa z wejścia opampa. Prąd nie wpływa do wejścia odwracającego.

Więc jeżeli masz obciążenie, np. czujnik lub cokolwiek takiego. Może to być filtr dolnoprzepustowy, do którego doprowadzasz sygnał PWM z mikrokontrolera

I chcesz zbuforować napięcie z wyjścia filtra - ponieważ do wejścia nie wpływa żaden prąd, opamp nie będzie zniekształcał wyjścia czujnika lub filtra.

Ma tzw. wejście o wysokiej impedancji. Można powiedzieć, że w zasadzie to "przerwa", więc nie będzie zniekształcał sygnału, który jest do niego podłączony.

Opamp ma wyjście o niskiej impedancji, więc wyjście możemy wysterować rozsądną wartością prądu - miliampy, dziesiątki mA,

niektóre opampy mocy są w stanie dostarczyć kilkaset mA.

Dlatego właśnie opamp buforuje sygnał dużej impedancji i dostarcza wyjście o niskiej impedancji.

Pozawala Ci sterować obwody, kiedy sygnałem wejściowym jest sygnał, który jest wrażliwy na zniekształcenia.

Całkiem proste, bardzo użyteczna konfiguracja - bufor.

Następną konfiguracją, jakiej się przyjrzymy, będzie wzmacniacz nieodwracający. Tutaj ujażmimy tą bestię, której wzmocnienie jest gigantyczne

i zmienia się wraz z temperaturą

i zmienia się wraz z temperaturą - okropna sprawa.

Tak czy siak - opamp ma wzmocnienie, które jest kompletnie nieużyteczne,

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

Możemy użyć opampa jako wzmacniacza z jednym wejściem i zmniejszyć wzmocnienie dodając negatywne sprzężenie zwrotne.

Nie będę wyjaśniał, jak działają dodatnie czy ujemne sprzężenia zwrotne ponieważ jest to zagadnienie dużo bardziej zaawansowane.

Dodajemy rezystor na miejsce naszego kabelka i jeszcze jeden rezystor do masy.

Teraz wejście odwracające dostaje tylko niewielką część potencjału wyjścia. Rezystor Rf ma zawsze większą rezystancję niż R1.

Mamy więc po prostu dzielnik napięcia, który oddaje część napięcia wyjściowego na wejście.

Właśnie to jest negatywne sprzężenie zwrotne - bierzesz część napięcia wyjśćowego i wprowadzasz go do wejścia.

Prosty wzór, który musisz zapamiętać dla wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym.

Nie będę próbował go wyprowadzać, ale wzmocnienie tego układu, zwane Av.

Av=Rf/R1+1

Proste - jeżeli Rf=9k i R1=1k, który jest podłączony do masy, nasze wzmocnienie będzie równe 10.

Jeżeli więc podany napięcie 1V na wejście, dostaniemy 10V na wyjściu - proste.

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.

Możemy więc podać -1V na wejście i otrzymać -10V na wyjściu.

To podstawowa konfiguracja wzmacniacza z ujemną pętlą sprzężenia zwrotnego.

Możesz spotkać inne, dziwne konfiguracje z kondensatorami, na razie nie będziemy się w to zagłębiać,

ale konfiguracja jest taka sama - jeżeli zobaczysz, że podawany jest sygnał na wejście nieodwracające,

a wyjście jest wprowadzone do wejścia odwracającego, to wiesz, że jest to wzmacniacz nieodwracający i wzór ma zastosowanie.