Základní metoda analýzy operačních zesilovačů: virtuální otevřený obvod, virtuální zkrat. Pro neznámé aplikace operačních zesilovačů použijte tuto základní metodu analýzy.
Operační zesilovače jsou široce používaná zařízení. Po připojení k vhodným zpětnovazebním sítím je lze použít jako přesné střídavé a stejnosměrné zesilovače, aktivní filtry, oscilátory a komparátory napětí.
- Aplikace operačních zesilovačů v aktivní filtraci
Obrázek výše znázorňuje typický aktivní filtrační obvod (Saron-Kaylův obvod, typ Butterworthova obvodu). Výhodou aktivního filtrování je, že dokáže signály vyšší než mezní frekvence rychleji ubývat a filtrační charakteristiky nevyžadují vysokou kapacitu a odpor.
Konstrukční body tohoto obvodu jsou: za podmínky splnění příslušné mezní frekvence by měly být hodnoty odporu R233 a R230 zvoleny co nejkonzistentněji a kapacita C50 a C201 by měla být zvolena co nejkonzistentněji (pokud jsou hodnoty odporu a kapacity dvoustupňového RC obvodu stejné, nazývá se to obvod Saron-Kayl), aby bylo možné normalizovat typy součástek a zároveň splnit filtrační výkon. Mezi nimi rezistor R280 zabraňuje pozastavení vstupu, které by způsobilo abnormální výstup operačního zesilovače.
Tři nejčastěji používané obvody aktivních dolních propustí druhého řádu pro filtrování jsou: Butterworthův, monotónně klesající, s plochou a nejhladší křivkou;
Nejpoužívanějším obvodem v Butterworthově dolní propustné filtraci je Saron-Kaylův obvod, což je simulovaný obvod.
U filtru potřebujete znát jeho mezní frekvenci, nebo můžete zapsat přenosovou funkci a frekvenční odezvu.
Pokud má filtr také zesilovací funkci, je potřeba znát zisk filtru.
Pokud jsou hodnoty odporu a kapacity dvoustupňového RC obvodu stejné, nazývá se Serenkův obvod. Do aktivního obvodu druhého řádu je zavedena negativní zpětná vazba, která způsobí rychlý pokles výstupního napětí ve vysokofrekvenčním rozsahu.
Zisk v propustném pásmu aktivního dolnoprůchodového filtru druhého řádu je 1+Rf/R1, což je stejné jako u dolnoprůchodového filtru prvního řádu;
Všimněte si, že jednotka m je ohm a jednotka N je u.
Mezní frekvence se tedy vypočítá jako
Čebyšev, rychle se rozpadající, ale s vlnkami v propustném pásmu;
Besselův (eliptický), fázový posun je úměrný frekvenci a skupinové zpoždění je v podstatě konstantní.
2. Použití operačního zesilovače v komparátoru napětí
Tento obvod je ve skutečnosti kombinací komparátoru s průchodem nulou a obvodu hlubokého zesilovače.
Výstup je zesílen pomocí (1+R292/R273). Čím vyšší je zesilovací faktor, tím strmější je náběžná hrana obdélníkového signálu.
V tomto obvodu je také klíčová hodnota odporu součástky, které je třeba věnovat pozornost, a to R275, který určuje rychlost nárůstu obdélníkového signálu.
3. Návrh obvodu zdroje konstantního proudu
Jak je znázorněno na obrázku, proces analýzy principu konstantního proudu je následující:
U5B (spodní operační zesilovač na obrázku výše) je napěťový sledovač, takže V1=V4;
Podle principu virtuálního zkratu operačního zesilovače platí pro operační zesilovač U4A (horní operační zesilovač na obrázku výše): V3 = V5;
Kombinací výše uvedených rovnic dostaneme:
Pokud je referenční napětí Vref fixní na 1.8 V, rezistor R30 má hodnotu 3.6 a proudový výstup je konstantní na hodnotě 0.5 mA.
Tento obvod zdroje konstantního proudu lze použít k návrhu zdrojů konstantního proudu i pro jiné proudy. Základní myšlenka je: všechny rezistory musí používat vysoce přesné rezistory s konzistentními hodnotami odporu. Vstupní referenční napětí (pomocí speciálního čipu referenčního napětí) se vydělí hodnotou odporu, aby se získal výstupní proud.
Ve skutečném použití se však za účelem ochrany obvodu zdroje konstantního proudu obvykle na výstupu zapojují dioda a rezistor sériově. První výhodou je zabránění vnějšímu rušení vstupu do obvodu zdroje konstantního proudu, které by mohlo způsobit jeho poškození, a za druhé, zabránění zkratu externí zátěže, aby nedošlo k poškození obvodu zdroje konstantního proudu.
5. Obvod pro měření tepelného odporu
Obvod na obrázku výše je typický měřicí obvod s tepelným odporem/článkem. Princip měření je následující: k zátěži je připojen zdroj konstantního proudu 1–10 mA, který na ní generuje určité napětí, a toto napětí je aktivně filtrováno. Po zpracování je signál upraven (zesílení nebo zeslabení signálu) a nakonec je signál odeslán do rozhraní ADC.
Při použití tohoto obvodu věnujte pozornost ochraně na vstupu. TVS lze zapojit paralelně, ale věnujte pozornost vlivu kondenzátorů na přesnost měření. Samozřejmě, v některých případech s nízkými náklady lze výše uvedené schéma zapojení zjednodušit na následující obvod.
Při použití operačních zesilovačů se běžně používá napěťový sledovač. Výhody tohoto obvodu jsou: za prvé, snižuje vliv zátěže na zdroj signálu; za druhé, zlepšuje schopnost signálu přenášet zátěž.
7. Použití jediného zdroje napájení
V reálném používání operačních zesilovačů se obvykle používají duální napájecí zdroje, aby se zachovaly frekvenční charakteristiky operačních zesilovačů. Někdy však v reálném použití máme pouze jeden napájecí zdroj a můžeme dosáhnout normálního provozu operačního zesilovače.
Nejprve použijeme obvod sledovače operačního zesilovače k vytvoření děliče napětí VCC/2:
Samozřejmě, pokud požadavky nejsou příliš vysoké, můžeme napětí přímo dělit rezistory a získat tak +VCC/2, ale vzhledem k vlastnostem dělení napětí rezistory bude jeho dynamická odezva velmi pomalá, proto jej používejte s opatrností.
Po dosažení +VCC/2 můžeme použít jeden zdroj napájení k dosažení funkce zesílení signálu, jak je znázorněno níže:
V tomto obvodu je R66 = R67//R68 a výstupní zesílení signálu je G = -R67/R68.
Konkrétní aplikace je znázorněna na obrázku níže: operační zesilovač je napájen jedním +5V_AD a napětí čipu AD je 3.3 V (získané referenčním napětím REF3033). 3.3 V je děleno rezistory a následováno operačním zesilovačem, čímž se získá 1.65 V, které je přivedeno na fázový vstup operačního zesilovače.
