Grundlegende Analysemethode für Operationsverstärker: virtueller Leerlauf, virtueller Kurzschluss. Verwenden Sie diese grundlegende Analysemethode für unbekannte Operationsverstärker-Anwendungsschaltungen.
Operationsverstärker sind weit verbreitete Bauelemente. Angeschlossen an entsprechende Rückkopplungsnetzwerke können sie als Präzisions-AC- und DC-Verstärker, aktive Filter, Oszillatoren und Spannungskomparatoren eingesetzt werden.
- Anwendung von Operationsverstärkern in der aktiven Filterung
Die obige Abbildung zeigt eine typische aktive Filterschaltung (Saron-Kayl-Schaltung, eine Art Butterworth-Schaltung). Der Vorteil der aktiven Filterung besteht darin, dass Signale oberhalb der Grenzfrequenz schneller abklingen können und die Filtereigenschaften keine hohen Kapazitäten und Widerstände erfordern.
Die Konstruktionspunkte dieser Schaltung sind: Unter der Voraussetzung, dass die entsprechende Grenzfrequenz eingehalten wird, sollten die Widerstandswerte von R233 und R230 möglichst konsistent gewählt werden, und die Kapazitäten von C50 und C201 sollten ebenfalls konsistent gewählt werden (wenn die Widerstands- und Kapazitätswerte der zweistufigen RC-Schaltung gleich sind, spricht man von einer Saron-Kayl-Schaltung), damit die Gerätetypen unter Einhaltung der Filterleistung normalisiert werden können. Unter anderem verhindert der Widerstand R280 eine Unterbrechung des Eingangs, die zu einer abnormalen Ausgabe des Operationsverstärkers führen würde.
Die drei am häufigsten verwendeten aktiven Tiefpassfilterschaltungen zweiter Ordnung zum Filtern sind: Butterworth, monoton abnehmende, flache und glatteste Kurve;
Die am häufigsten verwendete Tiefpassfilterung von Butterworth ist die Saron-Kayl-Schaltung, also die simulierte Schaltung.
Bei einem Filter müssen Sie dessen Grenzfrequenz kennen, oder Sie können die Übertragungsfunktion und den Frequenzgang aufschreiben.
Wenn der Filter auch über eine Verstärkungsfunktion verfügt, müssen Sie die Verstärkung des Filters kennen.
Wenn die Widerstands- und Kapazitätswerte der zweistufigen RC-Schaltung gleich sind, spricht man von einer Serenka-Schaltung. In die aktive Schaltung zweiter Ordnung wird eine negative Rückkopplung eingeführt, um die Ausgangsspannung im Hochfrequenzbereich schnell abfallen zu lassen.
Die Durchlassbandverstärkung der aktiven Tiefpassfilterschaltung zweiter Ordnung beträgt 1+Rf/R1, was der Verstärkung der Tiefpassfilterschaltung erster Ordnung entspricht.
Beachten Sie, dass die Einheit von m Ohm und die Einheit von N u ist
Die Grenzfrequenz berechnet sich also zu
Tschebyscheff, schnell abklingend, aber mit Wellen im Durchlassbereich;
Bessel (elliptisch), die Phasenverschiebung ist proportional zur Frequenz und die Gruppenverzögerung ist im Wesentlichen konstant.
2. Anwendung des Operationsverstärkers im Spannungskomparator
Diese Schaltung ist eigentlich eine Kombination aus einem Nulldurchgangskomparator und einer Tiefverstärkerschaltung.
Der Ausgang wird mit (1+R292/R273) verstärkt. Je höher der Verstärkungsfaktor, desto steiler ist die ansteigende Flanke der Rechteckwelle.
In dieser Schaltung muss auch auf den Widerstandswert einer Schlüsselkomponente geachtet werden, nämlich R275, der die Anstiegsgeschwindigkeit der Rechteckwelle bestimmt.
3. Entwurf einer Konstantstromquellenschaltung
Wie in der Abbildung dargestellt, läuft die Analyse des Konstantstromprinzips wie folgt ab:
U5B (der untere Operationsverstärker in der obigen Abbildung) ist ein Spannungsfolger, also V1=V4;
Gemäß dem virtuellen Kurzschlussprinzip des Operationsverstärkers gilt für den Operationsverstärker U4A (der obere Operationsverstärker in der obigen Abbildung): V3 = V5;
Wenn wir die obigen Gleichungen kombinieren, erhalten wir:
Wenn die Referenzspannung Vref auf 1.8 V festgelegt ist, beträgt der Widerstand R30 3.6 und die Stromausgabe liegt konstant bei 0.5 mA.
Diese Konstantstromquellenschaltung kann zum Entwurf von Konstantstromquellen für andere Ströme verwendet werden. Die Grundidee ist: Alle Widerstände müssen hochpräzise Widerstände mit konstanten Widerstandswerten sein. Die Eingangsreferenzspannung (mithilfe eines speziellen Referenzspannungschips) wird durch den Widerstandswert geteilt, um den Ausgangsstrom zu erhalten.
In der Praxis werden jedoch zum Schutz der Konstantstromquellenschaltung üblicherweise eine Diode und ein Widerstand am Ausgangsende in Reihe geschaltet. Dies hat zum einen den Vorteil, dass keine externen Störungen in die Konstantstromquellenschaltung eindringen und diese beschädigen können. Zum anderen wird ein Kurzschluss der externen Last verhindert, sodass die Konstantstromquellenschaltung nicht beschädigt wird.
5. Schaltung zur Messung des Wärmewiderstands
Die Schaltung in der obigen Abbildung ist eine typische Messschaltung für thermische Widerstände/Paare. Die Messidee ist: Der Last wird eine Konstantstromquelle (1–10 mA) hinzugefügt, die eine bestimmte Spannung an der Last erzeugt und diese aktiv gefiltert wird. Nach der Verarbeitung wird das Signal angepasst (Signalverstärkung oder -dämpfung) und schließlich an die ADC-Schnittstelle gesendet.
Achten Sie bei Verwendung dieser Schaltung auf den Schutz am Eingang. TVS können parallel geschaltet werden, beachten Sie jedoch den Einfluss von Kondensatoren auf die Messgenauigkeit. In kostengünstigen Fällen kann das obige Schaltbild natürlich wie folgt vereinfacht werden:
Bei Operationsverstärkern ist der Spannungsfolger eine häufige Anwendung. Die Vorteile dieser Schaltung liegen darin, dass sie erstens die Belastung der Signalquelle reduziert und zweitens die Belastbarkeit des Signals verbessert.
7.Anwendung einer einzelnen Stromversorgung
Bei der tatsächlichen Verwendung von Operationsverstärkern verwenden wir im Allgemeinen zwei Netzteile, um die Frequenzeigenschaften des Operationsverstärkers aufrechtzuerhalten. Manchmal reicht jedoch im tatsächlichen Einsatz eine einzige Stromversorgung aus, um den normalen Betrieb des Operationsverstärkers zu gewährleisten.
Zunächst verwenden wir die Operationsverstärker-Folgerschaltung, um einen VCC/2-Spannungsteiler zu erreichen:
Wenn die Anforderungen nicht sehr hoch sind, können wir die Spannung natürlich direkt mit Widerständen teilen, um +VCC/2 zu erhalten. Aufgrund der Eigenschaften der Widerstandsspannungsteilung ist die dynamische Reaktionsgeschwindigkeit jedoch sehr langsam. Gehen Sie daher mit Vorsicht vor.
Nachdem wir +VCC/2 erhalten haben, können wir eine einzelne Stromversorgung verwenden, um die Signalverstärkungsfunktion zu erreichen, wie unten gezeigt:
In dieser Schaltung ist R66=R67//R68 und die Ausgangsverstärkung des Signals beträgt G=-R67/R68.
Die spezifische Anwendung ist in der folgenden Abbildung dargestellt: Der Operationsverstärker wird von einem einzelnen +5V_AD gespeist, und die Spannung des AD-Chips beträgt 3.3 V (erhalten vom Referenzspannungschip REF3033). Die 3.3 V werden durch Widerstände geteilt und vom Operationsverstärker weiterverarbeitet, um 1.65 V zu erhalten, die an den phasengleichen Eingangsanschluss des Operationsverstärkers angelegt werden.
