Podstawowa metoda analizy wzmacniaczy operacyjnych: wirtualny obwód otwarty, wirtualny obwód zwarciowy. W przypadku nieznanych obwodów zastosowań wzmacniaczy operacyjnych należy użyć tej podstawowej metody analizy.
Wzmacniacze operacyjne są powszechnie używanymi urządzeniami. Po podłączeniu do odpowiednich sieci sprzężenia zwrotnego mogą być używane jako precyzyjne wzmacniacze AC i DC, filtry aktywne, oscylatory i komparatory napięcia.
- Zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych w filtracji aktywnej
Powyższy rysunek przedstawia typowy obwód filtra aktywnego (obwód Sarona-Kayla, rodzaj obwodu Butterwortha). Zaletą filtrowania aktywnego jest to, że może on powodować szybsze zanikanie sygnałów większych niż częstotliwość odcięcia, a charakterystyki filtrowania nie wymagają dużej pojemności i rezystancji.
Punkty projektowe tego obwodu są następujące: pod warunkiem spełnienia odpowiedniej częstotliwości odcięcia, wartości rezystancji R233 i R230 powinny być dobrane tak spójne, jak to możliwe, a pojemność C50 i C201 powinna być dobrana jako spójna (gdy wartości rezystancji i pojemności dwustopniowego obwodu RC są równe, nazywa się to obwodem Sarona-Kayla), tak aby typy urządzeń mogły być znormalizowane przy jednoczesnym spełnieniu wydajności filtrowania. Wśród nich rezystor R280 zapobiega zawieszeniu wejścia, co spowoduje nieprawidłowe wyjście wzmacniacza operacyjnego.
Trzy najczęściej stosowane obwody filtrów dolnoprzepustowych drugiego rzędu to: filtr Butterwortha, monotonicznie malejący, płaski i o najgładszej krzywej;
W filtracji dolnoprzepustowej Butterwortha najczęściej stosowany jest obwód Sarona-Kayla, który jest obwodem symulowanym.
W przypadku filtra konieczna jest znajomość jego częstotliwości odcięcia, można też zapisać funkcję przejścia i odpowiedź częstotliwościową.
Jeśli filtr pełni również funkcję wzmocnienia, konieczna jest znajomość wzmocnienia filtru.
Gdy wartości rezystancji i pojemności dwustopniowego obwodu RC są równe, nazywa się to obwodem Serenki. Do obwodu czynnego drugiego rzędu wprowadza się ujemne sprzężenie zwrotne, aby napięcie wyjściowe spadało szybko w zakresie wysokich częstotliwości.
Wzmocnienie pasma przepustowego obwodu aktywnego filtra dolnoprzepustowego drugiego rzędu wynosi 1+Rf/R1, co jest takie samo jak wzmocnienie obwodu filtra dolnoprzepustowego pierwszego rzędu;
Należy pamiętać, że jednostką m jest om, a jednostką N jest u
Tak więc częstotliwość odcięcia jest obliczana jako
Czebyszewa, szybko zanikający, ale z falami w paśmie przepustowym;
Bessela (eliptyczna), przesunięcie fazowe jest proporcjonalne do częstotliwości, a opóźnienie grupowe jest zasadniczo stałe.
2. Zastosowanie wzmacniacza operacyjnego w komparatorze napięcia
Układ ten jest w rzeczywistości połączeniem komparatora przejścia przez zero i układu głębokiego wzmacniacza.
Wyjście jest wzmacniane przez (1+R292/R273). Im wyższy współczynnik wzmocnienia, tym bardziej stroma jest narastająca krawędź fali kwadratowej.
W tym obwodzie należy zwrócić uwagę na kluczową wartość rezystancji elementu, czyli R275, która określa prędkość narastania fali prostokątnej.
3. Projekt obwodu źródła prądu stałego
Jak pokazano na rysunku, proces analizy zasady prądu stałego wygląda następująco:
U5B (dolny wzmacniacz operacyjny na powyższym rysunku) jest wzmacniaczem wtórnym napięciowym, zatem V1=V4;
Zgodnie z zasadą wirtualnego zwarcia wzmacniacza operacyjnego, dla wzmacniacza operacyjnego U4A (górny wzmacniacz operacyjny na powyższym rysunku): V3=V5;
Łącząc powyższe równania otrzymujemy:
Gdy napięcie odniesienia Vref jest ustalone na poziomie 1.8 V, rezystor R30 wynosi 3.6 V, a prąd wyjściowy jest stały i wynosi 0.5 mA.
Ten obwód źródła stałego prądu może być używany do projektowania źródeł stałego prądu innych prądów. Podstawowy pomysł jest taki: wszystkie rezystory muszą używać rezystorów o wysokiej precyzji i stałych wartościach rezystancji. Napięcie odniesienia wejściowego (za pomocą specjalnego układu napięcia odniesienia) jest dzielone przez wartość rezystancji, aby uzyskać prąd wyjściowy.
Jednak w praktyce, aby chronić obwód źródła prądu stałego, dioda i rezystor są zazwyczaj połączone szeregowo na końcu wyjściowym. Pierwszą korzyścią jest zapobieganie przedostawaniu się zakłóceń zewnętrznych do obwodu źródła prądu stałego, powodujących uszkodzenie obwodu źródła prądu stałego, a po drugie zapobieganie zwarciu obciążenia zewnętrznego, aby nie uszkodzić obwodu źródła prądu stałego.
5. Układ pomiaru oporu cieplnego
Układ na powyższym rysunku jest typowym obwodem pomiarowym rezystora termicznego/pary. Pomysł pomiaru jest następujący: do obciążenia dodawane jest stałe źródło prądu 1-10 mA, które generuje określone napięcie na obciążeniu, a napięcie jest aktywnie filtrowane. Po przetworzeniu sygnał jest dostosowywany (wzmocnienie lub tłumienie sygnału), a na końcu sygnał jest wysyłany do interfejsu ADC.
Podczas korzystania z tego obwodu należy zwrócić uwagę na zastosowanie zabezpieczenia na końcu wejściowym. TVS można podłączyć równolegle, ale należy zwrócić uwagę na wpływ kondensatorów na dokładność pomiaru. Oczywiście, w niektórych tanich okazjach powyższy schemat obwodu można uprościć do następującego obwodu
W przypadku wzmacniaczy operacyjnych powszechnym zastosowaniem jest wtórnik napięciowy. Zalety tego obwodu to: po pierwsze, zmniejsza wpływ obciążenia na źródło sygnału; po drugie, poprawia zdolność sygnału do przenoszenia obciążenia.
7.Zastosowanie pojedynczego źródła zasilania
W rzeczywistym użyciu wzmacniaczy operacyjnych zazwyczaj używamy podwójnych zasilaczy, aby utrzymać charakterystykę częstotliwościową wzmacniaczy operacyjnych. Jednak czasami w rzeczywistym użyciu mamy tylko jeden zasilacz i możemy również osiągnąć normalną pracę wzmacniacza operacyjnego.
Najpierw wykorzystujemy obwód wtórnika wzmacniacza operacyjnego, aby uzyskać dzielnik napięcia VCC/2:
Oczywiście, jeśli wymagania nie są bardzo wysokie, możemy bezpośrednio podzielić napięcie za pomocą rezystorów, aby uzyskać +VCC/2, ale ze względu na charakterystykę podziału napięcia za pomocą rezystorów, szybkość reakcji dynamicznej będzie bardzo niska, dlatego należy stosować go ostrożnie.
Po uzyskaniu +VCC/2 możemy użyć pojedynczego źródła zasilania w celu uzyskania funkcji wzmocnienia sygnału, jak pokazano poniżej:
W tym obwodzie R66=R67//R68, a wzmocnienie wyjściowe sygnału wynosi G=-R67/R68.
Konkretne zastosowanie pokazano na poniższym rysunku: wzmacniacz operacyjny jest zasilany pojedynczym +5V_AD, a napięcie układu AD wynosi 3.3 V (uzyskane przez układ napięcia odniesienia REF3033). 3.3 V jest dzielone przez rezystory, a następnie przez wzmacniacz operacyjny, aby uzyskać 1.65 V, które jest podawane do zacisku wejściowego wzmacniacza operacyjnego w fazie.
