Základná metóda analýzy operačných zosilňovačov: virtuálny otvorený obvod, virtuálny skrat. Pre neznáme aplikácie operačných zosilňovačov použite túto základnú metódu analýzy.
Operačné zosilňovače sú široko používané zariadenia. Po pripojení k vhodným spätnoväzobným sieťam sa dajú použiť ako presné zosilňovače striedavého a jednosmerného prúdu, aktívne filtre, oscilátory a komparátory napätia.
- Aplikácia operačných zosilňovačov v aktívnom filtrovaní
Obrázok vyššie znázorňuje typický obvod aktívneho filtra (Saron-Kayl obvod, typ Butterworthovho obvodu). Výhodou aktívneho filtrovania je, že dokáže rýchlejšie utlmiť signály s vyššou frekvenciou ako je medzná frekvencia a filtračné charakteristiky nevyžadujú vysokú kapacitu a odpor.
Konštrukčné body tohto obvodu sú: za podmienky splnenia vhodnej medznej frekvencie by sa hodnoty odporu R233 a R230 mali zvoliť čo najkonzistentnejšie a kapacita C50 a C201 by sa mala zvoliť čo najkonzistentnejšia (keď sú hodnoty odporu a kapacity dvojstupňového RC obvodu rovnaké, nazýva sa to Saron-Kayl obvod), aby sa typy zariadení mohli normalizovať a zároveň sa dodržal výkon filtrovania. Medzi nimi rezistor R280 zabraňuje pozastaveniu vstupu, čo by spôsobilo abnormálny výstup operačného zosilňovača.
Tri najčastejšie používané obvody aktívneho dolnopriepustného filtra druhého rádu na filtrovanie sú: Butterworthov, monotónne klesajúci, s plochou a najhladšou krivkou;
Najpoužívanejším obvodom v dolnopriepustnom filtrovaní Butterworth je Saron-Kayl, ktorý je simulovaným obvodom.
Pre filter potrebujete poznať jeho medznú frekvenciu alebo môžete zapísať prenosovú funkciu a frekvenčnú charakteristiku.
Ak má filter aj funkciu zosilnenia, musíte poznať zisk filtra.
Keď sú hodnoty odporu a kapacity dvojstupňového RC obvodu rovnaké, nazýva sa Serenkov obvod. Do aktívneho obvodu druhého rádu sa zavádza negatívna spätná väzba, ktorá spôsobuje rýchly pokles výstupného napätia vo vysokofrekvenčnom rozsahu.
Zisk priepustného pásma aktívneho dolnopriepustného filtra druhého rádu je 1+Rf/R1, čo je rovnaké ako u dolnopriepustného filtra prvého rádu;
Všimnite si, že jednotka m je ohm a jednotka N je u.
Takže medzná frekvencia sa vypočíta ako
Čebyšev, rýchlo sa rozpadajúci, ale s vlnkami v priepustnom pásme;
Bessel (eliptický), fázový posun je úmerný frekvencii a skupinové oneskorenie je v podstate konštantné.
2. Použitie operačného zosilňovača v komparátore napätia
Tento obvod je v skutočnosti kombináciou komparátora s nulovým prechodom a obvodu hlbokého zosilňovača.
Výstup je zosilnený odporom (1+R292/R273). Čím vyšší je faktor zosilnenia, tým strmšia je stúpajúca hrana obdĺžnikového signálu.
V tomto obvode je tiež kľúčová hodnota odporu komponentu, ktorej je potrebné venovať pozornosť, a to R275, ktorý určuje rýchlosť stúpania obdĺžnikového signálu.
3. Návrh obvodu zdroja konštantného prúdu
Ako je znázornené na obrázku, proces analýzy princípu konštantného prúdu je nasledovný:
U5B (dolný operačný zosilňovač na obrázku vyššie) je sledovač napätia, takže V1 = V4;
Podľa princípu virtuálneho skratu operačného zosilňovača platí pre operačný zosilňovač U4A (horný operačný zosilňovač na obrázku vyššie): V3 = V5;
Kombináciou vyššie uvedených rovníc dostaneme:
Keď je referenčné napätie Vref fixné na 1.8 V, odpor R30 je 3.6 a prúdový výstup je konštantný na 0.5 mA.
Tento obvod zdroja konštantného prúdu sa dá použiť na návrh zdrojov konštantného prúdu aj pre iné prúdy. Základná myšlienka je: všetky rezistory musia používať vysoko presné rezistory s konzistentnými hodnotami odporu. Vstupné referenčné napätie (pomocou špeciálneho čipu referenčného napätia) sa vydelí hodnotou odporu, aby sa získal výstupný prúd.
V praxi sa však na ochranu obvodu zdroja konštantného prúdu na výstupe zvyčajne zapája dióda a rezistor do série. Prvou výhodou je zabránenie vniknutiu vonkajšieho rušenia do obvodu zdroja konštantného prúdu, ktoré by mohlo spôsobiť poškodenie obvodu zdroja konštantného prúdu, a po druhé, zabránenie skratu externej záťaže, aby sa nepoškodil obvod zdroja konštantného prúdu.
5. Obvod merania tepelného odporu
Obvod na obrázku vyššie je typický merací obvod tepelného odporu/elektrického článku. Princíp merania je nasledovný: k záťaži sa pridá zdroj konštantného prúdu 1 – 10 mA, ktorý generuje na záťaži určité napätie, a toto napätie sa aktívne filtruje. Po spracovaní sa signál upraví (zosilnenie alebo zoslabenie signálu) a nakoniec sa signál odošle do rozhrania ADC.
Pri použití tohto obvodu dbajte na ochranu vstupu. TVS je možné zapojiť paralelne, ale dbajte na vplyv kondenzátorov na presnosť merania. Samozrejme, v niektorých prípadoch s nízkymi nákladmi je možné vyššie uvedenú schému zapojenia zjednodušiť na nasledujúci obvod.
Pri použití operačných zosilňovačov sa bežne používa sledovač napätia. Výhody tohto obvodu sú: po prvé, znižuje vplyv záťaže na zdroj signálu; po druhé, zlepšuje schopnosť signálu prenášať záťaž.
7. Použitie jedného zdroja napájania
Pri skutočnom používaní operačných zosilňovačov sa zvyčajne používajú duálne napájacie zdroje na zachovanie frekvenčných charakteristík operačných zosilňovačov. Niekedy však v reálnom použití máme iba jeden napájací zdroj a môžeme dosiahnuť normálnu prevádzku operačného zosilňovača.
Najprv použijeme obvod sledovača operačného zosilňovača na dosiahnutie deliča napätia VCC/2:
Samozrejme, ak požiadavky nie sú veľmi vysoké, môžeme napätie priamo deliť rezistormi, aby sme získali +VCC/2, ale kvôli charakteristikám delenia napätia rezistora bude jeho dynamická odozva veľmi pomalá, preto ho používajte opatrne.
Po dosiahnutí +VCC/2 môžeme použiť jeden zdroj napájania na dosiahnutie funkcie zosilnenia signálu, ako je znázornené nižšie:
V tomto obvode je R66 = R67//R68 a výstupné zosilnenie signálu je G = -R67/R68.
Konkrétna aplikácia je znázornená na obrázku nižšie: operačný zosilňovač je napájaný jedným +5V_AD a napätie AD čipu je 3.3V (získané referenčným napätím REF3033). 3.3V je vydelené rezistormi a nasledované operačným zosilňovačom, čím sa získa 1.65V, ktoré je privedené na fázový vstup operačného zosilňovača.
