W tym artykule przyjrzymy się układowi scalonemu TL061 – pojedynczemu wzmacniaczowi operacyjnemu o niskim poborze prądu. Poznamy także zasadę działania i przykładowe aplikacje wzmacniaczy operacyjnych.
TL061 – najważniejsze cechy układu
- Niski pobór prądu: typowo 200µA
- Szeroki zakres napięć wejściowych i napięć sygnałów współbieżnych
- niski wejściowy prąd polaryzacji i niskie wejściowe napięcie niezrównoważenia
- zabezpieczenie wyjścia przed zwarciem
- wejścia z tranzystorami J-FET o wysokiej impedancji
- wbudowana wewnętrzna kompensacja częstotliwościowa
- Zabezpieczenie przed zatrzaskiwaniem układu
- Wysoki współczynnik narastania napięcia w czasie: 3,5V/µs
Wtórnik napięciowy
Najbardziej podstawowym obwodem wzmacniacza operacyjnego jest wtónik napięciowy, gdyż nie wymaga on żadnych elementów zewnętrznych. Ponieważ napięcie wyjściowe jest równe napięciu wejściowemu, uczniowie mogą być zaskoczeni i zastanawiać się, czy tego rodzaju obwód ma jakiekolwiek praktyczne zastosowanie. Obwód ten pozwala na utworzenie wejścia o bardzo wysokiej impedancji i wyjścia o niskiej impedancji. Jest to przydatne do łączenia poziomów logicznych pomiędzy dwoma komponentami lub gdy zasilacz oparty jest na dzielniku napięcia. Podstawowym celem wzmacniacza operacyjnego, jak sama nazwa wskazuje, jest wzmocnienie sygnału. Na przykład wyjście czujnika musi zostać wzmocnione, aby przetwornik ADC mógł zmierzyć ten sygnał.
Wzmacniacz odwracający
W tej konfiguracji wyjście jest podawane z powrotem do wejścia ujemnego lub odwracającego poprzez rezystor (R2). Sygnał wejściowy jest doprowadzany do tego pinu odwracającego poprzez rezystor (R1). Pin dodatni jest podłączony do masy. Jest to oczywiste w szczególnym przypadku, gdy R1 i R2 są równe. Taka konfiguracja pozwala na wytworzenie sygnału komplementarnego w stosunku do sygnału wejściowego, ponieważ sygnał wyjściowy jest dokładnie przeciwny do sygnału wejściowego. Ze względu na znak ujemny sygnały wyjściowe i wejściowe są przesunięte w fazie. Jeśli oba sygnały muszą być w fazie, stosuje się wzmacniacz nieodwracający.
Wzmacniacz nieodwracający
Konfiguracja ta jest bardzo podobna do odwracającego wzmacniacza operacyjnego. W przypadku nieodwracającego napięcie wejściowe jest podawane bezpośrednio na pin nieodwracający, a koniec pętli sprzężenia zwrotnego jest podłączony do masy. Konfiguracje te umożliwiają wzmocnienie jednego sygnału. Możliwe jest wzmocnienie kilku sygnałów za pomocą wzmacniaczy sumujących.
Nieodwracający wzmacniacz sumujący
Aby dodać 2 napięcia, można dodać tylko 2 rezystory na pinie dodatnim w obwodzie nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego. Warto zaznaczyć, że dodanie kilku napięć nie jest rozwiązaniem zbyt elastycznym. Rzeczywiście, jeśli dodane zostanie trzecie napięcie o dokładnie takich samych rezystancjach, wzór będzie wyglądał następująco: Vs = 2/3 (V1 + V2 + V3). Rezystory musiałyby zostać zmienione, aby uzyskać Vs = V1 + V2 + V3, lub drugą opcją jest użycie odwracającego wzmacniacza sumującego.
Odwracający wzmacniacz sumujący
Dodając równolegle rezystory na odwracającym pinie wejściowym obwodu odwracającego wzmacniacza operacyjnego, wszystkie napięcia są sumowane. W przeciwieństwie do nieodwracającego wzmacniacza sumującego, można dodać dowolną liczbę napięć bez zmiany wartości rezystorów.
Wzmacniacz różnicowy
Odwracający wzmacniacz operacyjny (patrz obwód nr 2) wzmocnił napięcie przyłożone do kołka odwracającego, a napięcie wyjściowe było przesunięte w fazie. W tej konfiguracji pin nieodwracający jest podłączony do masy. Jeśli powyższy obwód zostanie zmodyfikowany poprzez przyłożenie napięcia przez dzielnik napięcia do elementu nieodwracającego, otrzymamy wzmacniacz różnicowy. Wzmacniacz jest przydatny nie tylko dlatego, że pozwala dodawać, odejmować lub porównywać napięcia. Wiele obwodów umożliwia modyfikację sygnałów. Zobaczmy te najbardziej podstawowe.
Wzmacniacz całkujący
Przebieg prostokątny jest bardzo łatwy do wygenerowania, na przykład poprzez przełączenie GPIO mikrokontrolera. Jeśli obwód wymaga kształtu fali trójkątnej, dobrym sposobem na to jest po prostu całkowanie sygnału fali prostokątnej. W przypadku wzmacniacza operacyjnego, kondensatora na ścieżce odwracającego sprzężenia zwrotnego i rezystora na wejściowym pinie odwracającym, jak pokazano poniżej, sygnał wejściowy jest zintegrowany.
Należy pamiętać, że rezystor jest często podłączony równolegle do kondensatora ze względu na problemy z nasyceniem. Rzeczywiście, jeśli sygnał wejściowy jest falą sinusoidalną o bardzo niskiej częstotliwości, kondensator zachowuje się jak obwód otwarty i blokuje napięcie sprzężenia zwrotnego. Wzmacniacz działa wówczas jak normalny wzmacniacz w pętli otwartej, który ma bardzo duże wzmocnienie w pętli otwartej, a wzmacniacz jest nasycony. Dzięki rezystorowi połączonemu równolegle z kondensatorem obwód zachowuje się jak wzmacniacz odwracający o niskiej częstotliwości i unika się nasycenia.
Układ różniczkujący
Układ różniczkujący działa podobnie do integratora, zamieniając miejscami kondensator i rezystor.
Przetwornik prąd – napięcie
Fotodetektor przekształca światło w prąd. Aby zamienić prąd na napięcie, prosty obwód ze wzmacniaczem operacyjnym, pętlą sprzężenia zwrotnego przez rezystor na stronie nieodwracającej i diodą włączoną pomiędzy dwoma pinami wejściowymi pozwala uzyskać napięcie wyjściowe proporcjonalne do prądu generowanego przez fotodiodę co widać po właściwościach świetlnych. Powyższy obwód stosuje prawo Ohma z podstawowym wzorem: napięcie jest równe rezystancji pomnożonej przez prąd.
Przetwornik ujemnej rezystancji
Opór jest podawany w omach i zawsze jest dodatni. Ale dzięki wzmacniaczom operacyjnym można zaprojektować rezystancję ujemną! Sprzężenie zwrotne na wejściu odwracającym powoduje, że napięcie wyjściowe jest dwukrotnie większe od napięcia wejściowego. Ponieważ napięcie wyjściowe jest zawsze wyższe niż napięcie wejściowe, dodatnie sprzężenie zwrotne przez rezystor R1 na nieodwracającym pinie symuluje rezystancję ujemną.
Wzmacniacz operacyjny detektora szczytowy
Wreszcie obwód ze wzmacniaczem operacyjnym niekoniecznie modyfikuje sygnał wejściowy, ale rejestruje go jak wzmacniacz w trybie detektora szczytowego. Kondensator służy jako pamięć. Kiedy napięcie wejściowe na wejściu nieodwracającym jest wyższe niż napięcie na wejściu odwracającym, które jest jednocześnie napięciem na kondensatorze, wzmacniacz wchodzi w stan nasycenia, a dioda jest przesunięta do przodu i ładuje kondensator. Zakładając, że kondensator nie ulega szybkiemu samorozładowaniu, gdy napięcie wejściowe Ve jest niższe niż napięcie na kondensatorze, dioda jest blokowana. Dlatego napięcie szczytowe jest rejestrowane dzięki kondensatorowi.
