Top 10 operationelle forstærkerkredsløb
2025-05-22 18559

OP-AMP-kredsløb bruges i mange elektroniske enheder til at kontrollere, øge eller ændre signaler.Med bare et par dele kan de udføre forskellige job som kopieringssignaler, tilføje dem eller omdanne strøm til spænding.I denne artikel ser vi på 10 nyttige op-amp-kredsløb, og hvordan de fungerer i hverdagens elektronik.

Katalog

Figur 1: Operationel forstærkerkredsløb

Hvad er et operationelt forstærkerkredsløb?

Et operationelt forstærkerkredsløb eller op-amp-kredsløb er en opsætning, der bruger en lille elektronisk del kaldet en op-amp til at kontrollere og ændre signaler.Disse signaler er normalt spændinger, der går op og ned, som lyd- eller sensorsignaler.OP-AMP har to inputstifter og en output-pin.Det ser på forskellen mellem de to indgangsspændinger og bruger det til at beslutte, hvad output skal være.

Ved at tilføje enkle dele som modstande eller kondensatorer omkring op-amp, kan vi få kredsløbet til at gøre mange nyttige ting.Nogle op-amp-kredsløb kan gøre et svagt signal stærkere, andre kan tilføje eller trække signaler, og andre kan sammenligne to signaler og fortælle, hvilken der er større.Der er også specielle typer, der langsomt kan øge eller mindske signaler over tid.

Disse kredsløb bruges på mange enheder, som radioer, musikafspillere, telefoner og værktøjer, der måler temperatur eller tryk.OP-AMP-kredsløb er billige, lette at bruge og fungerer godt i mange projekter.

Top 10 operationelle forstærkerkredsløb

1. spændingsfølger (bufferforstærker)

En spændingsfølger, også kendt som en bufferforstærker, er en af ​​de enkleste og mest praktiske op-amp-konfigurationer.Det forbinder output direkte til inverteringsindgangen med indgangssignalet påført den ikke-inverterende terminal.Resultatet er en udgangsspænding, der nøjagtigt matcher input - ingen forstærkning eller inversion opstår.Imidlertid giver dette kredsløb en høj inputimpedans og en meget lav outputimpedans, hvilket gør det godt til at isolere forskellige stadier af et kredsløb.Det forhindrer belastningseffekter og er ideel til at forbinde kilder med høj impedans, som sensorer, til belastninger med lav impedans, såsom analoge-til-digitale konvertere (ADC'er).

Billedet nedenfor sammenligner visuelt En generel ikke-inverterende forstærker (venstre side) med Spændingsfølgerkonfigurationen (højre side):

Figur 2: Spændingsfølger som et specielt tilfælde af ikke-inverterende forstærker

• Til venstre har op-amp en feedback-modstand RF og en inputmodstand R₁.Dette danner en standard ikke-inverterende forstærker med en gevinst, der er større end én.

• Til højre, når R₁ = ∞ (åbent kredsløb) og R_f = 0 (direkte trådforbindelse) forenkler forstærkningsligningen til 1 og producerer en spændingsfølger.I dette tilfælde svarer begge op-amp-input til indgangsspændingen (V₁ = V₂ = V_i), og output sporer nøjagtigt input (v₀ = V_i).

Dette viser, hvordan spændingsfølgeren simpelthen er et specielt tilfælde af en ikke-inverterende forstærker, med feedback-stien kortsluttet og ingen modstand mod jorden.Forenklingen gør det perfekt til bufferingssignaler uden at ændre deres spænding.

Inverterende forstærker

Inverteringsforstærkeren er en meget anvendt op-amp-konfiguration, der inverterer og skalerer indgangsspændingen.Indgangssignalet påføres gennem en modstand R₁ til op-amps inverterende terminal (-), mens den ikke-inverterende terminal (+) er jordet.En feedback -modstand R₂ Forbinder output tilbage til den inverterende terminal og skaber en negativ feedback -loop.Denne opsætning tvinger op-amp til at opretholde en virtuel jord ved inverteringsinput og stabilisere operationen.Kredsløbets spændingsgevinst er givet af = R₂/R₁, der producerer et output, der er 180 grader ude af fase med input.Invertering af forstærkere foretrækkes for deres forudsigelige gevinst og bruges ofte i lydapplikationer, signalbehandling og analog beregning.

Figur 3: Invertering af forstærkerkredsløbsdiagram

Billedet ovenfor illustrerer tydeligt denne konfiguration, der viser input gennem R1, det jordede ikke-inverterende input og feedback-modstanden R2 fra output til den inverterende terminal.Sammenlignet med en spændingsfølger (bufferforstærker), der forbinder output direkte til inverteringsindgangen og ikke har nogen inputmodstand, anvender inverteringsforstærkeren en bestemt forstærkning og vender signalets polaritet.Begge bruger negativ feedback, men mens spændingsfølgeren simpelthen kopierer input (gain = 1, ingen inversion), skal du inverterende forstærker både skalaer og inverterer signalet afhængigt af modstandsforholdet.

Ikke-inverterende forstærker

En ikke-inverterende forstærker øger indgangsspændingen uden at ændre dens polaritet.I denne opsætning påføres indgangssignalet direkte på den ikke-inverterende input (+) af op-amp.Inverteringsinput ( -) er forbundet til en spændingsdelere dannet af to modstande: en modstand forbinder output til invertering af input (R₂), og de andre forbinder inverteringsinput til jorden (R₁).Dette skaber en negativ feedback -loop, der kontrollerer gevinsten.

Kredsløbets spændingsgevinst er givet af:

Denne forstærker er især nyttig, når både signalforstærkning og høj inputimpedans er påkrævet.Det bruges ofte i sensorsignalkonditionering, forforstærkere og ethvert system, hvor en ren, forstærket version af indgangssignalet er påkrævet.

Figur 4: Ikke-inverterende forstærkerkredsløbsdiagram

Dette diagram viser input, der er forbundet til den ikke-inverterende terminal (+), hvor R1 og R2 danner en feedback-loop mellem output og inverterende terminal (-).Spændingsforstærkningen afhænger af forholdet mellem R2 og R1.

Invertering af summeringsforstærker

En inverterende summeringsforstærker tilføjer et par indgangssignaler sammen og vipper resultatet.Hvert input gennemgår sin egen modstand ind i inverteringsinput (-) af op-amp.Den ikke-inverterende input (+) er forbundet til jorden.En modstand, kaldet feedback -modstand, forbinder output tilbage til inverteringsinput.

Den endelige output er den flippede (omvendte) sum af alle indgangsspændinger.Denne type kredsløb er nyttig, når du vil blande signaler sammen, som i lydblandere, analoge computere eller andre systemer, hvor du har brug for at kombinere forskellige signaler til et.

Figur 5: Invertering af summeringsforstærkerkredsløbsdiagram

Billedet viser, hvordan hvert input er forbundet til op-amp gennem en modstand.OP-AMP tilføjer signalerne sammen, vipper resultatet og sender det ud som et signal.

Differentialforstærker

Differentialforstærkeren er designet til at forstærke forskellen mellem to indgangssignaler, mens den afviser enhver spænding, der er fælles for begge input (almindeligt-mode signal).Den bruger fire modstande arrangeret i en afbalanceret konfiguration, der er forbundet til både invertering og ikke-inverterende terminaler.Kredsløbet er hoved i miljøer med elektrisk støj, da det effektivt kan isolere det ønskede signal fra baggrundsinterferens.Det er en kerne byggesten i instrumenteringsforstærkere og er vidt brugt i sensorapplikationer, såsom stammemålere eller temperaturprober.

Figur 6: Differentialforstærkerkredsløbsdiagram

Dette diagram viser en klassisk differentiel forstærker ved hjælp af fire modstande i en afbalanceret opsætning.Det forstærker forskellen mellem to indgangssignaler, mens man ignorerer enhver støj, der vises lige på begge input.

Integrator

Figur 7: Grundlæggende op-amp-integratorkredsløbsdiagram

Et integratorkredsløb udfører matematisk integration af indgangssignalet, hvilket betyder, at udgangsspændingen afspejler det akkumulerede område under indgangsspændingskurven over tid.I denne konfiguration påføres indgangssignalet gennem en modstand til invertering ( -) terminal af en operationel forstærker.En kondensator er forbundet mellem op-AMP's output og dens inverterende input, der danner feedback-stien.Den ikke-inverterende (+) terminal er forbundet direkte til jorden.

Efterhånden som indgangsspændingen påføres, lades kondensatoren, hvilket får output til at rampe op eller ned gradvist - producerer en lineært stigende eller faldende spænding, afhængigt af inputpolariteten.Denne opførsel gør integratorkredsløb fremragende i applikationer såsom bølgeformgenerering, analog beregning, kontrolsystemer og signalfiltrering, især når man genererer trekantbølger eller langsom spændingsramper.

Differentierer

Figur 8: Differentiatorforstærkerkredsløb

Et differentieringskredsløb producerer en udgangsspænding, der reflekterer ændringshastigheden (derivat) af indgangssignalet.I denne konfiguration påføres indgangssignalet gennem en kondensator til invertering ( -) input af en operationel forstærker, mens en modstand placeres i feedback -stien mellem output og inverteringsinput.Input (+) input (+) er forbundet til jorden.

Når indgangsspændingen ændres hurtigt, genererer output skarpe spændingspidser, hvilket gør kredsløbet nyttigt til at detektere hurtige overgange, såsom stigende eller faldende kanter, bevægelseshændelser eller switch -aktiveringer i kontrolsystemer.På grund af dens følsomhed over for højfrekvente signaler kan en grundlæggende differentiering imidlertid forstærke støj.Af denne grund inkluderer faktiske design ofte yderligere filtreringskomponenter, såsom modstande i serie med kondensatoren eller kondensatorerne parallelt med feedbackmodstanden for at forbedre stabiliteten og støjimmuniteten.

Op-amp-komparator

Figur 9: OP-AMP-komparatorkredsløbsdiagram

En komparator er en ikke-lineær operationel forstærker (OP-AMP) kredsløb, der bruges til at sammenligne to indgangsspændinger.Det fungerer uden feedback, hvilket betyder, at den ikke opfører sig som en typisk forstærker.I stedet producerer det en digital-lignende output—høj (i nærheden af ​​den positive forsyningsskinne) Når det ikke-inverterende input er større end inverteringsindgangen, og lav (I nærheden af ​​den negative jernbane eller jord) ellers.Comparators bruges i spændingsniveaudetektion, nul-krydsningsdetektion og analog-til-digital konvertering, hvor klare binære beslutninger skal træffes af analoge indgangssignaler.

Schmitt Trigger

Figur 10: Schmitt-trigger ved hjælp af op-amp

En Schmitt -trigger er en speciel type komparator, der inkluderer positiv feedback til at introducere hysterese.Schmitt Trigger har to tærskelspændinger: en til stigning og en anden til faldende indgangssignaler.Resultatet er en renere, mere stabil output, der undgår hurtig switching eller jitter, når indgangssignalet svæver rundt om tærsklen.Dette kredsløb er effektivt til at nedbryde mekaniske switches, forme støjende signaler og tilvejebringe rene digitale overgange i analoge inputsystemer.Det er en foretrukken metode i indlejrede systemer og digital grænseflade, hvor indgangssignaler muligvis er ustabile.

Transimpedance Amplifier (Current-to-Voltage Converter)

Figur 11: OP-AMP-baseret transimpedansforstærker

En transimpedansforstærker er et kredsløb, der konverterer en lille indgangsstrøm til en proportional udgangsspænding.Transimpedance-forstærker bruges med aktuelle producerende sensorer såsom Fotodioder, iondetektorer eller PMT'er, hvor spændingssignaler ikke er direkte tilgængelige.Indgangsstrømmen strømmer ind i Invertering af terminal af op-amp og en Feedback Modstand (RF) Konverterer denne strøm til en spænding ved hjælp af forholdet:

Den ikke-inverterende terminal er normalt forbundet til jorden, hvilket gør det inverterende input til en virtuel jord.Denne konfiguration giver høj følsomhed, hurtig respons og lav støj, hvilket gør den velegnet til applikationer inden for optisk kommunikation, medicinsk billeddannelse, videnskabelige instrumenter og analytiske målesystemer.

Konklusion

Disse 10 op-amp-kredsløb viser, hvordan en lille del kan gøre mange ting.Fra forstærkningssignaler til sammenligning af spændinger har hver opsætning et formål.At vide, hvordan de fungerer, kan hjælpe dig med at opbygge bedre og smartere elektroniske projekter.