Der „operative“ Verstärker

Lange vor dem Aufkommen der digitalen elektronischen Technologie wurden Computer gebaut, um elektronisch Berechnungen durchzuführen, indem Spannungen und Ströme verwendet wurden, um numerische Größen darzustellen. Dies war besonders nützlich für die Simulation physikalischer Prozesse. Eine variable Spannung kann zum Beispiel Geschwindigkeit oder Kraft in einem physikalischen System darstellen. Durch die Verwendung von ohmschen Spannungsteilern und Spannungsverstärkern konnten die mathematischen Operationen der Division und Multiplikation an diesen Signalen leicht durchgeführt werden.

Ableitungsfunktion des Calculus als Grundlage zur Berechnung des Kondensatorstroms

Die reaktiven Eigenschaften von Kondensatoren und Induktoren eignen sich gut für die Simulation von Variablen, die durch Calculus-Funktionen in Beziehung stehen. Denken Sie daran, wie der Strom durch einen Kondensator eine Funktion der Änderungsrate der Spannung war und wie diese Änderungsrate in der Infinitesimalrechnung als Ableitung bezeichnet wurde ? Nun, wenn die Spannung an einem Kondensator die Geschwindigkeit eines Objekts repräsentieren würde, würde der Strom durch den Kondensator die Kraft darstellen, die zum Beschleunigen oder Abbremsen dieses Objekts erforderlich ist, wobei die Kapazität des Kondensators die Masse des Objekts darstellt:

Diese analoge elektronische Berechnung der Ableitungsfunktion der Infinitesimalrechnung ist technisch bekannt als Differenzierung , und es ist eine natürliche Funktion des Stroms eines Kondensators in Bezug auf die daran angelegte Spannung. Beachten Sie, dass diese Schaltung keine „Programmierung“ erfordert, um diese relativ fortschrittliche mathematische Funktion auszuführen, wie dies bei einem digitalen Computer der Fall wäre.

Elektronische Schaltungen sind im Vergleich zu komplexen physikalischen Systemen sehr einfach und kostengünstig zu erstellen, so dass diese Art der analogen elektronischen Simulation in der Forschung und Entwicklung mechanischer Systeme weit verbreitet war. Für eine realistische Simulation waren jedoch in diesen frühen Computern Verstärkerschaltungen mit hoher Genauigkeit und einfacher Konfigurierbarkeit erforderlich.

Vorteil des Differentials gegenüber Single-Ended-Verstärkern

Im Zuge des analogen Computerdesigns wurde festgestellt, dass Differenzverstärker mit extrem hohen Spannungsverstärkungen diese Anforderungen an Genauigkeit und Konfigurierbarkeit besser erfüllen als Single-Ended-Verstärker mit kundenspezifischen Verstärkungen. Unter Verwendung einfacher Komponenten, die mit den Eingängen und dem Ausgang des Differenzverstärkers mit hoher Verstärkung verbunden sind, könnte insgesamt praktisch jede Verstärkung und jede Funktion von der Schaltung erhalten werden, ohne die interne Schaltung des Verstärkers selbst anzupassen oder zu modifizieren. Diese Differenzverstärker mit hoher Verstärkung wurden als Operationsverstärker bekannt , oder Operationsverstärker, wegen ihrer Anwendung in den mathematischen Operationen von Analogcomputern.

Einige Funktionen von Operationsverstärkern

Moderne Operationsverstärker wie das beliebte Modell 741 sind leistungsstarke, kostengünstige integrierte Schaltkreise. Ihre Eingangsimpedanzen sind ziemlich hoch, die Eingänge ziehen Ströme im Bereich von einem halben Mikroampere (maximal) für den 741 und weit weniger für Operationsverstärker, die Feldeffekt-Eingangstransistoren verwenden. Die Ausgangsimpedanz ist normalerweise ziemlich niedrig, etwa 75 Ω für das Modell 741, und viele Modelle verfügen über einen integrierten Kurzschlussschutz am Ausgang, was bedeutet, dass ihre Ausgänge direkt mit Masse kurzgeschlossen werden können, ohne die internen Schaltkreise zu beschädigen. Durch die direkte Kopplung zwischen den internen Transistorstufen der Operationsverstärker können sie DC-Signale genauso gut wie AC-Signale verstärken (bis zu bestimmten maximalen Spannungsanstiegszeitgrenzen). Es würde viel mehr Geld und Zeit kosten, eine vergleichbare Verstärkerschaltung mit diskretem Transistor zu entwickeln, die dieser Art von Leistung entspricht, es sei denn, eine hohe Leistungsfähigkeit wäre erforderlich. Aus diesen Gründen haben Operationsverstärker in vielen Anwendungen fast veraltete Signalverstärker mit diskreten Transistoren.

Das folgende Diagramm zeigt die Pin-Anschlüsse für einzelne Operationsverstärker (741) bei Unterbringung in einem 8-Pin-DIP (D ual ich nline P ackage) integrierter Schaltkreis:

Einige Op-Amp-Modelle kommen zu zweit in einem Gehäuse, darunter die beliebten Modelle TL082 und 1458. Diese werden als "Dual"-Einheiten bezeichnet und sind normalerweise auch in einem 8-Pin-DIP-Gehäuse mit den folgenden Pin-Anschlüssen untergebracht:

Operationsverstärker sind auch vier in einem Paket erhältlich, normalerweise in 14-Pin-DIP-Anordnungen. Leider ist die Pinbelegung bei diesen „Quad“-Operationsverstärkern nicht so Standard wie bei den „Dual“- oder Single-Einheiten. Weitere Informationen finden Sie in den Datenblättern des Herstellers.

Praktische Spannungsverstärkungen von Operationsverstärkern liegen im Bereich von 200.000 oder mehr, was sie als analogen Differenzverstärker allein fast nutzlos macht. Für einen Operationsverstärker mit einer Spannungsverstärkung (A_V ) von 200.000 und einem maximalen Ausgangsspannungshub von +15V/-15V, genügt eine differenzielle Eingangsspannung von 75 µV (Mikrovolt), um ihn in die Sättigung oder Abschaltung zu treiben! Bevor wir einen Blick darauf werfen, wie externe Komponenten verwendet werden, um die Verstärkung auf ein vernünftiges Niveau zu senken, lassen Sie uns Anwendungen für den „nackten“ Operationsverstärker selbst untersuchen.

Vergleicher

Eine Anwendung heißt Komparator . Für alle praktischen Zwecke können wir sagen, dass der Ausgang eines Operationsverstärkers vollständig positiv gesättigt ist, wenn der (+)-Eingang positiver als der (-)-Eingang ist, und vollständig negativ gesättigt, wenn der (+)-Eingang weniger positiv ist als der (-) Eingang. Mit anderen Worten, die extrem hohe Spannungsverstärkung eines Operationsverstärkers macht ihn als Gerät nützlich, um zwei Spannungen zu vergleichen und die Ausgangsspannungszustände zu ändern, wenn ein Eingang den anderen in der Größe übersteigt.

In der obigen Schaltung haben wir einen Operationsverstärker als Komparator angeschlossen, der die Eingangsspannung mit einer vom Potentiometer eingestellten Referenzspannung (R₁ ). Wenn V_in unter die von R₁ eingestellte Spannung fällt , wird der Ausgang des Operationsverstärkers auf +V gesättigt, wodurch die LED aufleuchtet. Andernfalls, wenn V_in über der Referenzspannung liegt, bleibt die LED aus. Wenn Vin ein von einem Messgerät erzeugtes Spannungssignal ist, könnte diese Komparatorschaltung als „niedriger“ Alarm fungieren, wobei der Auslösepunkt durch R₁ . eingestellt wird . Anstelle einer LED könnte der Ausgang des Operationsverstärkers ein Relais, einen Transistor, einen SCR oder jedes andere Gerät ansteuern, das in der Lage ist, Strom zu einer Last wie einem Magnetventil zu schalten, um im Falle eines niedrigen Alarms Maßnahmen zu ergreifen.

Square-Wave-Konverter

Eine andere Anwendung für die gezeigte Komparatorschaltung ist ein Rechteckwellenwandler. Angenommen, die an den invertierenden (-) Eingang angelegte Eingangsspannung war eine Wechselstrom-Sinuswelle und keine stabile Gleichspannung. In diesem Fall würde die Ausgangsspannung zwischen entgegengesetzten Sättigungszuständen wechseln, wenn die Eingangsspannung gleich der vom Potentiometer erzeugten Referenzspannung war. Das Ergebnis wäre eine Rechteckwelle:

Anpassungen der Potentiometereinstellung würden die an den nichtinvertierenden (+) Eingang angelegte Referenzspannung ändern, Dies würde die Punkte ändern, an denen sich die Sinuswelle kreuzen würde, die Ein-/Ausschaltzeiten oder den Arbeitszyklus . ändern der Rechteckwelle:

Es sollte klar sein, dass die AC-Eingangsspannung nicht unbedingt eine Sinuswelle sein muss damit diese Schaltung dieselbe Funktion ausführt. Die Eingangsspannung kann eine Dreieckswelle, eine Sägezahnwelle oder jede andere Art von Welle sein, die sanft von positiv zu negativ und wieder positiv ansteigt. Diese Art von Komparatorschaltung ist sehr nützlich, um Rechteckwellen mit unterschiedlichem Tastverhältnis zu erzeugen. Diese Technik wird manchmal als Pulsweitenmodulation bezeichnet , oder PWM (variierend oder modulierend eine Wellenform gemäß einem Steuersignal, in diesem Fall das vom Potentiometer erzeugte Signal).

Bargraph-Treiber

Eine andere Komparatoranwendung ist die des Bargraph-Treibers. Wenn wir mehrere Operationsverstärker als Komparatoren geschaltet hätten, von denen jeder seine eigene Referenzspannung an den invertierenden Eingang angeschlossen hat, aber jeder das gleiche Spannungssignal an seinen nicht invertierenden Eingängen überwacht, könnten wir ein Balkendiagramm-ähnliches Messgerät bauen, wie es üblich ist auf dem Gesicht von Stereotunern und grafischen Equalizern zu sehen. Wenn die Signalspannung (die die Funksignalstärke oder den Audiopegel darstellt) ansteigt, „schaltet“ sich jeder Komparator nacheinander ein und sendet Strom an seine jeweilige LED. Wenn jeder Komparator bei einem anderen Audiopegel „ein“ schaltet, zeigt die Anzahl der leuchtenden LEDs an, wie stark das Signal war.

In der oben gezeigten Schaltung würde LED1 als erstes aufleuchten, wenn die Eingangsspannung ansteigt in eine positive Richtung. Wenn die Eingangsspannung weiter ansteigt, leuchten die anderen LEDs nacheinander auf, bis alle leuchten.

Dieselbe Technologie wird in einigen Analog-Digital-Signalwandlern verwendet, nämlich dem Flash-Wandler , um eine analoge Signalgröße in eine Reihe von Ein-/Aus-Spannungen zu übersetzen, die eine digitale Zahl darstellen.

RÜCKBLICK:

• Eine Dreiecksform ist das allgemeine Symbol für eine Verstärkerschaltung, wobei das breite Ende den Eingang und das schmale Ende den Ausgang bezeichnet.
• Sofern nicht anders angegeben, alle Spannungen in Verstärkerschaltungen beziehen sich auf eine gemeinsame Masse Punkt, der normalerweise mit einem Anschluss der Stromversorgung verbunden ist. Auf diese Weise können wir davon sprechen, dass eine bestimmte Spannung „an“ einem einzelnen Draht liegt, während wir erkennen, dass die Spannung immer zwischen zwei Punkten gemessen wird.
• Ein Differenzverstärker ist einer, der die Spannungsdifferenz verstärkt zwischen zwei Signaleingängen. In einer solchen Schaltung neigt ein Eingang dazu, die Ausgangsspannung auf die gleiche Polarität des Eingangssignals zu treiben, während der andere Eingang genau das Gegenteil tut. Folglich wird die erste Eingabe als nichtinvertierende bezeichnet (+) Eingang und der zweite heißt invertieren (-) Eingabe.
• Ein Operationsverstärker (oder kurz Operationsverstärker) ist ein Differenzverstärker mit einer extrem hohen Spannungsverstärkung (A_V =200.000 oder mehr). Sein Name stammt von seiner ursprünglichen Verwendung in analogen Computerschaltkreisen (durchführen mathematischer Operationen).
• Operationsverstärker haben normalerweise sehr hohe Eingangsimpedanzen und relativ niedrige Ausgangsimpedanzen.
• Manchmal werden Operationsverstärker als Signal Komparatoren . verwendet , arbeitet im Voll-Cutoff- oder Sättigungsmodus, je nachdem welcher Eingang (invertierend oder nicht invertierend) die größte Spannung hat. Komparatoren sind nützlich bei der Erkennung von Signalzuständen, die größer als sind (im Vergleich zum anderen).
• Eine Komparatoranwendung heißt Pulsweitenmodulator , und wird durch Vergleichen eines sinusförmigen AC-Signals mit einer DC-Referenzspannung erstellt. Wenn die DC-Referenzspannung eingestellt wird, ändert der Rechteckwellenausgang des Komparators seinen Arbeitszyklus (positive gegenüber negativen Zeiten). Somit steuert oder moduliert die DC-Referenzspannung die Pulsbreite der Ausgangsspannung.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt für grundlegende Operationsverstärker