Tại sao op amps được sử dụng thường xuyên trong điện tử tương tự?

Tôi đã đọc trong một số sách và tài liệu quan sát: "Op amps là bánh mì của điện tử tương tự", hoặc "... op amps là khối xây dựng thường gặp nhất trong các mạch tương tự ..." và hiệu ứng đó.

Mặc dù kinh nghiệm của tôi không đủ rộng để đồng tình hoặc bác bỏ yêu cầu đó, nhưng chắc chắn nó đã được đưa ra trong các mạch mà tôi đã thấy.

Nó khiến tôi nghĩ rằng tôi đang thiếu một cái gì đó cơ bản, để giải thích tại sao một thành phần như thế này có lẽ là một cái gì đó giống như một vòng lặp "for" trong lập trình hoặc một cái gì đó, một mô hình cơ bản, mà một khi có sẵn, sẽ tìm thấy ứng dụng phổ biến.

Điều gì về bản chất cơ bản của thiết bị điện tử tương tự làm cho op amp hoàn thành một mô hình cơ bản và linh hoạt như vậy?

Op amps khá gần với bộ khuếch đại vi sai lý tưởng. Vì vậy, câu hỏi thực sự là, những gì tuyệt vời về bộ khuếch đại? Có (ít nhất!) Ba câu trả lời.

Đầu tiên, rõ ràng - bộ khuếch đại cho phép bạn thay đổi biên độ của tín hiệu. Nếu bạn có tín hiệu nhỏ (giả sử, từ đầu dò), bộ khuếch đại cho phép bạn tăng điện áp lên mức hữu ích. Bộ khuếch đại cũng có thể làm giảm biên độ của tín hiệu, có thể hữu ích để phù hợp với nó trong phạm vi của ADC, chẳng hạn.

Bộ khuếch đại cũng có thể đệm một tín hiệu. Chúng có trở kháng cao ở phía đầu vào và trở kháng thấp ở phía đầu ra. Điều này cho phép tín hiệu nguồn yếu được truyền đến tải nặng.

Cuối cùng, phản hồi tiêu cực cho phép bộ khuếch đại để lọc tín hiệu. Cái gọi là bộ lọc hoạt động (sử dụng bộ khuếch đại) linh hoạt và mạnh mẽ hơn nhiều so với bộ lọc thụ động (chỉ sử dụng điện trở, tụ điện và cuộn cảm). Tôi cũng nên đề cập đến các bộ dao động , được thực hiện bằng cách sử dụng các bộ khuếch đại với phản hồi tích cực được lọc.

Kiểm soát biên độ, đệm và lọc là ba trong số những điều phổ biến nhất bạn có thể làm đối với tín hiệu tương tự. Tổng quát hơn, các bộ khuếch đại có thể được sử dụng để thực hiện nhiều loại hàm truyền , đó là các mô tả toán học cơ bản của các tác vụ xử lý tín hiệu. Vì vậy, các bộ khuếch đại là tất cả các nơi.

Tại sao op amps nói riêng? Như tôi đã nói, op amps thực chất là bộ khuếch đại chất lượng cao. Đặc điểm chính của chúng là:

• Độ lợi chênh lệch rất cao (đôi khi cao tới 1.000.000!)
• Trở kháng đầu vào rất cao (teraohms ở tần số thấp cho ampe kế đầu vào FET)
• Tỷ lệ loại bỏ chế độ chung rất cao (thường> 1000)

Những đặc điểm này có nghĩa là hoạt động của bộ khuếch đại gần như hoàn toàn được xác định bởi mạch phản hồi. Phản hồi được thực hiện với các thành phần thụ động như điện trở, hoạt động tốt hơn nhiều so với bóng bán dẫn. Hãy thử mô phỏng bộ khuếch đại bộ phát phổ biến đơn giản qua điện áp và nhiệt độ - nó không tuyệt vời.

Với những cải tiến hiện đại trong các mạch tích hợp, op amps có giá rẻ, hiệu năng cao và sẵn có. Trừ khi bạn cần hiệu suất cực cao (công suất cao, tần số rất cao), không còn nhiều lý do để đi với các bộ khuếch đại bóng bán dẫn rời rạc nữa.

Một op amp là ba 5 công cụ cơ bản trong một (nếu không nhiều hơn).

• Đầu tiên một thiết bị so sánh, giống như một tuyên bố nếu khác (if a > b, output = a, else b).

• Thứ hai một bộ đệm (in = 1, out = 1, refreshed).

• Thứ ba một bộ khuếch đại, giống như một số nhân (in = 1, out = 10).

• Thứ tư , một sự thay đổi / chậm pha (in = x, out = x + 1).

• Thứ năm , một biến tần (in = x, out = 1/x).

Chúng có xu hướng rất linh hoạt, và có thể thích ứng với nhiều mạch khi cần thiết.

Về cơ bản, khi một tín hiệu được xử lý thông qua các phần tử rời rạc tương tự, biên độ của nó có thể giảm điện áp. Một op amp có thể đệm và tăng tín hiệu tương tự, đảm bảo nó có thể đọc được hoặc hữu ích ở cuối.

Ngẫu nhiên, một vòng lặp for sẽ là một bộ đếm. Một bộ đếm thập kỷ hoạt động như một for (i = 0, i < 10, i++)vòng lặp.

Một số lợi ích chính của op-amp là

trở kháng đầu vào cao : Do trở kháng đầu vào cao, op-amp không tải quá mức mạch trước. Bản thân một op-amp có thể có trở kháng đầu vào trong 10 hoặc 100 gigohms. Mạch phản hồi op-amp có thể sẽ có trở kháng đầu vào thấp hơn, nhưng trở kháng đầu vào cao của op-amp cho phép điều này được thiết lập hoàn toàn bởi các thành phần khác.

trở kháng đầu ra thấp : Do trở kháng đầu ra thấp, mạch op-amp thường có thể điều khiển một mạch op-amp khác (hoặc ADC hoặc ...) mà không tải ảnh hưởng đến hành vi của nó.

Độ lợi cao : Độ khuếch đại cao của op-amp cho phép nó được sử dụng trong mạch phản hồi âm sao cho hành vi của mạch bị chi phối bởi các yếu tố phản hồi thay vì op-amp. Điều này có nghĩa là

1. Thường chỉ có một vài thành phần chính xác được yêu cầu trong mạch phản hồi để đạt được hiệu suất chính xác từ mạch tổng thể.

2. Do hoạt động của mạch được điều khiển bởi mạch phản hồi, op-amp có thể được sử dụng với nhiều yếu tố phản hồi khác nhau để đạt được các chức năng khác nhau như khuếch đại, phân biệt, tích hợp, khuếch đại logarit, v.v. (Đây có thể là lý do chính khiến op -amp có "ứng dụng phổ biến" như vậy).

Tôi nghĩ rằng câu trả lời thực sự đơn giản hơn nhiều so với câu trả lời do người khác cung cấp (mặc dù chúng thực sự đúng) - op-amps chỉ đơn giản cho phép bạn xây dựng tất cả các "legos" bạn cần cho một mạch nâng cao hơn, xem https: //en.wikipedia .org / wiki / Operational_amoder # Ứng dụng để biết thêm chi tiết. Với op-amp bạn có thể nhận được (danh sách không đầy đủ!):

• một bộ đệm điện áp / hiện tại,
• một bộ so sánh (ngay cả với độ trễ),
• một bộ khuếch đại hoạt động (cả đảo ngược và không đảo ngược),
• diode lý tưởng,
• bộ lọc hoạt động (bao gồm các ứng dụng tích hợp / phân biệt),
• chỉnh lưu tích cực,
• các khối toán học hoạt động (ví dụ: sum, diff, ply, div),
• một synth sóng (vuông, tri, cưa, thậm chí VCO),
• DAC & ADC,
• chuyển đổi trở kháng,
• người liệt kê,
• ... Và nhiều người khác.

Đó là nhiều hơn tất cả mọi thứ bạn có thể sẽ cần cho xử lý tương tự thiết yếu - và một số trong những điều đó cũng gọn gàng cho xử lý kỹ thuật số. Như vậy, op-amps là cả bánh mì và bơ ở đây.

Ngoài ra, bạn có thể dễ dàng lấy ví dụ 2 hoặc 4 trong số chúng trong một gói nhỏ với các đường cung cấp điện áp chung và đặc điểm hoạt động của chúng (gần các thành phần lý tưởng cho nhiều ứng dụng thực tế và cũng phù hợp với op-amps trong một gói duy nhất ) cho phép sử dụng chúng mà không gặp nhiều rắc rối cần thiết cho các mạch tương tự (diode / BJT / FET) rời rạc (ví dụ: sai lệch, giảm điện áp, bù nhiệt độ, v.v.) - cho phép bạn thiết kế các mạch đơn giản, hợp lý và bảo trì hơn, với ít bộ phận hơn và xử lý sự cố dễ dàng hơn.

Để chọn ra một thành phần điện tử cụ thể và gọi rằng "bánh mì và bơ" là ngớ ngẩn, như tất cả các loại tuyên bố "quan trọng nhất" này. Ví dụ, đếm điện trở trong các mạch tương tự, và tôi chắc chắn rằng bạn sẽ thấy chúng vượt trội hơn so với opamp bởi một lề rộng.

Ngoài ra, mọi thứ thay đổi. Đã có lúc ống chân không là thành phần "quan trọng nhất" hay "bánh mì và bơ" ngớ ngẩn của giáo dân, sau đó là bóng bán dẫn.

Bạn không bao giờ cần sử dụng opamp, nhưng nó có thể là cách hiệu quả nhất để thực hiện một mạch đến một thông số cụ thể. Rốt cuộc, opamp được làm từ bóng bán dẫn, vì vậy có thể sử dụng một loạt các bóng bán dẫn (với một vài thành phần khác) để thay thế.

Điểm hấp dẫn của opamp là chúng là hiện thân của một khối xây dựng phổ biến và dễ sử dụng. Với sự kỳ diệu của các mạch tích hợp, đôi khi các khối xây dựng này có thể là kích thước và giá thành của các bóng bán dẫn đơn lẻ. Bất kỳ một opamp nào cũng có thể là quá mức cần thiết cho bất kỳ một ứng dụng cụ thể nào, nhưng đòn bẩy lớn của các mạch tích hợp được sản xuất hàng loạt cho phép chúng rẻ và đủ nhỏ để nó thường rẻ hơn và nhỏ hơn để sử dụng toàn bộ opamp khi chỉ một vài bóng bán dẫn của nó thực sự Cần thiết.

Để sử dụng sự tương tự của bạn với vòng lặp FOR trong ngôn ngữ lập trình, bạn thực sự không cần phải sử dụng cấu trúc này. Bạn có thể tự khởi tạo, tăng và tự kiểm tra một biến bằng mã rõ ràng. Đôi khi bạn làm điều đó khi bạn muốn làm những điều đặc biệt và cấu trúc FOR đóng hộp quá cứng nhắc. Tuy nhiên, hầu hết thời gian thuận tiện hơn và ít xảy ra lỗi hơn khi sử dụng cấu trúc FOR cho các vòng lặp. Cũng giống như với opamp, bạn có thể không sử dụng tất cả các tính năng của cấu trúc cấp cao đóng hộp này trong từng trường hợp, nhưng chính sự đơn giản của nó làm cho nó có giá trị. Ví dụ, hầu hết các ngôn ngữ cho phép gia tăng là một cái gì đó không phải là 1, nhưng có lẽ bạn chỉ sử dụng điều đó hiếm khi.

Không giống như cấu trúc FOR, không có trình biên dịch nào tối ưu hóa một opamp trong một mạch riêng để chỉ các tính năng mà bạn yêu cầu trong trường hợp đó. Tuy nhiên, lợi thế rất lớn của việc sản xuất mạch tích hợp khối lượng làm giảm các tính năng đó xuống ít hơn so với một vài hướng dẫn bổ sung trong vòng lặp FOR. Hãy nghĩ về opamp giống như một vòng lặp FOR đầy đủ tính năng được triển khai trong tập lệnh, trong đó có cùng một hướng dẫn để thực thi xem tất cả các tính năng của nó có được sử dụng hay không, và ít hướng dẫn hơn bạn sẽ phải sử dụng, ngay cả đối với các trường hợp đơn giản.

Opamp là một loạt các bóng bán dẫn được đóng gói để trình bày một khối xây dựng "đẹp" và được cung cấp với giá chỉ bằng một hoặc một vài trong số các bóng bán dẫn đó. Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian trong thiết kế để đối phó với tất cả các sai lệch của bóng bán dẫn và tương tự, mà kỹ thuật sản xuất có thể được sử dụng để đảm bảo kết hợp tốt giữa các bóng bán dẫn và cho phép đo và cắt các thông số gần với lý tưởng hơn. Ví dụ, bạn có thể tạo một mặt trước vi sai với hai bóng bán dẫn, nhưng việc giảm điện áp đầu vào xuống chỉ còn vài mV là không đáng kể.

Tất cả các kỹ thuật dựa trên việc sử dụng các khối xây dựng có sẵn tại một số điểm và opamp là một khối xây dựng hữu ích cho các mạch tương tự. Điều này thực sự không khác gì sử dụng bóng bán dẫn. Rất nhiều quá trình xử lý đã đi vào tinh chế silicon, pha tạp nó, cắt nó, đóng gói và thử nghiệm nó mà chúng ta phần nào coi là một bóng bán dẫn rời rạc. Opamp được tích hợp nhiều hơn các bóng bán dẫn riêng lẻ, nhưng vẫn ở mức khá "thấp" trong sơ đồ của mọi thứ.

Quay lại với sự tương tự phần mềm, điều này giống như sử dụng các chương trình con hiện có để bắt đầu với việc viết mã cho ứng dụng cụ thể của bạn. Trong trường hợp các cuộc gọi HĐH, bạn không có lựa chọn sử dụng chúng. Điều đó sẽ giống như tinh chế silicon của riêng bạn. Opamp giống như các cuộc gọi tiện lợi mà bạn có thể tự viết, nhưng làm như vậy sẽ ngớ ngẩn trong hầu hết các trường hợp. Ví dụ, có lẽ bạn đã phải chuyển đổi một số nguyên thành chuỗi thập phân ASCII nhiều lần, nhưng bạn đã viết mã của riêng mình bao nhiêu lần? Bạn có thể đã sử dụng các cuộc gọi thư viện thời gian chạy cho điều đó, hoặc thậm chí gọi những cuộc gọi ngầm đó thông qua các cấu trúc cấp cao hơn có sẵn trong ngôn ngữ của bạn (như printf trong C).

Opamp lý tưởng có trở kháng đầu vào vô hạn, bù 0, trở kháng đầu ra 0, băng thông vô hạn và có giá $ 0. Không có opamp là lý tưởng, và những thông số này và các thông số khác có tầm quan trọng tương đối khác nhau trong các thiết kế khác nhau. Đây là lý do tại sao có rất nhiều opamp. Mỗi cái được tối ưu hóa cho một bộ đánh đổi khác nhau. Ví dụ, đôi khi bạn nghe rằng LM324 là một opamp "nhảm nhí". Điều này là không đúng sự thật cả. Đó là một opamp siêu hạng khi giá là ưu tiên cao. Khi một vài mV bù, băng thông tăng 1 MHz *, v.v., đủ tốt, mọi thứ khác chỉ là giá quá cao.

Về nhận xét của bạn "Nó khiến tôi nghĩ rằng tôi đang thiếu một cái gì đó cơ bản, để giải thích tại sao một thành phần như thế này có lẽ là một cái gì đó giống như một" vòng lặp "cho:

Bạn có thể đang tìm kiếm một khái niệm hậu môn trong điện tử cho khái niệm Turing Complete được tìm thấy trong khoa học máy tính hoặc khái niệm về tính đầy đủ chức năng được tìm thấy trong đại số boolean (và do đó logic kỹ thuật số).

Theo như tôi biết, không có khái niệm "hoàn chỉnh" trong các mạch tương tự, nơi tất cả các mạch có thể được lấy từ một tập hợp các khối xây dựng cơ bản ...

Có một số quy tắc về các mạch tương tự mà bạn sẽ gặp phải khi nghiên cứu Lý thuyết hệ thống và trong các Hệ thống bất biến thời gian tuyến tính cụ thể.

Tôi hy vọng điều này có ích, nhưng nó có thể không phải là những gì bạn đang tìm kiếm.

Có nhiều trường hợp, trong cả điện tử tương tự và kỹ thuật số, trong đó có thể xác định (nhưng không xây dựng) một thành phần lý tưởng, và sau đó thiết kế một mạch sẽ đáp ứng các yêu cầu nếu được chế tạo với các thành phần nằm trong một dung sai lý tưởng nhất định. Lý luận về thiết kế với các thành phần có hành vi lý tưởng đơn giản hóa thường dễ hơn lý luận về thiết kế sử dụng các thành phần trong thế giới thực với các hành vi trong thế giới thực phức tạp hơn.

Trong nhiều trường hợp, có thể mô hình hóa một thiết kế sử dụng các thành phần trong thế giới thực, gán dung sai cho phép cho các tín hiệu ở từng giai đoạn trong thiết kế và sau đó hiển thị rằng các thành phần trong thế giới thực, khi được cung cấp bất kỳ kết hợp đầu vào nào trong phạm vi dung sai được chỉ định đối với các tín hiệu đó, sẽ tạo ra các đầu ra nằm trong dung sai được chỉ định cho các tín hiệu đó. Trong trường hợp điều này là có thể, việc gán các giá trị dung sai như vậy thường sẽ tránh được sự cần thiết phải phân tích chi tiết hơn.

Một trong những lý do mà op amps rất phổ biến là vì ở một khía cạnh nào đó, một "hành vi lý tưởng" rõ ràng cho op amp và thật dễ dàng để mô tả những sai lệch nhất định từ hành vi đó. Nếu một bộ khuếch đại vi sai được cho là có mức tăng đầu vào vi sai 10: 1, người ta phải đối phó với khả năng một phần trong thế giới thực có thể có mức tăng lớn hơn lý tưởng hoặc thấp hơn lý tưởng. Tuy nhiên, vì mức tăng của op amp lý tưởng là vô hạn, tuy nhiên, các ampe op trong thế giới thực dành cho khuếch đại thường có mức tăng thấp hơn [một số thiết bị, đặc biệt là các thiết bị dùng để so sánh, có thể bị trễ hơn mức tăng lý tưởng op amp]. Lý luận về các thiết bị trong thế giới thực chỉ có thể đi chệch khỏi lý tưởng theo một hướng thường dễ hơn lý luận về các thiết bị có thể đi chệch hai.

Cách ly, kết hợp trở kháng, chia tỷ lệ, chuyển đổi mức, tìm nguồn cung cấp dòng điện lớn so với các thành phần kỹ thuật số và tạo tín hiệu là những ứng dụng phổ biến cho op-amps.

Nghiên cứu các cấu hình cơ bản của op-amps để xem tại sao chúng rất phổ biến trong thiết kế tương tự, đặc biệt là vai trò của bộ tạo dao động và trong điều hòa tín hiệu.

Cách đây nhiều năm, tôi đã sử dụng op-amp đảo ngược với gain để tạo bộ chuyển đổi RS-232 / MIL-188C để sử dụng lại một số dữ liệu từ AT & T Model 40 Teletype cũ sử dụng PC dựa trên 386 chạy chương trình QuickBasic 4.0 tùy chỉnh.

Chúng không thể thiếu là đầu vào cách ly và thu nhỏ đầu vào để xử lý tín hiệu số và có thể thực hiện các tác vụ tiện lợi như chuyển đổi từ điện áp sang dòng điện và tần số và trở lại.

Tôi nghĩ rằng tuyên bố "bánh mì và bơ" nghe có vẻ bổ sung cho vai trò, opamp có thể là một phần mở rộng rất tốt của các mạch, trong đó mỗi mạch có một đặc sản.

Ví dụ, nó được sử dụng làm Bộ tích hợp và Phân biệt trong lĩnh vực Kiểm soát và Điều chỉnh, còn được gọi là bộ lọc High Pass và Low Pass.

Ngoài ra, nó có thể được đặt trong các dao động ổn định, vì đầu ra của chúng phần lớn được khuếch đại bởi mức tăng của bộ khuếch đại, chỉ cần sử dụng tín hiệu đầu vào nhỏ, bạn có thể đặt opamp trong dao động bằng phản hồi tích cực, ví dụ tốt nhất là Kích hoạt Schmitt, sau đó có thể được sử dụng trong việc khử nhiễu. Do đó, chúng tạo thành các mạch như Bộ dao động dao động có thể điều chỉnh được và có thể cung cấp cho chúng một vai trò bổ sung trong bộ định thời 555 .

Bộ so sánh sử dụng chế độ điện áp chung của nó, trên thực tế, opamp có bộ khuếch đại vi sai xếp tầng theo sau là tải hoạt động của gương hiện tại, ở đầu vào của nó, nó được sử dụng làm bộ so sánh có thể so sánh các đầu vào. dựa trên đặc tính này, nguồn cung cấp đường ray kép điều khiển mạch ngay lập tức gần với điện áp ngược lại.

Vì các bộ hạn chế hiện tại trong các mạch sử dụng tụ điện, để ngăn chúng phóng điện chậm, chúng bị cách ly bởi các opamp này bởi trở kháng đầu vào cao của chúng, để chúng duy trì điện tích, cho chúng vai trò bổ sung tốt trong các mạch Chuyển và Giữ tốc độ cao