Saya memulai serangkaian artikel tentang dasar-dasar elektronik analog modern – penguat operasional. Definisi op-amp dan beberapa parameter diberikan, dan klasifikasi penguat operasional juga diberikan. Artikel ini akan membahas konsep penguat operasional ideal, dan rangkaian dasar untuk menghubungkan penguat operasional akan diberikan.

Penguat operasional ideal dan sifat-sifatnya

Karena dunia kita tidak ideal, penguat operasional yang ideal tidak ada. Namun parameter op-amp modern berada pada level yang cukup tinggi, sehingga analisis rangkaian dengan op-amp ideal memberikan hasil yang sangat mendekati penguat sebenarnya.

Untuk memahami pengoperasian rangkaian op-amp, sejumlah asumsi diperkenalkan yang mereduksi op-amp nyata menjadi penguat ideal. Hanya ada lima asumsi seperti itu:

1. Arus yang mengalir melalui input op-amp diasumsikan nol.
2. Gain op-amp diasumsikan sangat besar, yaitu tegangan keluaran penguat dapat mencapai nilai berapapun, namun kenyataannya dibatasi oleh tegangan suplai.
3. Beda tegangan antara input-input op-amp ideal adalah nol, artinya jika salah satu terminal dihubungkan ke ground, maka terminal kedua mempunyai potensial yang sama. Oleh karena itu, impedansi masukan dari penguat ideal tidak terbatas.
4. Impedansi keluaran op-amp ideal adalah nol.
5. Respon amplitudo-frekuensi dari op-amp ideal adalah datar, yaitu penguatan tidak bergantung pada frekuensi sinyal masukan.

Kedekatan parameter penguat operasional nyata dengan ideal menentukan keakuratan op-amp tertentu dapat beroperasi, serta mengetahui nilai penguat operasional tertentu dan dengan cepat dan benar memilih op-amp yang sesuai.

Berdasarkan asumsi yang dijelaskan di atas, dimungkinkan untuk menganalisis dan memperoleh hubungan untuk rangkaian dasar penguat operasional.

Rangkaian penguat operasional dasar

Seperti yang telah disebutkan pada artikel sebelumnya, op-amp hanya beroperasi dengan umpan balik, yang jenisnya menentukan apakah op-amp beroperasi dalam mode linier atau mode saturasi. Umpan balik dari keluaran op-amp ke masukan pembalik biasanya menyebabkan op-amp beroperasi dalam mode linier, sedangkan umpan balik dari keluaran op-amp ke masukan non-pembalik atau operasi loop terbuka mengakibatkan saturasi penguat.

Penguat non-pembalik

Penguat non-pembalik dicirikan oleh fakta bahwa sinyal input diterapkan ke input non-pembalik dari penguat operasional. Diagram koneksi ini ditunjukkan di bawah ini

Pengoperasian rangkaian ini dijelaskan sebagai berikut, dengan memperhatikan karakteristik op-amp ideal. Sinyal diumpankan ke penguat dengan resistansi masukan tak terhingga, dan tegangan pada masukan non-pembalik memiliki nilai yang sama dengan masukan pembalik. Arus pada keluaran penguat operasional menciptakan tegangan pada resistor R2 sama dengan tegangan masukan.

Dengan demikian, parameter utama skema ini dijelaskan oleh hubungan berikut

Dari sini kita memperoleh hubungan penguatan penguat non-pembalik

Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa hanya peringkat komponen pasif yang mempengaruhi perolehan.

Perlu diperhatikan kasus khusus ketika resistor R2 jauh lebih besar dari R1 (R2 >> R1), maka penguatannya cenderung kesatuan. Dalam hal ini, rangkaian penguat non-pembalik menjadi buffer analog atau op-follower dengan penguatan kesatuan, impedansi masukan sangat tinggi, dan impedansi keluaran hampir nol. Hal ini memastikan pemisahan input dan output yang efektif.

Penguat pembalik

Penguat pembalik dicirikan oleh fakta bahwa masukan non-pembalik dari penguat operasional dibumikan (yaitu, dihubungkan ke pin catu daya umum). Dalam op-amp ideal, perbedaan tegangan antara input penguat adalah nol. Oleh karena itu, rangkaian umpan balik harus memastikan bahwa tegangan pada masukan pembalik juga sama dengan nol. Rangkaian penguat pembalik ditunjukkan di bawah ini

Pengoperasian rangkaian dijelaskan sebagai berikut. Arus yang mengalir melalui terminal pembalik pada op-amp ideal adalah nol, sehingga arus yang mengalir melalui resistor R1 dan R2 sama besar dan berlawanan arah, maka hubungan dasarnya adalah:

Maka penguatan rangkaian ini akan sama dengan

Tanda minus pada rumus ini menunjukkan bahwa sinyal keluaran rangkaian terbalik terhadap sinyal masukan.

Integrator

Integrator memungkinkan Anda mengimplementasikan rangkaian di mana perubahan tegangan keluaran sebanding dengan sinyal masukan. Rangkaian integrator op-amp paling sederhana ditunjukkan di bawah ini

Integrator penguat operasional.

Rangkaian ini mengimplementasikan operasi integrasi pada sinyal input. Saya telah mempertimbangkan skema untuk mengintegrasikan berbagai sinyal menggunakan integrasi. Integrator menerapkan perubahan serupa pada sinyal input, tetapi memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan dengan mengintegrasikan rantai. Pertama, rangkaian RC dan RL melemahkan sinyal masukan secara signifikan, dan kedua, memiliki impedansi keluaran yang tinggi.

Dengan demikian, hubungan perhitungan utama integrator serupa dengan rangkaian RC dan RL yang terintegrasi, dan tegangan keluarannya adalah

Integrator telah banyak diterapkan di banyak perangkat analog, seperti filter aktif dan sistem kontrol otomatis

Pembeda

Tindakan diferensiator berlawanan dengan tindakan integrator, yaitu sinyal keluaran sebanding dengan laju perubahan sinyal masukan. Diagram pembeda paling sederhana ditunjukkan di bawah ini

Diferensiator mengimplementasikan operasi diferensiasi pada sinyal masukan dan mirip dengan tindakan pembeda, selain itu, ia memiliki parameter yang lebih baik dibandingkan dengan rangkaian RC dan RL: praktis tidak melemahkan sinyal masukan dan memiliki resistansi keluaran yang jauh lebih rendah. Hubungan perhitungan dasar dan respons terhadap berbagai impuls mirip dengan rantai pembeda.

Tegangan keluarannya adalah

Salah satu rangkaian penguat operasional yang telah menemukan aplikasinya adalah konverter logaritmik. Rangkaian ini menggunakan properti transistor bipolar. Rangkaian konverter logaritma paling sederhana disajikan di bawah ini

Sirkuit ini digunakan terutama sebagai kompresor sinyal untuk meningkatkan jangkauan dinamis, serta untuk menjalankan fungsi matematika.

Mari kita pertimbangkan prinsip pengoperasian konverter logaritma. Seperti diketahui, arus yang mengalir melalui dioda digambarkan dengan persamaan berikut

dimana I O adalah arus balik dioda,
e – bilangan e, basis logaritma natural, e ≈ 2,72,
q – muatan elektron,
U – tegangan dioda,
k – Konstanta Boltzmann,
T – suhu dalam derajat Kelvin.

Saat menghitung, Anda dapat mengambil I O ≈ 10-9 A, kT/q = 25 mV. Jadi, arus input rangkaian ini adalah

maka tegangan outputnya

Konverter logaritmik paling sederhana praktis tidak digunakan, karena memiliki sejumlah kelemahan serius:

1. Sensitivitas tinggi terhadap suhu.
2. Dioda tidak memberikan akurasi konversi yang memadai, karena hubungan antara penurunan tegangan dan arus dioda tidak sepenuhnya logaritmik.

Akibatnya, alih-alih dioda, mereka digunakan dalam sambungan dioda atau dengan basis ground.

Rangkaian konverter eksponensial diperoleh dari konverter logaritmik dengan mengubah letak dioda dan resistor pada rangkaian. Dan pengoperasian rangkaian seperti itu, serta konverter logaritmik, didasarkan pada hubungan logaritmik antara penurunan tegangan pada dioda dan arus yang mengalir melalui dioda. Rangkaian konverter eksponensial ditunjukkan di bawah ini

Pengoperasian rangkaian dijelaskan oleh ekspresi terkenal

Dengan demikian, tegangan keluarannya adalah

Sama seperti konverter logaritmik, konverter eksponensial paling sederhana dengan dioda pada input jarang digunakan, karena alasan yang dijelaskan di atas, oleh karena itu, alih-alih dioda pada input, transistor bipolar digunakan dalam koneksi dioda atau dengan basis bersama.

Artikel ini akan membahas penguat operasional standar, dan juga memberikan contoh berbagai mode pengoperasian perangkat ini. Saat ini, tidak ada satu pun perangkat kontrol yang dapat berfungsi tanpa amplifier. Ini adalah perangkat yang benar-benar universal yang memungkinkan Anda melakukan berbagai fungsi dengan sinyal. Anda akan mempelajari lebih lanjut tentang cara kerjanya dan apa sebenarnya yang dapat Anda lakukan oleh perangkat ini.

Penguat pembalik

Rangkaian penguat inverting op-amp cukup sederhana, bisa dilihat pada gambar. Ini didasarkan pada penguat operasional (rangkaian koneksinya dibahas dalam artikel ini). Selain itu, di sini:

1. Ada penurunan tegangan pada resistor R1; nilainya sama dengan input.
2. Ada juga R2 pada resistor - sama dengan outputnya.

Dalam hal ini, rasio tegangan keluaran terhadap resistansi R2 sama nilainya dengan rasio tegangan masukan terhadap R1, tetapi bertanda sebaliknya. Mengetahui nilai resistansi dan tegangan, penguatan dapat dihitung. Untuk melakukan ini, Anda perlu membagi tegangan keluaran dengan tegangan masukan. Dalam hal ini, penguat operasional (rangkaian koneksinya bisa apa saja) dapat memiliki penguatan yang sama, apa pun jenisnya.

Operasi umpan balik

Sekarang kita perlu melihat lebih dekat pada satu poin penting - bagaimana umpan balik bekerja. Katakanlah ada tegangan pada input. Untuk mempermudah penghitungan, anggap nilainya sama dengan 1 V. Anggap juga R1=10 kOhm, R2=100 kOhm.

Sekarang mari kita asumsikan bahwa beberapa situasi yang tidak terduga telah muncul, yang menyebabkan tegangan pada keluaran tahap diatur ke 0 V. Selanjutnya, gambaran menarik diamati - dua resistansi mulai bekerja berpasangan, bersama-sama mereka menciptakan pembagi tegangan. Pada keluaran tahap pembalik, dipertahankan pada level 0,91 V. Dalam hal ini, op-amp memungkinkan ketidaksesuaian pada masukan dicatat, dan tegangan pada keluaran menurun. Oleh karena itu, sangat sederhana untuk merancang rangkaian penguat operasional yang mengimplementasikan fungsi penguat sinyal dari sebuah sensor, misalnya.

Dan perubahan ini akan terus berlanjut hingga keluaran mencapai nilai stabil 10 V. Pada saat inilah potensial pada masukan penguat operasional akan sama. Dan jumlahnya akan sama dengan potensi bumi. Di sisi lain, jika tegangan pada keluaran perangkat terus menurun dan kurang dari -10 V, potensi pada masukan akan menjadi lebih rendah dibandingkan dengan ground. Konsekuensinya adalah tegangan keluaran mulai meningkat.

Rangkaian ini memiliki kelemahan besar - impedansi masukan sangat kecil, terutama untuk amplifier dengan penguatan tegangan tinggi, jika rangkaian umpan balik ditutup. Dan desain yang dibahas lebih lanjut tidak memiliki semua kekurangan ini.

Penguat non-pembalik

Gambar tersebut menunjukkan rangkaian penguat operasional non-pembalik. Setelah menganalisanya, kita dapat menarik beberapa kesimpulan:

1. Nilai tegangan UA sama dengan tegangan masukan.
2. Tegangan UA dikeluarkan dari pembagi, yang sama dengan rasio produk tegangan keluaran dan R1 dengan jumlah resistansi R1 dan R2.
3. Jika nilai UA sama dengan tegangan masukan, maka penguatannya sama dengan rasio tegangan keluaran terhadap masukan (atau Anda dapat menambahkan satu pada rasio resistansi R2 dan R1).

Desain ini disebut penguat non-pembalik; ia memiliki impedansi masukan yang hampir tak terbatas. Misalnya, untuk penguat operasional seri 411, nilainya minimum 1012 Ohm. Dan untuk penguat operasional berdasarkan transistor semikonduktor bipolar, biasanya lebih dari 108 Ohm. Tetapi impedansi keluaran kaskade, serta rangkaian yang dibahas sebelumnya, sangat kecil - sepersekian ohm. Dan ini harus diperhitungkan ketika menghitung rangkaian menggunakan penguat operasional.

Rangkaian Penguat AC

Kedua rangkaian yang dibahas sebelumnya di artikel berfungsi. Tetapi jika hubungan antara sumber sinyal input dan penguat adalah arus bolak-balik, maka Anda harus menyediakan landasan untuk arus pada input perangkat. Selain itu, Anda perlu memperhatikan fakta bahwa nilai saat ini sangat kecil.

Jika sinyal AC diperkuat, penguatan sinyal DC perlu dikurangi menjadi satu. Hal ini terutama berlaku untuk kasus di mana penguatan tegangan sangat besar. Berkat ini, pengaruh tegangan geser yang diarahkan ke input perangkat dapat dikurangi secara signifikan.

Contoh kedua rangkaian untuk bekerja dengan tegangan bolak-balik

Di sirkuit ini, pada level -3 dB, korespondensi dengan frekuensi 17 Hz dapat dilihat. Di atasnya, impedansi kapasitor berada pada level dua kilo-ohm. Oleh karena itu, kapasitor harus cukup besar.

Untuk membangun penguat AC, Anda harus menggunakan rangkaian op-amp jenis non-pembalik. Dan harus mempunyai penguatan tegangan yang cukup besar. Namun kapasitornya mungkin terlalu besar, jadi sebaiknya tidak digunakan. Benar, Anda harus memilih tegangan geser yang tepat, menyamakan nilainya dengan nol. Atau Anda dapat menggunakan pembagi berbentuk T dan meningkatkan nilai resistansi kedua resistor dalam rangkaian.

Skema mana yang lebih baik untuk digunakan?

Kebanyakan desainer lebih memilih amplifier non-inverting karena mempunyai impedansi masukan yang sangat tinggi. Dan mereka mengabaikan rangkaian tipe pembalik. Namun yang terakhir ini memiliki keuntungan besar - tidak menuntut penguat operasional itu sendiri, yang merupakan "jantungnya".

Selain itu, karakteristiknya pun nyatanya jauh lebih baik. Dan dengan bantuan landasan imajiner, Anda dapat dengan mudah menggabungkan semua sinyal, dan sinyal tersebut tidak akan saling mempengaruhi. Rangkaian penguat DC berdasarkan penguat operasional juga dapat digunakan dalam desain. Itu semua tergantung kebutuhan.

Dan hal terakhir adalah jika seluruh rangkaian yang dibahas di sini dihubungkan ke keluaran stabil op-amp lain. Dalam hal ini, nilai impedansi masukan tidak memainkan peran penting - setidaknya 1 kOhm, setidaknya 10, setidaknya tak terhingga. Dalam hal ini, tahap pertama selalu menjalankan fungsinya dalam kaitannya dengan tahap berikutnya.

Sirkuit pengulang

Repeater berdasarkan penguat operasional beroperasi mirip dengan emitor yang dibangun di atas transistor bipolar. Dan ia melakukan fungsi serupa. Pada dasarnya, ini adalah penguat non-pembalik di mana resistansi resistor pertama sangat besar, dan resistansi resistor kedua adalah nol. Dalam hal ini, keuntungannya sama dengan kesatuan.

Ada jenis penguat operasional khusus yang digunakan dalam teknologi hanya untuk rangkaian repeater. Mereka memiliki karakteristik yang jauh lebih baik - biasanya kinerja tinggi. Contohnya termasuk penguat operasional seperti OPA633, LM310, TL068. Yang terakhir memiliki badan seperti transistor, serta tiga terminal. Seringkali penguat seperti itu disebut buffer. Faktanya adalah mereka memiliki sifat isolator (impedansi masukan sangat tinggi dan impedansi masukan sangat rendah). Kira-kira prinsip yang sama digunakan untuk membangun rangkaian penguat arus berdasarkan penguat operasional.

Modus aktif

Pada dasarnya, ini adalah mode operasi di mana output dan input penguat operasional tidak kelebihan beban. Jika sinyal yang sangat besar diterapkan ke masukan rangkaian, maka pada keluarannya sinyal tersebut akan mulai dipotong sesuai dengan level tegangan kolektor atau emitor. Tetapi ketika tegangan keluaran ditetapkan pada level cutoff, tegangan pada masukan op-amp tidak berubah. Dalam hal ini, rentangnya tidak boleh lebih besar dari tegangan suplai

Kebanyakan rangkaian op-amp dirancang sedemikian rupa sehingga ayunan ini lebih kecil 2 V dari tegangan suplai. Tapi itu semua tergantung pada rangkaian penguat op-amp spesifik yang digunakan. Ada batasan yang sama pada stabilitas berdasarkan penguat operasional.

Katakanlah ada penurunan tegangan tertentu pada sumber dengan beban mengambang. Jika arus bergerak ke arah normal, Anda mungkin menemui beban yang sekilas terlihat aneh. Misalnya, beberapa baterai dengan polarisasi terbalik. Desain ini dapat digunakan untuk mendapatkan arus pengisian langsung.

Beberapa tindakan pencegahan

Penguat tegangan sederhana berdasarkan penguat operasional (rangkaian apa pun dapat dipilih) dapat dibuat secara harfiah “berlutut”. Namun Anda perlu mempertimbangkan beberapa fitur. Sangat penting untuk memastikan bahwa umpan balik di sirkuit adalah negatif. Hal ini juga menunjukkan bahwa tidak dapat diterima untuk mengacaukan input penguat non-pembalik dan pembalik. Selain itu, loop umpan balik untuk arus searah harus ada. Jika tidak, op-amp akan cepat jenuh.

Kebanyakan op amp memiliki tegangan diferensial masukan yang sangat kecil. Dalam hal ini, perbedaan maksimum antara input non-pembalik dan pembalik dapat dibatasi hingga 5 V untuk setiap sambungan sumber daya. Jika kondisi ini diabaikan, nilai arus yang cukup besar akan muncul pada input, yang akan mengakibatkan semua karakteristik rangkaian akan menurun.

Hal terburuk tentang ini adalah kehancuran fisik dari penguat operasional itu sendiri. Akibatnya rangkaian penguat operasional berhenti bekerja sepenuhnya.

Harus diperhitungkan

Dan, tentu saja, kita perlu membicarakan aturan yang harus dipatuhi untuk memastikan pengoperasian penguat operasional yang stabil dan tahan lama.

Yang terpenting op-amp tersebut mempunyai gain tegangan yang sangat tinggi. Dan jika tegangan antara masukan berubah sepersekian milivolt, nilainya pada keluaran dapat berubah secara signifikan. Oleh karena itu, penting untuk diketahui: keluaran dari penguat operasional mencoba memastikan bahwa perbedaan tegangan antara masukan mendekati (idealnya sama) ke nol.

Aturan kedua adalah konsumsi arus penguat operasional sangat kecil, secara harfiah nanoampere. Jika transistor efek medan dipasang pada input, maka dihitung dalam picoamps. Dari sini kita dapat menyimpulkan bahwa input tidak mengkonsumsi arus, terlepas dari penguat operasional mana yang digunakan, rangkaian – prinsip operasinya tetap sama.

Namun Anda tidak boleh berpikir bahwa op-amp benar-benar terus-menerus mengubah tegangan pada input. Secara fisik, hal ini hampir mustahil untuk dicapai, karena tidak akan ada korespondensi dengan aturan kedua. Berkat penguat operasional, status semua input dinilai. Menggunakan rangkaian umpan balik eksternal, tegangan ditransfer ke masukan dari keluaran. Hasilnya adalah perbedaan tegangan antara input penguat operasional adalah nol.

Konsep umpan balik

Ini adalah konsep umum dan sudah digunakan dalam arti luas di semua bidang teknologi. Setiap sistem kontrol memiliki umpan balik yang membandingkan sinyal keluaran dan nilai yang ditetapkan (referensi). Tergantung pada nilai saat ini, penyesuaian terjadi ke arah yang diinginkan. Apalagi sistem kendalinya bisa apa saja, bahkan mobil yang melaju di jalan raya.

Pengemudi menginjak rem, dan umpan balik di sini adalah awal dari perlambatan. Dengan menggambar analogi dengan contoh sederhana, Anda dapat lebih memahami umpan balik dalam rangkaian elektronik. Dan feedback negatifnya adalah jika saat menginjak pedal rem mobil berakselerasi.

Dalam elektronik, umpan balik adalah proses di mana sinyal ditransfer dari keluaran ke masukan. Dalam hal ini, sinyal pada input juga ditekan. Di satu sisi, ini bukanlah gagasan yang masuk akal, karena dari luar mungkin tampak bahwa keuntungannya akan berkurang secara signifikan. Omong-omong, para pendiri pengembangan umpan balik di bidang elektronik menerima umpan balik seperti itu. Namun ada baiknya memahami lebih detail pengaruhnya terhadap penguat operasional - pertimbangkan rangkaian praktis. Dan akan menjadi jelas bahwa ini sebenarnya sedikit mengurangi penguatan, tetapi memungkinkan Anda untuk sedikit meningkatkan parameter lainnya:

1. Menghaluskan karakteristik frekuensi (membawanya ke tingkat yang diperlukan).
2. Memungkinkan Anda memprediksi perilaku amplifier.
3. Mampu menghilangkan nonlinier dan distorsi sinyal.

Semakin dalam umpan baliknya (kita berbicara tentang negatif), semakin kecil pengaruh karakteristik loop terbuka pada amplifier. Hasilnya adalah semua parameternya hanya bergantung pada properti apa yang dimiliki rangkaian tersebut.

Perlu diperhatikan fakta bahwa semua penguat operasional beroperasi dalam mode dengan umpan balik yang sangat dalam. Dan penguatan tegangan (dengan loop terbukanya) bahkan bisa mencapai beberapa juta. Oleh karena itu, rangkaian penguat penguat operasional sangat menuntut kepatuhan terhadap semua parameter yang berkaitan dengan catu daya dan level sinyal input.

Penguat daya. Rangkaian linier berdasarkan op-amp.

Op-amp banyak digunakan pada perangkat elektronik analog. Lebih mudah untuk mempertimbangkan fungsi yang diimplementasikan oleh op-amp dengan OOS jika kita membayangkan op-amp dalam bentuk model ideal di mana:

1. Resistansi masukan penguat operasional tidak terhingga, arus elektroda masukan adalah nol (Rin > ∞, i+ = i- = 0).
2. Impedansi keluaran penguat operasional adalah nol, yaitu. Op-amp pada sisi masukan merupakan sumber tegangan ideal (Rout = 0).
3. Penguatan tegangan (penguatan tegangan diferensial) tidak terbatas, dan sinyal diferensial dalam mode amplifikasi adalah nol (jangan korsleting kabel op-amp).
4. Dalam mode saturasi, tegangan keluaran sama besarnya dengan tegangan suplai, dan tandanya ditentukan oleh polaritas tegangan masukan. Penting untuk dicatat bahwa dalam mode saturasi, sinyal diferensial tidak selalu dapat dianggap nol.
5. Sinyal mode umum tidak berpengaruh pada op-amp.
6. Tegangan offset nol adalah nol.

Penguat pembalik op amp

Rangkaian penguat pembalik yang diliputi oleh umpan balik tegangan paralel ditunjukkan pada gambar:

OOS diwujudkan dengan menghubungkan output amplifier ke input dengan resistor R2.

Pada input pembalik op-amp, arus dijumlahkan. Karena arus masukan op amp i- = 0, maka i1 = i2. Karena i1 = Uin /R1, dan i2 = -Uout /R2, maka . Ku = = -R2/R1. Tanda “-” menunjukkan bahwa tanda tegangan masukan terbalik.

Pada Gambar (b), resistor R3 dimasukkan ke dalam rangkaian masukan non-pembalik untuk mengurangi pengaruh arus masukan op-amp, yang resistansinya ditentukan dari persamaan:

Impedansi masukan penguat pada frekuensi rendah kira-kira sama dengan Rin.os = ≈ R1

Resistansi keluaran Rout.os = jauh lebih kecil dari Rout op-amp itu sendiri.

Penguat op-amp non-pembalik

Rangkaian penguat non-pembalik yang diliputi oleh umpan balik tegangan seri ditunjukkan pada gambar:

OOS diimplementasikan menggunakan resistor R1, R2.

Dengan menggunakan asumsi yang diterima sebelumnya untuk model ideal, kita peroleh

Resistansi masukan: Rin.os → ∞

Resistansi keluaran: Rout.os = → 0

Kerugian dari amplifikasi adalah adanya input sinyal mode umum yang sama dengan Uin.

Pengikut tegangan pada op-amp

Rangkaian repeater yang diperoleh dari rangkaian penguat non verting dengan R1 → ∞, R2 → 0 ditunjukkan pada gambar:

Koefisien β = 1, Ku.oc = K/1+K ≈ 1, yaitu tegangan pada masukan dan keluaran op-amp adalah sama: Uin = Uout.

Penambah tegangan pada op-amp (inverting adder)

Rangkaian penguat inverting dengan rangkaian input tambahan ditunjukkan pada gambar:

Mengingat i+ = i- = 0, ioc = - Uout /Roс = Uin1 /R1 + Uin2 /R2 + ... + Uin /Rn, kita peroleh: Uout = -Roс (Uin1 /R1 + Uin2 /R2 + .. .+Uin/Rn)

Jika Roс = R1 = R2 = ... = Rn, maka Uout = - (Uin1 + Uin2 + ... + Uinn ).

Op-amp beroperasi dalam mode linier.

Untuk mengurangi pengaruh arus input op-amp, resistor Re (ditunjukkan sebagai garis putus-putus pada gambar) dengan resistansi: Re = R1//R2//…//Rn//Roc disertakan dalam rangkaian masukan non-pembalik.

Penguat subtraktif Op-amp

Rangkaian penguat dengan input diferensial ditunjukkan pada gambar:

Penguat merupakan kombinasi penguat inverting dan non inverting. Dalam hal ini, tegangan keluaran ditentukan dari ekspresi:

U keluar = Uin2 R3/(R3+R4) (1+R2/R1) - Uin1 R2/R1

Ketika R1 = R2 = R3 = R4: Uout = Uin2 - Uin1 – yaitu. tergantung pada perbedaan antara sinyal masukan.

Op amp mengintegrasikan penguat

Rangkaian integrator dimana kapasitor dipasang pada rangkaian OOS ditunjukkan pada gambar:

Biarkan pulsa persegi panjang Uin disuplai ke input. Pada interval t1...t2, amplitudo Uin sama dengan U. Karena arus masukan op-amp adalah nol, maka |iin | = |-ic |, iin = Uin /R1, ic = C dUout /dt.

Uin /R1 = C dUout /dt atau

dimana Uout (0) adalah tegangan pada keluaran (kapasitor C) pada awal integrasi (pada waktu t1).

τ = R1 · C – konstanta waktu integrasi, yaitu waktu selama Uout akan berubah sebesar ΔUout = U.

Jadi, tegangan keluaran pada interval t1...t2 berubah menurut hukum linier dan mewakili integral dari tegangan masukan. Konstanta waktu harus sedemikian rupa hingga akhir integrasi Uout< Eпит .

Penguat diferensiasi

Dengan menukar R1 dan C1 secara integral, kita memperoleh rangkaian penguat pembeda:

Dengan analogi dengan penguat integrasi, kita menulis:

Ic = C dUin /dt, IR2 = -Uout /R

Karena |Ik | = |-IR2 |, maka Uout = - CR dUin /dt

τ = CR – konstanta diferensiasi.

Penggunaan op-amp tidak terbatas pada rangkaian di atas.

Filter aktif

Dalam elektronik, perangkat banyak digunakan untuk mengisolasi sinyal yang berguna dari sejumlah sinyal masukan sekaligus melemahkan sinyal yang mengganggu melalui penggunaan filter.

Filter dibagi menjadi filter non-pasif, dibuat berdasarkan kapasitor, induktor dan resistor, dan filter aktif, berdasarkan transistor dan penguat operasional.

Filter aktif biasanya digunakan dalam elektronik informasi. Istilah “aktif” dijelaskan dengan dimasukkannya filter elemen aktif (dari transistor atau op-amp) ke dalam rangkaian RLC untuk mengkompensasi rugi-rugi pada elemen pasif.

Filter adalah perangkat yang meneruskan sinyal dalam pita sandi dan menundanya di rentang frekuensi lainnya.

Berdasarkan jenis respon frekuensinya, filter dibedakan menjadi filter lolos rendah (LPF), dan filter lolos tinggi (HPF), filter bandpass, dan filter takik.

Diagram low-pass filter paling sederhana dan respon frekuensinya ditunjukkan pada gambar:

Pada passband 0 - fc, sinyal yang berguna melewati filter low-pass tanpa distorsi.

Fс – fз – jalur transisi,
fз - ∞ – pita penghenti,
fс – frekuensi cutoff,
fз – frekuensi penundaan.

Filter high-pass memungkinkan sinyal frekuensi tinggi melewatinya dan memblokir sinyal frekuensi rendah.

Filter bandpass melewatkan sinyal dari satu pita frekuensi yang terletak di beberapa bagian dalam sumbu frekuensi.

Rangkaian filter disebut jembatan Wien. Pada frekuensi f0 =

Jembatan Wien memiliki koefisien transmisi β = 1/3. Dengan R1 = R2 = R dan C1 = C2 = C

Filter takik tidak mengizinkan sinyal dalam pita frekuensi tertentu melewatinya dan memungkinkan sinyal pada frekuensi lain melewatinya.

Rangkaian filter disebut jembatan T ganda tidak seimbang.

Dimana R1 = R2 = R3 = R, C1 = C2 = C3 = C.

Sebagai contoh, perhatikan filter low-pass aktif dua kutub (sesuai dengan jumlah kapasitor).

Op-amp beroperasi dalam mode linier. Saat menghitung, fc ditentukan. Penguatan pada pita sandi harus memenuhi kondisi: K0 ≤ 3.

Jika kita ambil C1 = C2 = C, R1 = R2 = R, maka C = 10/fc, dimana fc dalam Hz, C dalam µF,

Untuk mendapatkan perubahan penguatan yang lebih cepat ketika seseorang menjauh dari pita sandi, rangkaian serupa dihubungkan secara seri.

Dengan menukar resistor R1, R2 dan kapasitor C1, C2, kita mendapatkan filter high-pass.

Amplifier selektif

Penguat selektif memungkinkan Anda memperkuat sinyal dalam rentang frekuensi terbatas, menyorot sinyal yang berguna dan melemahkan sinyal lainnya. Hal ini dicapai dengan menggunakan filter khusus di rangkaian umpan balik penguat. Rangkaian penguat selektif dengan jembatan berbentuk T ganda pada rangkaian umpan balik negatif ditunjukkan pada gambar:

Koefisien transmisi filter (kurva 3) berkurang dari 0 menjadi 1. Respon frekuensi penguat diilustrasikan oleh kurva 1. Pada frekuensi kuasi-resonansi, koefisien transmisi filter pada rangkaian umpan balik negatif adalah nol, Uout maksimum. Pada frekuensi di kiri dan kanan f0, koefisien transmisi filter cenderung satu dan Uout = Uin. Dengan demikian, filter mengalokasikan pita sandi Δf, dan penguat melakukan operasi amplifikasi analog.

Generator harmonik

Sistem kendali menggunakan generator sinyal dari berbagai jenis. Generator osilasi harmonik adalah perangkat yang menghasilkan tegangan sinusoidal bolak-balik.

Diagram blok generator tersebut ditunjukkan pada gambar:

Tidak ada sinyal masukan. Uout = K · Uos .

Agar osilasi sinusoidal dapat terjadi, kondisi eksitasi diri harus dipenuhi hanya untuk satu frekuensi:
K γ = 1 – keseimbangan amplitudo,
φ + ψ = 2πn – keseimbangan fasa,
di mana K adalah penguatan penguat,
γ – koefisien transmisi tautan umpan balik positif,
φ – pergeseran fasa untuk penguat,
ψ – pergeseran fasa untuk rangkaian umpan balik,
n = 0, 1, ...

Generator utama sinyal sinusoidal adalah filter, seperti jembatan Wien. Generator berbasis op-amp yang berisi jembatan Wien ditunjukkan pada gambar:

Generator menghasilkan sinyal sinusoidal dengan frekuensi .

Pada frekuensi f0, koefisien transmisi filter adalah β = 1/3. Penguat harus mempunyai penguatan K ≥ 3, yang diatur oleh resistor R1 dan R2. Masalah penting adalah stabilisasi amplitudo Uout, yang disediakan oleh resistor R3 dan dioda zener VD1 dan VD2. Pada Uout rendah, tegangan pada VD1 dan VD2 lebih kecil dari tegangan stabilisasi dan R3 tidak di-shunt oleh dioda zener. Dalam hal ini, K > 3 dan Uout meningkat. Ketika tegangan pada dioda zener mencapai sama dengan tegangan stabilisasi, satu atau beberapa dioda zener terbuka dan sepasang dioda zener melangsir resistansi R3. Gain menjadi sama dan tegangan Uout mulai berkurang, gain kembali menjadi lebih besar dari 3 dan Uout akan turun lagi, tetapi berlawanan arah. Dengan cara ini dioda zener mencegah saturasi.

Saat menggunakan generator ini, disarankan untuk menghubungkan beban melalui tahap buffer.

Penguat non-pembalik mungkin merupakan salah satu dari tiga rangkaian elektronik analog paling dasar, bersama dengan rangkaian penguat pembalik dan pengikut tegangan. Ini bahkan lebih sederhana daripada penguat pembalik, karena rangkaian ini tidak memerlukan daya bipolar untuk beroperasi.

Perhatikan satuan yang terdapat pada rumus tersebut. Hal ini memberitahu kita bahwa penguat non-pembalik selalu memiliki penguatan lebih besar dari 1, yang berarti Anda tidak dapat melemahkan sinyal dengan rangkaian seperti itu.

Untuk lebih memahami cara kerja penguat non-pembalik, mari kita lihat rangkaiannya dan pikirkan berapa tegangan pada keluarannya.

Hal pertama yang perlu kita pikirkan adalah tegangan apa yang ada pada kedua input op amp kita. Mari kita ingat aturan pertama yang menjelaskan pengoperasian penguat operasional:

Aturan No. 1 - penguat operasional mempengaruhi outputnya pada input melalui OOS (umpan balik negatif), sebagai akibatnya tegangan pada kedua input, baik pembalik (-) dan non-pembalik (+), disamakan.

Artinya, tegangan pada masukan pembalik adalah 3V. Pada langkah selanjutnya, mari kita lihat resistensi 10k. Kita mengetahui tegangan yang melewatinya dan hambatannya, yang berarti kita dapat menghitung berapa banyak arus yang mengalir melaluinya:

Saya = U/R = 3V/10k = 300uA.

Arus ini menurut aturan 2 tidak dapat diambil dari masukan pembalik (-), sehingga berasal dari keluaran penguat.

Aturan No. 2 - input amplifier tidak mengkonsumsi arus

Arus sebesar 300 μA juga mengalir melalui sebuah resistor dengan resistansi 20 k. Kita dapat dengan mudah menghitung tegangan menggunakan hukum Ohm:

U = IR = 300uA * 20k = 6V

Ternyata tegangan tersebut merupakan tegangan keluaran amplifier? Tidak, itu tidak benar. Ingatlah bahwa resistor 20k memiliki tegangan 3V pada salah satu terminalnya. Perhatikan bagaimana tegangan pada kedua resistor diarahkan.

Arus mengalir berlawanan arah dengan tanda panah, melambangkan titik tegangan yang lebih tinggi. Oleh karena itu, untuk 6V yang dihitung, Anda perlu menambahkan 3V lagi pada input. Dalam hal ini, hasil akhirnya adalah 9V.

Perlu dicatat bahwa resistor R1 dan R2 berbentuk sederhana. Ingatlah bahwa jumlah tegangan pada masing-masing resistor pembagi harus sama dengan tegangan yang disuplai ke pembagi - tegangan tidak dapat hilang tanpa jejak dan muncul begitu saja.

Terakhir, kita harus memeriksa hasil yang diperoleh dengan aturan terakhir:

Aturan No. 3 - tegangan pada input dan output harus berada dalam kisaran antara tegangan suplai positif dan negatif dari op-amp.

Artinya, perlu dilakukan pengecekan apakah tegangan yang kita hitung benar-benar dapat diperoleh. Seringkali pemula berpikir bahwa amplifier bekerja seperti “Perpetuum Mobile” dan menghasilkan tegangan dari ketiadaan. Namun kita harus ingat bahwa amplifier juga membutuhkan daya untuk beroperasi.

Amplifier klasik beroperasi pada tegangan -15V dan +15V. Dalam situasi seperti ini, 9V yang kami hitung adalah tegangan sebenarnya, karena 9V berada dalam kisaran tegangan suplai. Namun, amplifier modern sering kali beroperasi pada tegangan serendah 5V atau lebih rendah. Dalam situasi seperti ini, tidak ada kemungkinan amplifier akan menghasilkan output 9V.

Oleh karena itu, ketika merancang rangkaian, harus selalu diingat bahwa perhitungan teoritis harus selalu dibandingkan dengan kenyataan dan kemampuan fisik komponen.

Penguat non-inverting (NA) adalah penguat yang memiliki penguatan stabil dengan perbedaan fasa nol antara sinyal masukan dan keluaran.

Di NU (Gbr. 5.3) terdapat OOS yang konsisten dalam hal tegangan. Dengan op-amp ideal ( Kd = Ke oc sf = ¥, R BX= ¥ dan R KELUAR = 0) R KELUAR F= 0 (koneksi dan tegangan negatif), R VX. F= ¥ (OOS berurutan).

, (5.6)

dan menurut Gambar. 5.4,

Substitusikan (5.7) ke (5.6), kita peroleh

. (5.8)

Penguatan NU tidak bergantung pada resistansi sumber sinyal RC, karena impedansi masukan NU sama dengan ¥, dan arus yang melalui RC tidak bocor, maka tidak ada penurunan tegangan pada resistansi ini dan . Pada R 2 = 0, R 1 = ¥ Ke F= 1. Artinya tegangan keluaran mengulangi tegangan masukan sepenuhnya (hanya pada tingkat daya yang lebih tinggi). Oleh karena itu namanya - pengulang tegangan.

Koefisien transfer kesatuan, impedansi masukan yang sangat besar, dan impedansi keluaran nol menjadikan repeater sebagai tahap penyangga yang ideal (transformator impedansi).

Metode penyeimbangan resistif untuk rangkaian ini bergantung pada keadaan. Jika RC= 0, maka resistor penyeimbang R CM dihubungkan secara seri dengan masukan non-pembalik (Gbr. 5.5).

Dalam hal iniD kamu KELUAR dijelaskan oleh ekspresi (5.5). Resistansi internal yang tidak nol tetapi diketahui dan tetap RC hanya bisa diseimbangkan dengan resistor OS, asalkan R 1 R 2 /(R 1 +R 2)=R C. Namun, penguatan rangkaian (5.8) juga akan berubah. Resistor yang lebih sederhana R 1 dan R 2 harus dipilih berdasarkan penguatan yang diperlukan, dan keseimbangan arus rangkaian harus dipastikan RCM, dihubungkan secara seri dengan input pembalik (Gbr. 5.6). Untuk skema ini

. (5.9)

Jika nilainya tidak pasti dan tidak stabil, maka lebih baik menggunakan op-amp dengan tahap masukan (diferensial) menggunakan transistor efek medan.

Akhir pekerjaan -

Topik ini termasuk dalam bagian:

Perangkat elektronik analog

Perangkat elektronik analog. Bagian II. Catatan kuliah untuk mahasiswa spesialisasi “Teknik Radio” dari segala bentuk studi..

Jika Anda memerlukan materi tambahan tentang topik ini, atau Anda tidak menemukan apa yang Anda cari, kami sarankan untuk menggunakan pencarian di database karya kami:

Apa yang akan kami lakukan dengan materi yang diterima:

Jika materi ini bermanfaat bagi Anda, Anda dapat menyimpannya ke halaman Anda di jejaring sosial:

Semua topik di bagian ini:

Tujuan, parameter
Komparator adalah konverter analog-ke-digital (ADC) yang paling sederhana, yaitu. perangkat yang mengubah sinyal kontinu menjadi sinyal diskrit

Fitur penggunaan komparator semikonduktor
Komparator yang paling banyak digunakan dapat dibagi menjadi empat kelompok: penggunaan umum (K521CA2, K521CA5), presisi (K521CA3, K597CA3), kecepatan tinggi (K597CA1, K597CA2) dan

Komparator khusus pada penguat operasional
Saat membandingkan sinyal frekuensi rendah dengan akurasi tinggi (puluhan mikrovolt) dengan konsumsi daya minimal, penggunaan komparator berbasis op-amp seringkali lebih disukai,