Ich habe in mehreren Büchern und Papieren die Beobachtung gelesen: "Operationsverstärker sind das A und O der analogen Elektronik" oder "... Operationsverstärker sind die am häufigsten anzutreffenden Bausteine in analogen Schaltungen ..." und zu dieser Effekt.
Obwohl meine Erfahrung nicht breit genug ist, um dieser Behauptung zuzustimmen oder sie zu widerlegen, zeigt sie sich sicherlich in den von mir gesehenen Kreisläufen.
Es lässt mich denken, dass mir etwas Grundlegendes fehlt, um zu erklären, warum eine Komponente wie diese vielleicht eine "for" -Schleife in der Programmierung ist oder etwas, ein grundlegendes Muster, das, sobald es verfügbar ist, allgegenwärtige Anwendung findet.
Was ist an der fundamentalen Natur der analogen Elektronik, die einen Operationsverstärker zur Erfüllung eines solch grundlegenden und vielseitigen Musters macht?
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Antworten:
Operationsverstärker sind beinahe ideale Differenzverstärker. Die eigentliche Frage ist also, was ist so toll an Verstärkern? Es gibt (mindestens!) Drei Antworten.
Erstens können Sie mit den Offensichtlichkeitsverstärkern die Amplitude eines Signals ändern . Wenn Sie ein kleines Signal (z. B. von einem Wandler) haben, können Sie mit einem Verstärker die Spannung auf einen nützlichen Wert erhöhen. Verstärker können auch die Amplitude eines Signals reduzieren, was nützlich sein kann, um es zum Beispiel in den Bereich eines ADC zu bringen.
Verstärker können auch ein Signal puffern . Sie weisen eine hohe Impedanz auf der Eingangsseite und eine niedrige Impedanz auf der Ausgangsseite auf. Dadurch kann ein schwaches Quellensignal an eine schwere Last geliefert werden.
Schließlich können Verstärker durch Gegenkopplung ein Signal filtern . Sogenannte aktive Filter (die Verstärker verwenden) sind viel flexibler und leistungsfähiger als passive Filter (die nur Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten verwenden). Ich sollte auch Oszillatoren erwähnen , die unter Verwendung von Verstärkern mit gefilterter positiver Rückkopplung hergestellt werden.
Amplitudensteuerung, Pufferung und Filterung sind drei der häufigsten Aktionen, die Sie mit analogen Signalen ausführen können. Allgemeiner gesagt können Verstärker verwendet werden, um viele Arten von Übertragungsfunktionen zu implementieren , die die grundlegenden mathematischen Beschreibungen von Signalverarbeitungsaufgaben darstellen. Somit sind Verstärker überall zu finden.
Warum gerade Operationsverstärker? Wie ich bereits sagte, sind Operationsverstärker im Wesentlichen hochwertige Verstärker. Ihre Hauptmerkmale sind:
Aufgrund dieser Eigenschaften wird das Verhalten des Verstärkers fast ausschließlich von der Rückkopplungsschaltung bestimmt. Die Rückkopplung erfolgt mit passiven Bauteilen wie Widerständen, die sich wesentlich besser verhalten als Transistoren. Versuchen Sie, einen einfachen Verstärker mit gemeinsamem Emitter über Spannung und Temperatur hinweg zu simulieren - das ist nicht großartig.
Mit modernen Verbesserungen bei integrierten Schaltkreisen sind Operationsverstärker billig, leistungsstark und leicht verfügbar. Wenn Sie keine extreme Leistung benötigen (hohe Leistung, sehr hohe Frequenz), gibt es keinen Grund mehr, sich für diskrete Transistorverstärker zu entscheiden.
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Ein Operationsverstärker ist drei 5 grundlegende Werkzeuge in einem (wenn nicht mehr).
Zuerst ein Vergleichsgerät, wie eine if else-Anweisung
(if a > b, output = a, else b).Zweitens ein Puffer
(in = 1, out = 1, refreshed).Drittens ein Verstärker, wie ein Multiplikator
(in = 1, out = 10).Viertens eine Phasenverschiebung / Verzögerung
(in = x, out = x + 1).Fünftens ein Wechselrichter
(in = x, out = 1/x).Sie sind in der Regel sehr vielseitig und können sich bei Bedarf an viele Schaltkreise anpassen.
Grundsätzlich sinkt die Amplitude - die Spannung - eines Signals, wenn es über analoge diskrete Elemente verarbeitet wird. Ein Operationsverstärker kann ein analoges Signal puffern und verstärken, um sicherzustellen, dass es am Ende lesbar oder nützlich ist.
Eine for-Schleife wäre übrigens ein Zähler. Ein Dekadenzähler funktioniert wie eine
for (i = 0, i < 10, i++)Schleife.quelle
Einige der wichtigsten Vorteile eines Operationsverstärkers sind:
Hohe Eingangsimpedanz : Aufgrund seiner hohen Eingangsimpedanz belastet ein Operationsverstärker die vorhergehende Schaltung nicht übermäßig. Ein Operationsverstärker selbst kann eine Eingangsimpedanz von 10 oder 100 Gigohm haben. Eine Operationsverstärker-Rückkopplungsschaltung hat wahrscheinlich eine niedrigere Eingangsimpedanz, aber die hohe Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers ermöglicht es, dass dies vollständig von den anderen Komponenten eingestellt wird.
Niedrige Ausgangsimpedanz : Aufgrund seiner niedrigen Ausgangsimpedanz kann ein Operationsverstärkerkreis im Allgemeinen einen anderen Operationsverstärkerkreis (oder einen ADC oder ...) ansteuern, ohne dass die Last sein Verhalten beeinflusst.
hohe Verstärkung : Die hohe Verstärkung des Operationsverstärkers ermöglicht die Verwendung in einer Gegenkopplungsschaltung, so dass das Verhalten der Schaltung eher von den Rückkopplungselementen als vom Operationsverstärker dominiert wird. Das heisst
Oft sind nur wenige Präzisionskomponenten in der Rückkopplungsschaltung erforderlich, um eine Präzisionsleistung der Gesamtschaltung zu erzielen.
Da das Verhalten der Schaltung durch die Rückkopplungsschaltung gesteuert wird, kann der Operationsverstärker mit zahlreichen verschiedenen Rückkopplungselementen verwendet werden, um verschiedene Funktionen wie Verstärkung, Differenzierung, Integration, logarithmische Verstärkung usw. zu erzielen -ampere haben eine solche "allgegenwärtige Anwendung").
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Ich denke, die eigentliche Antwort ist viel einfacher als die von anderen (obwohl sie in der Tat wahr sind) - mit Operationsverstärkern können Sie einfach alle "Legos" bauen, die Sie für eine fortgeschrittenere Schaltung benötigen, siehe https: //en.wikipedia .org / wiki / Operational_amplifier # Anwendungen für weitere Details. Mit Operationsverstärker können Sie (nicht erschöpfende Liste!) Erhalten:
Das ist mehr als alles , was Sie wahrscheinlich für die unverzichtbare analoge Verarbeitung benötigen - und einige dieser Dinge sind auch für die digitale Verarbeitung geeignet. Als solches sind Operationsverstärker hier sowohl das Brot als auch die Butter.
Sie können auch problemlos z. B. 2 oder 4 von ihnen in einem kleinen Paket mit gemeinsamen Spannungsversorgungsleitungen und deren Betriebseigenschaften erhalten (die für viele praktische Anwendungen nahezu den idealen Komponenten entsprechen und auch für Operationsverstärker in einem einzelnen Paket recht gut geeignet sind ) ermöglichen die problemlose Verwendung für diskrete (Dioden- / BJT- / FET-) analoge Schaltungen (z. B. Vorspannung, Spannungsabfall, Temperaturkompensation usw.) - so können Sie einfachere, optimierte und wartungsfreundlichere Schaltungen mit weniger Teilen und Komponenten entwerfen einfachere Fehlersuche.
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Ein bestimmtes elektronisches Bauteil herausgreifen und "Brot und Butter" als albern bezeichnen, genau wie all diese "wichtigsten" Aussagen. Zählen Sie beispielsweise Widerstände in analogen Schaltkreisen, und ich bin sicher, Sie werden feststellen, dass sie die Anzahl der Opamps bei weitem übersteigen.
Auch die Dinge ändern sich. Es gab eine Zeit, in der Vakuumröhren die alberne "wichtigste" oder "Butterbrot" -Komponente der analogen Elektronik waren, dann der Transistor.
Sie nie brauchen eine opamp zu verwenden, aber es kann der effizienteste Weg sein , eine Schaltung zu einer bestimmten Spezifikation zu implementieren. Schließlich werden Opamps aus Transistoren hergestellt, sodass stattdessen eine Reihe von Transistoren (mit einigen anderen Komponenten) verwendet werden können.
Die Anziehungskraft von Opamps ist, dass sie einen gemeinsamen und leicht zu verwendenden Baustein verkörpern. Mit der Magie integrierter Schaltkreise können diese Bausteine manchmal die Größe und die Kosten einzelner Transistoren erreichen. Jeder Opamp mag für eine bestimmte Anwendung übertrieben sein, aber die große Hebelwirkung von massenproduzierten integrierten Schaltkreisen ermöglicht es ihnen, billig und klein genug zu sein, so dass es normalerweise billiger und kleiner ist, einen ganzen Opamp zu verwenden, wenn nur einige seiner Transistoren tatsächlich verwendet würden gebraucht werden.
Um Ihre Analogie mit einer FOR-Schleife in einer Programmiersprache zu verwenden, müssen Sie dieses Konstrukt nicht verwenden. Sie können eine Variable mit explizitem Code selbst initialisieren, inkrementieren und überprüfen. Manchmal tun Sie das, wenn Sie spezielle Dinge tun möchten und das FOR-Konstrukt in Dosen zu starr ist. Meistens ist es jedoch praktischer und weniger fehleranfällig, das FOR-Konstrukt für Schleifen zu verwenden. Genau wie bei Opamps können Sie nicht alle Funktionen dieses in Dosen enthaltenen High-Level-Konstrukts verwenden, aber seine Einfachheit macht es trotzdem wert. Beispielsweise erlauben die meisten Sprachen, dass das Inkrement etwas anderes als 1 ist, aber Sie verwenden dies wahrscheinlich nur selten.
Anders als beim FOR-Konstrukt gibt es keinen Compiler, der einen Operationsverstärker in einer diskreten Schaltung auf die Funktionen optimiert, die Sie in dieser Instanz benötigen. Der enorme Vorteil der Massenproduktion von integrierten Schaltkreisen reduziert diese Merkmale jedoch auf viel weniger als das Äquivalent einiger zusätzlicher Anweisungen in einer FOR-Schleife. Stellen Sie sich opamps mehr als eine im Befehlssatz implementierte FOR-Schleife mit vollem Funktionsumfang vor, die dieselben Anweisungen benötigt, um auszuführen, ob alle Funktionen verwendet werden oder nicht, und weniger Anweisungen, als Sie sonst verwenden müssten, selbst in einfachen Fällen.
Opamps sind eine Reihe von Transistoren, die zu einem "netten" Baustein zusammengefasst und für die Kosten von nur einem oder wenigen dieser Transistoren zur Verfügung gestellt werden. Dies spart nicht nur Zeit beim Entwurf, um die gesamte Vorspannung der Transistoren und dergleichen zu bewältigen, sondern es können auch Herstellungstechniken verwendet werden, um eine gute Anpassung zwischen den Transistoren zu gewährleisten und um zu ermöglichen, Parameter näher am Ideal zu messen und abzugleichen. Sie können beispielsweise ein differentielles Front-End mit zwei Transistoren erstellen, aber es ist nicht trivial, die Eingangsoffset-Spannung auf nur wenige mV herabzusetzen.
Das gesamte Engineering basiert darauf, irgendwann verfügbare Bausteine zu verwenden, und Opamps sind ein nützlicher Baustein für analoge Schaltungen. Dies ist wirklich nicht anders als die Verwendung von Transistoren. Das Silizium wurde in großem Umfang veredelt, dotiert, geschnitten, verpackt und getestet, was für uns als diskreter Transistor eine Selbstverständlichkeit darstellt. Opamps sind integrierter als einzelne Transistoren, haben aber immer noch einen relativ niedrigen Pegel.
Zurück zur Software-Analogie: Dies entspricht der Verwendung vorhandener Unterprogramme, um den Code für Ihre spezielle App zu schreiben. Bei OS-Aufrufen haben Sie keine Wahl, sie zu verwenden. Das wäre so, als würde man sein eigenes Silizium verfeinern. Opamps sind eher bequeme Anrufe, die Sie selbst schreiben könnten, aber dies wäre in den meisten Fällen dumm. Zum Beispiel mussten Sie wahrscheinlich viele Male eine Ganzzahl in eine ASCII-Dezimalzeichenfolge konvertieren, aber wie oft haben Sie dafür Ihren eigenen Code geschrieben? Wahrscheinlich haben Sie dafür Laufzeitbibliotheksaufrufe verwendet oder diese implizit über höherwertige Konstrukte aufgerufen, die in Ihrer Sprache verfügbar sind (wie printf in C).
Der ideale Operationsverstärker hat eine unendliche Eingangsimpedanz, einen Offset von 0, eine Ausgangsimpedanz von 0 und eine unendliche Bandbreite und kostet 0 US-Dollar. Kein Operationsverstärker ist ideal, und diese und andere Parameter haben bei verschiedenen Konstruktionen eine unterschiedliche relative Bedeutung. Deshalb gibt es so viele Opamps. Jedes ist für eine andere Reihe von Kompromissen optimiert. Zum Beispiel hört man manchmal, dass der LM324 ein "beschissener" Opamp ist. Das stimmt überhaupt nicht. Es ist ein Opamp der Superlative, wenn der Preis eine hohe Priorität hat. Wenn ein paar mV Offset, 1 MHz Gain * Bandbreite usw. alle gut genug sind, ist alles andere nur überteuerter Müll.
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Zu Ihrem Kommentar "Ich glaube, ich vermisse etwas Grundlegendes, um zu erklären, warum eine Komponente wie diese vielleicht so etwas wie eine" for "-Schleife wäre:
Vielleicht suchen Sie nach einem analogen Konzept in der Elektronik für das Konzept von Turing Complete in der Informatik oder für das Konzept der funktionalen Vollständigkeit in der Booleschen Algebra (und damit der digitalen Logik).
Soweit mir bekannt ist, gibt es in analogen Schaltungen kein Konzept der "Vollständigkeit", bei dem alle Schaltungen aus einer Reihe grundlegender Bausteine abgeleitet werden können ...
Es gibt einige Regeln für analoge Schaltkreise, die Sie beim Studium der Systemtheorie und insbesondere linearzeitinvarianter Systeme kennenlernen werden.
Ich hoffe, das hilft, aber vielleicht ist es nicht das, wonach Sie suchen.
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Sowohl in der analogen als auch in der digitalen Elektronik gibt es viele Fälle, in denen es möglich ist, eine ideale Komponente zu definieren (aber nicht zu bauen) und dann eine Schaltung zu entwerfen, die die Anforderungen erfüllt, wenn sie mit Komponenten gebaut wird, die innerhalb einer bestimmten Toleranz des Ideals liegen. Über Entwürfe mit Komponenten nachzudenken, die ein vereinfachtes ideales Verhalten aufweisen, ist oft einfacher als über Entwürfe mit realen Komponenten mit komplizierteren realen Verhaltensweisen nachzudenken.
In vielen Fällen ist es möglich, ein Design mit realen Komponenten zu modellieren, den Signalen in jeder Phase eines Designs zulässige Toleranzen zuzuweisen und dann die realen Komponenten anzuzeigen, wenn eine beliebige Kombination von Eingaben innerhalb der angegebenen Toleranz vorliegt Für diese Signale werden Ausgänge erzeugt, die innerhalb der für diese Signale angegebenen Toleranz liegen. In Fällen, in denen dies möglich ist, wird eine solche Zuweisung von Toleranzwerten häufig die Notwendigkeit einer detaillierteren Analyse vermeiden.
Einer der Gründe, warum Operationsverstärker so beliebt sind, ist, dass es in gewisser Weise ein eindeutiges "ideales Verhalten" für einen Operationsverstärker gibt und es leicht ist, bestimmte Abweichungen von diesem Verhalten zu charakterisieren. Wenn ein Differenzverstärker eine Differenzverstärkung von 10: 1 haben soll, muss man sich mit der Möglichkeit auseinandersetzen, dass ein realer Teil eine Verstärkung hat, die größer als das Ideal oder kleiner als das Ideal ist. Da die Verstärkung eines idealen Operationsverstärkers jedoch unendlich ist, haben für die Verstärkung vorgesehene Operationsverstärker in der Praxis im Allgemeinen eine geringere Verstärkung [einige Geräte, insbesondere solche, die als Komparatoren verwendet werden sollen, können eine Hysterese aufweisen, die als Verstärkung über der eines angesehen werden könnte idealer Operationsverstärker]. Über reale Geräte nachzudenken, die nur in einer Richtung vom Ideal abweichen können, ist oft einfacher als über Geräte, die in zwei Richtungen abweichen können.
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Isolation, Impedanzanpassung, Skalierung, Pegelumwandlung, Beschaffung großer Strommengen im Vergleich zu digitalen Komponenten und Signalerzeugung sind häufige Anwendungen für Operationsverstärker.
Studieren Sie die Grundkonfigurationen von Operationsverstärkern, um herauszufinden, warum sie im analogen Design so beliebt sind, insbesondere in der Rolle des Oszillators und bei der Signalaufbereitung.
Vor Jahren habe ich den invertierenden Operationsverstärker mit Verstärkung verwendet, um einen RS-232 / MIL-188C-Konverter zu erstellen, mit dem einige Daten von einem alten AT & T Model 40-Teletyp auf einem 386-basierten PC mit einem benutzerdefinierten QuickBasic 4.0-Programm wiederhergestellt werden können.
Sie sind als Eingangsisolations- und Skalierungs-Front-End für die digitale Signalverarbeitung unverzichtbar und können raffinierte Aufgaben wie die Umwandlung von Spannung in Strom und / oder Frequenz und zurück ausführen.
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Ich denke, dass die Aussage "Brot und Butter" zur Rolle komplementär klingt, der Opamp kann eine sehr gute Erweiterung von Rennstrecken sein, bei denen jede Rennstrecke eine Spezialität hat.
Beispielsweise wird es als Integrator und Differenzierer verwendet im Bereich der Steuerung und Regelung verwendet, die ansonsten besser als Hochpass- und Tiefpassfilter bekannt sind.
Es können auch stabile Schwingungen erzeugt werden, da deren Ausgang durch die Verstärkung des Verstärkers stark verstärkt wird. Mit einem kleinen Eingangssignal können Sie den Operationsverstärker mit positiver Rückkopplung in Schwingung versetzen. Das beste Beispiel sind Schmitt-Trigger, die dann verwendet werden können Bei der Rauschunterdrückung bilden sie Schaltkreise wie Bistabile und Monostabile Oszillatoren, die ihnen eine zusätzliche Rolle in den 555-Timern geben .
Der Komparator nutzt seinen gemeinsamen Spannungsmodus, der Operationsverstärker verfügt über einen kaskadierten Differenzverstärker gefolgt von einer aktiven Stromspiegellast, an seinem Eingang. Dies gibt ihm die Spezialität, als Komparator verwendet zu werden, der die Eingänge vergleichen kann. Die meisten seiner Anwendungen sind Aufgrund dieser Eigenschaft steuert die Dual-Rail-Versorgung den Stromkreis unmittelbar in die Nähe der entgegengesetzten Spannungen.
Als Strombegrenzer in Schaltkreisen, in denen Kondensatoren verwendet werden, werden sie durch diese Opamps aufgrund ihrer hohen Eingangsimpedanz von diesen isoliert, so dass sie ihre Ladung aufrechterhalten, was ihnen eine schöne ergänzende Rolle in Hochgeschwindigkeitsschalt- und Halteschaltungen gibt
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