Я читал в нескольких книгах и статьях наблюдение: «Операционные усилители — это хлеб с маслом аналоговой электроники» или «... операционные усилители — это наиболее часто встречающиеся строительные блоки в аналоговых схемах...» тот эффект.
Хотя мой опыт недостаточно обширен, чтобы согласиться или опровергнуть это утверждение, оно определенно подтверждается схемами, которые я видел.
Это заставляет меня думать, что я упускаю что-то фундаментальное, чтобы объяснить, почему такой компонент может быть чем-то вроде цикла «for» в программировании или чем-то вроде фундаментального шаблона, который, будучи однажды доступным, находит повсеместное применение.
Что такого особенного в фундаментальной природе аналоговой электроники, что делает операционный усилитель воплощением такого базового и универсального шаблона?
Операционные усилители очень близки к идеальным дифференциальным усилителям. Итак, настоящий вопрос заключается в том, что же такого хорошего в усилителях? Есть (как минимум!) три ответа.
Во-первых, очевидное — усилители позволяют изменять амплитуду сигнала. Если у вас есть слабый сигнал (скажем, от преобразователя), усилитель позволяет поднять его напряжение до полезного уровня. Усилители также могут уменьшать амплитуду сигнала, что может быть полезно, например, для того, чтобы подогнать его под диапазон АЦП.
Усилители также могут буферизовать сигнал. Они имеют высокое сопротивление на входе и низкое сопротивление на выходе. Это позволяет доставлять слабый исходный сигнал на большую нагрузку.
Наконец, отрицательная обратная связь позволяет усилителям фильтровать сигнал. Так называемые активные фильтры (в которых используются усилители) гораздо более гибкие и мощные, чем пассивные фильтры (в которых используются только резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности). Отдельно стоит упомянуть осцилляторы , которые выполнены на усилителях с отфильтрованной положительной обратной связью.
Регулировка амплитуды, буферизация и фильтрация — три самые распространенные вещи, которые вы можете делать с аналоговыми сигналами. В более общем смысле усилители могут использоваться для реализации многих видов передаточных функций , которые являются основными математическими описаниями задач обработки сигналов. Таким образом, усилители повсюду.
Почему именно операционные усилители? Как я уже сказал, операционные усилители по сути являются высококачественными усилителями. Их ключевые характеристики:
Эти характеристики означают, что поведение усилителя почти полностью определяется цепью обратной связи. Обратная связь осуществляется с помощью пассивных компонентов, таких как резисторы, которые ведут себя намного лучше, чем транзисторы. Попробуйте смоделировать простой усилитель с общим эмиттером по напряжению и температуре — это не очень хорошо.
Благодаря современным усовершенствованиям интегральных схем операционные усилители стали дешевыми, высокопроизводительными и легко доступными. Если вам не нужны экстремальные характеристики (высокая мощность, очень высокая частота), больше нет причин использовать усилители на дискретных транзисторах.
Операционный усилитель — это три основных инструмента в одном (если не больше).
Сначала устройство сравнения, например оператор if else (if a > b, output = a, else b).
Второй буфер (in = 1, out = 1, refreshed).
Третий усилитель, как умножитель (in = 1, out = 10).
В- четвертых , фазовый сдвиг/задержка (in = x, out = x + 1).
В- пятых , инвертор (in = x, out = 1/x).
Они, как правило, очень универсальны и могут адаптироваться ко многим схемам по мере необходимости.
По сути, когда сигнал обрабатывается аналоговыми дискретными элементами, его амплитуда — его напряжение — падает. Операционный усилитель может буферизовать и усиливать аналоговый сигнал, обеспечивая его удобочитаемость или полезность в конце.
Между прочим, цикл for был бы счетчиком. Счетчик декад работает как for (i = 0, i < 10, i++)цикл.
Некоторые из ключевых преимуществ операционного усилителя:
высокий входной импеданс : из-за высокого входного импеданса операционный усилитель не слишком нагружает предыдущую схему. Сам операционный усилитель может иметь входное сопротивление в 10 или 100 гигаом. Цепь обратной связи операционного усилителя, вероятно, будет иметь более низкий входной импеданс, но высокий входной импеданс операционного усилителя позволяет полностью регулировать его другими компонентами.
низкий выходной импеданс : из-за низкого выходного импеданса схема операционного усилителя обычно может управлять другой схемой операционного усилителя (или АЦП или ...) без влияния нагрузки на ее поведение.
высокий коэффициент усиления : высокий коэффициент усиления операционного усилителя позволяет использовать его в цепи с отрицательной обратной связью, так что в поведении схемы преобладают элементы обратной связи, а не операционный усилитель. Это означает
Часто в цепи обратной связи требуется всего несколько прецизионных компонентов, чтобы добиться прецизионных характеристик всей схемы.
Поскольку поведение схемы контролируется схемой обратной связи, операционный усилитель можно использовать с множеством различных элементов обратной связи для выполнения различных функций, таких как усиление, дифференцирование, интегрирование, логарифмическое усиление и т. д. (это может быть ключевой причиной того, что операционный усилитель -усилители имеют такое "повсеместное применение").
Я думаю, что реальный ответ намного проще, чем те, что дают другие (хотя они действительно верны) — операционные усилители просто позволяют вам построить все «лего», необходимые для более продвинутой схемы, см. https://en.wikipedia .org/wiki/Operational_amplifier#Applications для более подробной информации. С операционным усилителем вы можете получить (неполный список!):
Это больше, чем все , что вам, вероятно, понадобится для базовой аналоговой обработки, а некоторые из этих вещей подходят и для цифровой обработки. Таким образом, операционные усилители здесь являются и хлебом, и маслом.
Кроме того, вы можете легко получить, например, 2 или 4 из них в одном небольшом корпусе с общими линиями подачи напряжения и их рабочими характеристиками (близкими к характеристикам идеального компонента для многих практических приложений, а также достаточно хорошо согласованными для операционных усилителей в одном корпусе). ) позволяют использовать их без особых проблем, необходимых для дискретных (диодных/биполярных/полевых транзисторов) аналоговых схем (например, смещение, падение напряжения, температурная компенсация и т. д.), что позволяет проектировать более простые, оптимизированные и удобные в обслуживании схемы с меньшим количеством деталей и упрощение устранения неполадок.
Глупо выбирать один конкретный электронный компонент и называть его «хлебом с маслом», как и все эти «самые важные» утверждения. Например, подсчитайте резисторы в аналоговых схемах, и я уверен, что вы обнаружите, что их количество значительно превышает количество операционных усилителей.
Кроме того, все меняется. Было время, когда электронные лампы были глупым «самым важным» или «хлебом с маслом» для непрофессионала компонентом аналоговой электроники, затем транзистор.
Вам никогда не понадобится использовать операционный усилитель, но это может быть наиболее эффективным способом реализации схемы в соответствии с определенной спецификацией. В конце концов, операционные усилители сделаны из транзисторов, поэтому вместо них можно использовать группу транзисторов (с несколькими другими компонентами).
Привлекательность операционных усилителей заключается в том, что они представляют собой обычный и легко используемый строительный блок. Благодаря магии интегральных схем эти строительные блоки иногда могут быть размером и стоимостью с одиночные транзисторы. Любой один операционный усилитель может быть излишним для любого конкретного приложения, но огромное преимущество интегральных схем массового производства позволяет им быть дешевыми и достаточно маленькими, так что обычно дешевле и меньше использовать целый операционный усилитель, когда на самом деле достаточно лишь нескольких его транзисторов. быть нужным.
Чтобы использовать вашу аналогию с циклом FOR в языке программирования, вам на самом деле не нужно использовать эту конструкцию. Вы можете инициализировать, увеличивать и проверять переменную самостоятельно с помощью явного кода. Иногда вы делаете это, когда хотите сделать что-то особенное, а стандартная конструкция FOR слишком жесткая. Однако в большинстве случаев удобнее и менее подвержено ошибкам использование конструкции FOR для циклов. Как и в случае с операционными усилителями, вы можете не использовать все возможности этой готовой высокоуровневой конструкции в каждом конкретном случае, но ее простота в любом случае того стоит. Например, большинство языков допускают приращение, отличное от 1, но вы, вероятно, редко используете это.
В отличие от конструкции FOR, не существует компилятора, оптимизирующего операционный усилитель в дискретной схеме только для тех функций, которые требуются в данном случае. Однако огромное преимущество массового производства интегральных схем сводит эти функции к меньшему, чем к эквиваленту нескольких дополнительных инструкций в цикле FOR. Думайте об операционных усилителях как о полнофункциональном цикле FOR, реализованном в наборе инструкций, который выполняет одни и те же инструкции независимо от того, используются ли все его функции или нет, и меньше инструкций, чем вам пришлось бы использовать в противном случае, даже для простых случаев.
Операционные усилители представляют собой группу транзисторов, собранных в «хороший» строительный блок и доступных по цене одного или нескольких таких транзисторов. Это не только экономит время при проектировании, чтобы справиться со всеми смещениями транзисторов и т.п., но и позволяет использовать технологии производства, гарантирующие хорошее согласование между транзисторами и позволяющие измерять и подстраивать параметры ближе к идеальным. Например, вы можете создать дифференциальный входной каскад с двумя транзисторами, но снизить входное напряжение смещения всего до нескольких мВ не так просто.
Вся инженерия основана на использовании доступных строительных блоков в какой-то момент, и операционные усилители являются полезным строительным блоком для аналоговых схем. На самом деле это ничем не отличается от использования транзисторов. Много усилий было потрачено на очистку кремния, его легирование, резку, упаковку и тестирование, что мы воспринимаем как само собой разумеющееся как дискретный транзистор. Операционные усилители более интегрированы, чем отдельные транзисторы, но все еще находятся на довольно «низком» уровне в схеме вещей.
Вернемся к аналогии с программным обеспечением. Это то же самое, что использовать существующие подпрограммы для написания кода для вашего конкретного приложения. В случае вызовов ОС у вас нет возможности их использовать. Это было бы похоже на очистку собственного кремния. Операционные усилители больше похожи на удобные вызовы, которые вы могли бы написать сами, но в большинстве случаев это было бы глупо. Например, вам, вероятно, приходилось много раз преобразовывать целое число в десятичную строку ASCII, но сколько из этих раз вы писали для этого собственный код? Вы, вероятно, использовали для этого вызовы библиотеки времени выполнения или даже вызывали их неявно через конструкции более высокого уровня, доступные в вашем языке (например, printf в C).
Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный входной импеданс, 0 смещений, 0 выходных импедансов, бесконечную полосу пропускания и стоит 0 долларов. Ни один операционный усилитель не является идеальным, и эти и другие параметры имеют разную относительную важность в разных конструкциях. Вот почему так много операционных усилителей. Каждый оптимизирован для различного набора компромиссов. Например, вы иногда слышите, что LM324 — «дерьмовый» операционный усилитель. Это совсем не так. Это превосходный операционный усилитель, когда цена имеет первостепенное значение. Когда смещение в несколько мВ, усиление в 1 МГц * полоса пропускания и т. д. достаточно хороши, все остальное — просто переоцененный хлам.
Что касается вашего комментария: «Это заставляет меня думать, что мне не хватает чего-то фундаментального, чтобы объяснить, почему такой компонент может быть чем-то вроде цикла «для»»:
Возможно, вы ищете в электронике понятие, аналогичное понятию Полного Тьюринга , найденному в информатике, или понятию Функциональной Полноты , найденному в булевой алгебре (и, следовательно, цифровой логике).
Насколько мне известно, в аналоговых схемах нет концепции «полноты», где все схемы могут быть получены из набора основных строительных блоков...
Есть несколько правил, касающихся аналоговых схем, с которыми вы столкнетесь при изучении теории систем и, в частности, систем с линейной инвариантностью во времени.
Я надеюсь, что это поможет, но это может быть не то, что вы ищете.
Как в аналоговой, так и в цифровой электронике существует множество случаев, когда можно определить (но не построить) идеальный компонент, а затем спроектировать схему, которая будет соответствовать требованиям, если она построена из компонентов, находящихся в пределах определенного допуска от идеала. Рассуждать о проектах с компонентами, упрощающими идеальное поведение, часто бывает проще, чем рассуждать о проектах, использующих компоненты реального мира с более сложным поведением в реальном мире.
Во многих случаях будет возможно смоделировать проект с использованием компонентов реального мира, назначить допустимые допуски для сигналов на каждом этапе проекта, а затем показать, что компоненты реального мира при любой комбинации входных данных, которые находятся в пределах указанного допуска для этих сигналов, будет производить выходные данные, которые находятся в пределах допуска, указанного для этих сигналов. В тех случаях, когда это возможно, такое присвоение значений допусков часто позволяет избежать необходимости в более подробном анализе.
Одна из причин такой популярности операционных усилителей заключается в том, что в каком-то смысле существует одно четкое «идеальное поведение» для операционных усилителей, и определенные отклонения от этого поведения легко охарактеризовать. Если предполагается, что дифференциальный усилитель имеет коэффициент усиления на дифференциальном входе 10:1, необходимо учитывать возможность того, что реальная часть может иметь коэффициент усиления, который больше идеального или меньше идеального. Однако, поскольку коэффициент усиления идеального операционного усилителя бесконечен, реальные операционные усилители, предназначенные для усиления, обычно имеют меньший коэффициент усиления [некоторые устройства, особенно предназначенные для использования в качестве компараторов, могут иметь гистерезис, который можно рассматривать как коэффициент усиления, превышающий коэффициент усиления идеальный операционный усилитель]. Рассуждать об устройствах реального мира, которые могут отклоняться от идеала только в одном направлении, зачастую проще, чем рассуждать об устройствах, которые могут отклоняться в двух направлениях.
Изоляция, согласование импеданса, масштабирование, преобразование уровней, генерация больших токов по сравнению с цифровыми компонентами и генерация сигналов являются обычными приложениями для операционных усилителей.
Изучите базовые конфигурации операционных усилителей, чтобы понять, почему они так популярны в аналоговых схемах, особенно в роли генератора и преобразования сигнала.
Несколько лет назад я использовал инвертирующий операционный усилитель с усилением для создания преобразователя RS-232/MIL-188C, чтобы повторно использовать некоторые данные со старого телетайпа AT&T Model 40, используя ПК на базе 386, на котором была запущена пользовательская программа QuickBasic 4.0.
Они незаменимы в качестве входной развязки и масштабирующего интерфейса для цифровой обработки сигналов и могут выполнять изящные задачи, такие как преобразование напряжения в ток и/или частоту и обратно.
Я думаю, что утверждение «хлеб с маслом» звучит как дополнение к роли операционного усилителя, который может быть очень хорошим расширением схем, где каждая схема имеет свою специальность.
Например, он используется в качестве интегратора и дифференциатора в области управления и регулирования, которые иначе более известны как фильтры верхних и нижних частот.
Также его можно поставить в стабильные колебания, так как их выход в значительной степени усиливается за счет усиления усилителя, просто используя небольшой входной сигнал, вы можете настроить операционный усилитель на колебание с помощью положительной обратной связи, лучшим примером являются триггеры Шмитта, которые затем можно использовать в шумоподавлении. Следовательно, они образуют схемы, такие как бистабильные и моностабильные генераторы, которые в дальнейшем дают им дополнительную роль в таймерах 555 .
Компаратор использует свой режим общего напряжения, на самом деле операционный усилитель имеет каскадный дифференциальный усилитель , за которым следует активная нагрузка токового зеркала, на его входе, что дает ему специальность для использования в качестве компаратора, который может сравнивать входы. основываясь на этом свойстве, двухканальное питание приводит цепь в состояние, близкое к противоположному напряжению.
В качестве ограничителей тока в цепях, где используются конденсаторы, чтобы предотвратить их медленную разрядку, они изолированы этими операционными усилителями из-за их высокого входного сопротивления, чтобы они сохраняли свой заряд, что дает им хорошую дополнительную роль в высокоскоростных схемах переключения и удержания.
ткросли
Баард Копперуд
Рмано
Лоренцо Донати поддерживает Украину
ДКНгуйен