Я прочитал в нескольких книгах и статьях наблюдение: «Операционные усилители - это хлеб аналоговой электроники», или «… операционные усилители являются наиболее часто встречающимся строительным блоком в аналоговых цепях ...» и этот эффект.
Хотя мой опыт недостаточно широк, чтобы согласиться или опровергнуть это утверждение, это, безусловно, подтверждается в схемах, 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 чего-то еще, фундаментальный паттерн, который когда-то будет доступен, находит повсеместное применение.
Что такого в фундаментальной природе аналоговой электроники, которая делает операционный усилитель выполнением такого базового и универсального паттерна?
источник
Ответы:
Операционные усилители очень близки к идеальным дифференциальным усилителям. Итак, настоящий вопрос в том, что же хорошего в усилителях? Есть (по крайней мере!) Три ответа.
Во-первых, очевидно - усилители позволяют изменять амплитуду сигнала. Если у вас слабый сигнал (скажем, от датчика), усилитель позволяет поднять его напряжение до полезного уровня. Усилители также могут уменьшить амплитуду сигнала, что может быть полезно, например, для подгонки его под диапазон АЦП.
Усилители также могут буферизовать сигнал. Они имеют высокий импеданс на входной стороне и низкий импеданс на выходной стороне. Это позволяет слабому источнику сигнала быть доставленным тяжелой нагрузке.
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). Следует также упомянуть генераторы , которые сделаны с использованием усилителей с отфильтрованной положительной обратной связью.
Контроль амплитуды, буферизация и фильтрация - три наиболее распространенные вещи, которые вы можете сделать 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 - это по сути высококачественные усилители. Их ключевые характеристики:
Эти характеристики означают, что поведение усилителя практически полностью определяется цепью обратной связи. Обратная связь осуществляется с помощью пассивных компонентов, таких как резисторы, которые работают намного лучше, чем транзисторы. Попробуйте смоделировать простой усилитель с общим эмиттером по напряжению и температуре - это не здорово.
Благодаря современным усовершенствованиям в интегральных микросхемах операционные усилители дешевы, высокопроизводительны и легко доступны. Если вам не нужны экстремальные характеристики (высокая мощность, очень высокая частота), больше нет причин использовать дискретные транзисторные усилители.
источник
Операционный усилитель - это три 5 основных инструмента в одном (если не больше).
Сначала устройство сравнения, как оператор if else
(if a > b, output = a, else b).Второй буфер
(in = 1, out = 1, refreshed).В-третьих , усилитель, как множитель
(in = 1, out = 10).В-четвертых , фазовый сдвиг / задержка
(in = x, out = x + 1).В-пятых , инвертор
(in = x, out = 1/x).Они имеют тенденцию быть очень универсальными и способны приспосабливаться ко многим цепям по мере необходимости.
По сути, когда сигнал обрабатывается через аналоговые дискретные элементы, его амплитуда - его напряжение - падает. Операционный усилитель может буферизовать и усиливать аналоговый сигнал, гарантируя, что он будет читаемым или полезным в конце.
Кстати, цикл for был бы счетчиком. Счетчик десятилетий работает как
for (i = 0, i < 10, i++)петля.источник
Некоторые из ключевых преимуществ операционного усилителя:
высокий входной импеданс : из-за высокого входного импеданса операционный усилитель не слишком нагружает предыдущую цепь. Сам операционный усилитель может иметь входной импеданс в 10 или 100 ГГ. Схема обратной связи операционного усилителя, вероятно, будет иметь более низкий входной импеданс, но высокий входной импеданс операционного усилителя позволяет полностью его настраивать другим компонентам.
низкий выходной импеданс : из-за низкого выходного импеданса схема операционного усилителя может, как правило, управлять другой схемой операционного усилителя (или АЦП или ...) без нагрузки, влияющей на его 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 для достижения точных характеристик всей цепи.
Поскольку поведение схемы контролируется схемой обратной связи, операционный усилитель может использоваться с множеством различных элементов обратной связи для достижения различных функций, таких как усиление, дифференцирование, интегрирование, логарифмическое усиление и т. Д. (Это может быть основной причиной -Ампы имеют такое «распространенное приложение»).
источник
Я думаю, что реальный ответ намного проще, чем те, что были предоставлены другими (хотя они действительно верны) - операционные усилители просто позволяют вам собрать все «legos», необходимые для более продвинутой схемы, см. Https: //en.wikipedia .org / wiki / Operational_amplifier # Приложения для более подробной информации. С операционным усилителем вы можете получить (неполный список!):
Это больше, чем все, что вам, вероятно, понадобится для существенной аналоговой обработки - и некоторые из этих вещей тоже хороши для цифровой обработки. Таким образом, операционные усилители - это и хлеб, и масло здесь.
Кроме того, вы можете легко получить, например, 2 или 4 из них в одной небольшой упаковке с общими линиями напряжения питания и их эксплуатационными характеристиками (близкими к идеальным компонентам для многих практических применений, и достаточно хорошо подходящим для операционных усилителей внутри одной упаковки). ) позволяют использовать их без особых проблем, необходимых для дискретных (диодных / BJT / FET) аналоговых цепей (например, смещение, падение напряжения, температурная компенсация и т. д.), что позволяет проектировать более простые, оптимизированные и обслуживаемые схемы с меньшим количеством деталей и проще устранение неполадок.
источник
Выбирать один конкретный электронный компонент и называть это «хлебом с маслом» глупо, как и все эти «самые важные» утверждения. Например, считайте резисторы в аналоговых цепях, и я уверен, вы найдете, что они значительно превосходят по численности операционные усилители.
Кроме того, все меняется. Было время, когда вакуумные трубки были глупым «самым важным» или «хлебом с маслом» компонентом аналоговой электроники, а затем транзистором.
Вам никогда не нужно использовать операционный усилитель, но это может быть наиболее эффективным способом реализации схемы для конкретной спецификации. В конце концов, операционные усилители сделаны из транзисторов, поэтому вместо них можно использовать несколько транзисторов (с несколькими другими компонентами).
Привлекательность операционных усилителей заключается в том, что они представляют собой общий и легко используемый строительный блок. Благодаря магии интегральных микросхем эти строительные блоки иногда могут быть размером и стоимостью отдельных транзисторов. Любой один операционный усилитель может быть излишним для любого конкретного применения, но большое использование массовых интегральных микросхем позволяет им быть дешевыми и достаточно маленькими, так что обычно дешевле и меньше использовать целый операционный усилитель, тогда как на самом деле только несколько его транзисторов быть нужным.
Чтобы использовать 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 консервированная конструкция FOR слишком жесткая. Однако большую часть времени удобнее и менее подвержено ошибкам использовать конструкцию FOR для циклов. Как и в случае с операционными усилителями, вы не можете использовать все возможности этой консервированной конструкции высокого уровня в каждом случае, но ее простота в любом случае того стоит. Например, большинство языков допускают инкремент, отличный от 1, но вы, вероятно, используете его редко.
В отличие от конструкции FOR, здесь нет компилятора, который оптимизирует операционный усилитель в дискретной схеме только для тех функций, которые вам необходимы в этом случае. Тем не менее, огромное преимущество объемного производства интегральных микросхем сводит эти возможности к минимуму, чем эквивалент нескольких дополнительных инструкций в цикле FOR. Считайте операционные усилители скорее полноценным циклом FOR, реализованным в наборе команд, который выполняет те же инструкции для выполнения независимо от того, используются ли все его функции или нет, и меньше инструкций, чем вы должны использовать в противном случае, даже для простых случаев.
Операционные усилители представляют собой набор транзисторов, упакованных для представления «красивого» строительного блока и доступных по цене одного или нескольких из этих транзисторов. Это не только экономит время при проектировании, чтобы справиться со всем смещением транзисторов и тому подобного, но также могут использоваться технологии изготовления, чтобы гарантировать хорошее согласование между транзисторами и которые позволяют измерять и подгонять параметры, близкие к идеальным. Например, вы можете создать дифференциальный интерфейс с двумя транзисторами, но понизить входное смещение до нескольких мВ не так просто.
Вся инженерия основана на использовании доступных строительных блоков в некоторый момент, и операционные усилители являются полезным строительным блоком для аналоговых схем. Это действительно ничем не отличается от использования транзисторов. Большая часть обработки ушла на рафинирование кремния, его легирование, разрезание, упаковку и тестирование, которое мы в некотором смысле считаем само собой разумеющимся как дискретный транзистор. Операционные усилители более интегрированы, чем отдельные транзисторы, но все еще находятся на довольно «низком» уровне в схеме вещей.
Возвращаясь 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 выбора использовать их. Это было бы похоже на переработку собственного кремния. Операционные усилители больше похожи на удобные звонки, которые вы можете написать сами, но в большинстве случаев делать это было бы глупо. Например, вам, вероятно, приходилось много раз преобразовывать целое число в десятичную строку ASCII, но сколько раз вы написали для этого свой собственный код? Для этого вы, вероятно, использовали вызовы библиотеки времени выполнения или даже неявно вызывали те конструкции более высокого уровня, которые доступны на вашем языке (например, printf в C).
Идеальный операционный усилитель имеет бесконечный входной импеданс, 0 смещений, 0 выходных импедансов, бесконечную пропускную способность и стоит $ 0. Ни один операционный усилитель не является идеальным, и эти и другие параметры имеют различную относительную важность в разных проектах. 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 высокий приоритет. Когда смещение в несколько мВ, усиление в 1 МГц * полоса пропускания и т. Д., Все достаточно хорошо, все остальное просто завышенная цена.
источник
Что касается вашего комментария «Это заставляет меня думать, что я упускаю что-то фундаментальное, чтобы объяснить, почему такой компонент может быть чем-то вроде цикла for»:
Возможно, вы ищете аналогичную концепцию в электронике для концепции полного Тьюринга, найденной в информатике, или для концепции функциональной полноты, найденной в булевой алгебре (и, следовательно, в цифровой логике).
Насколько я знаю, в аналоговых схемах нет концепции «полноты», где все схемы могут быть получены из набора базовых строительных блоков ...
Есть некоторые правила об аналоговых схемах, с которыми вы столкнетесь при изучении теории систем и, в частности, систем с инвариантом линейного времени.
Я надеюсь, что это поможет, но это может быть не то, что вы ищете.
источник
Во многих случаях, как в аналоговой, так и в цифровой электронике, можно определить (но не построить) идеальный компонент, а затем спроектировать схему, которая будет отвечать требованиям, если она будет построена с использованием компонентов, которые находятся в пределах определенного допуска к идеалу. Рассуждать о проектах с компонентами, которые упростили идеальное поведение, часто проще, чем рассуждать о проектах, использующих реальные компоненты с более сложным реальным поведением.
Во многих случаях будет возможно смоделировать проект с использованием реальных компонентов, назначить допустимые допуски для сигналов на каждом этапе проектирования, а затем показать, что реальные компоненты, когда дана любая комбинация входов, которые находятся в пределах указанного допуска для этих сигналов будут получены выходы, которые находятся в пределах допуска, указанного для этих сигналов. В тех случаях, когда это возможно, такое присвоение значений допуска часто позволяет избежать необходимости более подробного анализа.
Одна из причин, по которой операционные усилители настолько популярны, заключается в том, что в некотором смысле существует одно четкое «идеальное поведение» для операционного усилителя, и легко охарактеризовать определенные отклонения от этого поведения. Если предполагается, что дифференциальный усилитель имеет дифференциальное входное усиление 10: 1, необходимо учитывать вероятность того, что в реальной части будет усиление, которое больше идеального или меньше идеального. Поскольку коэффициент усиления идеального операционного усилителя бесконечен, однако, реальные операционные усилители, предназначенные для усиления, обычно имеют более низкий коэффициент усиления [некоторые устройства, особенно те, которые предназначены для использования в качестве компараторов, могут иметь гистерезис, который можно рассматривать как усиление, превышающее коэффициент усиления идеальный операционный усилитель]. Рассуждать об устройствах реального мира, которые могут отклоняться от идеала только в одном направлении, часто проще, чем рассуждать об устройствах, которые могут отклоняться от двух.
источник
Изоляция, согласование импеданса, масштабирование, преобразование уровня, получение большого количества тока по сравнению с цифровыми компонентами и генерация сигнала - обычные приложения для операционных усилителей.
Изучите основные конфигурации операционных усилителей, чтобы понять, почему они так популярны в аналоговом дизайне, особенно в качестве генератора и в формировании сигнала.
Несколько лет назад я использовал инвертирующий операционный усилитель с усилением, чтобы создать преобразователь RS-232 / MIL-188C, чтобы восстановить некоторые данные из старого телетайпа AT & T Model 40 с помощью ПК на базе 386, на котором выполнялась специальная программа QuickBasic 4.0.
Они незаменимы в качестве входной развязки и масштабирования для цифровой обработки сигналов и могут выполнять различные задачи, такие как преобразование напряжения в ток и / или частоту и обратно.
источник
Я думаю, что утверждение «хлеб с маслом» звучит дополняющим роль, операционный усилитель может быть очень хорошим продолжением цепей, где у каждой схемы есть специальность.
Например, он используется в качестве интегратора и дифференциаторов в области управления и регулирования, которые иначе более известны как фильтры верхних и нижних частот.
Также он может быть помещен в устойчивые колебания, так как их выход в значительной степени усиливается усилением усилителя, просто используя небольшой входной сигнал, вы можете настроить операционный усилитель в колебаниях с использованием положительной обратной связи, лучшим примером являются триггеры Шмитта, которые затем можно использовать в подавлении шума. Таким образом, они образуют схемы, такие как осцилляторы Bistable и MonoStable, которые дополнительно дают им дополнительную роль в 555 таймерах .
Компаратор использует свой общий режим напряжения, на самом деле операционный усилитель имеет каскадный дифференциальный усилитель, за которым следует активная нагрузка с токовым зеркалом, на его входе, что дает ему возможность использовать его в качестве компаратора, который может сравнивать входы. основываясь на этом свойстве, источник питания с двумя шинами приводит в движение цепь в непосредственной близости от противоположных напряжений.
В качестве ограничителей тока в цепях, где используются конденсаторы, для предотвращения их медленной разрядки они изолируются этими операционными усилителями своим высоким входным сопротивлением, так что они поддерживают свой заряд, что дает им хорошую дополнительную роль в высокоскоростных цепях переключения и удержания.
источник