Чому в аналоговій електроніці такі часто використовуються підсилювачі?

Я прочитав у кількох книгах і працях зауваження: "Операційні підсилювачі - це хліб-масло аналогової електроніки", або "... підсилювачі оп - це найчастіше зустрічається будівельний блок в аналогових схемах ..." і цей ефект.

Хоча мій досвід недостатньо широкий ні для того, щоб погодитись, ні спростувати це твердження, він, безумовно, випливає з схем, які я бачив.

Змушує мене думати, що мені не вистачає чогось принципового, щоб пояснити, чому такий компонент, можливо, є чимось на зразок циклу «за» в програмуванні або чогось, фундаментального зразка, який, як тільки з'явиться, знаходить всебічне застосування.

Що про фундаментальну природу аналогової електроніки робить операційний підсилювач виконанням такої основної та універсальної моделі?

Операційні підсилювачі досить близькі до ідеальних диференціальних підсилювачів. Отже, справжнє питання полягає в тому, що ж такого чудового в підсилювачах? Є (принаймні!) Три відповіді.

По-перше, очевидне - підсилювачі дозволяють змінювати амплітуду сигналу. Якщо у вас невеликий сигнал (скажімо, від перетворювача), підсилювач дозволяє підняти його напругу до корисного рівня. Підсилювачі можуть також зменшити амплітуду сигналу, що може бути корисним, наприклад, для його введення в діапазон АЦП.

Підсилювачі також можуть буферувати сигнал. Вони мають високий опір на вхідній стороні і низький опір на вихідній стороні. Це дозволяє слабкому вихідному сигналу доставляти велике навантаження.

Нарешті, негативний зворотний зв'язок дозволяє підсилювачам фільтрувати сигнал. Так звані активні фільтри (які використовують підсилювачі) набагато гнучкіші та потужніші, ніж пасивні фільтри (в яких використовуються лише резистори, конденсатори та індуктори). Слід також згадати осцилятори , які виготовляються за допомогою підсилювачів з відфільтрованими позитивними відгуками.

Контроль амплітуди, буферизація та фільтрація - це три найпоширеніші речі, які можна зробити для аналогових сигналів. Більш загально, підсилювачі можуть використовуватися для реалізації багатьох видів функцій передачі , які є основними математичними описами завдань обробки сигналів. Таким чином, підсилювачі є скрізь.

Чому зокрема підсилювачі? Як я вже говорив, підсилювачі в основному є високоякісними підсилювачами. Основними їх характеристиками є:

• Дуже високий диференціальний коефіцієнт підсилення (іноді до 1 000 000!)
• Дуже високий вхідний опір (тераоми на низькій частоті для FET-вхідних підсилювачів)
• Дуже високий коефіцієнт відхилення в загальному режимі (зазвичай> 1000)

Ці характеристики означають, що поведінка підсилювача майже повністю визначається ланцюгом зворотного зв'язку. Зворотний зв'язок проводиться з такими пасивними компонентами, як резистори, які набагато кращі, ніж транзистори. Спробуйте імітувати простий загальний підсилювач випромінювачів по напрузі та температурі - це не чудово.

Завдяки сучасним удосконаленням інтегральних мікросхем, підсилювачі напруги дешеві, високопродуктивні та легко доступні. Якщо вам не потрібна надзвичайна продуктивність (велика потужність, дуже висока частота), то вже не так багато причин для використання дискретних транзисторних підсилювачів.

Операційний підсилювач - це три 5 основних інструментів в одному (якщо не більше).

• Спочатку порівняння пристрій, як якщо інше заяву (if a > b, output = a, else b).

• Другий буфер (in = 1, out = 1, refreshed).

• По-третє підсилювач, як і множник (in = 1, out = 10).

• По-четверте , зсув / затримка фази (in = x, out = x + 1).

• По-п'яте , інвертор (in = x, out = 1/x).

Вони, як правило, дуже універсальні і здатні при необхідності адаптуватися до багатьох схем.

Принципово, коли сигнал обробляється через аналогічні дискретні елементи, його амплітуда - його напруга - падає. Операційний підсилювач може буферувати і підсилювати аналоговий сигнал, забезпечуючи його читабельність або корисність в кінці.

До речі, цикл for for був би лічильником. Лічильник десятиліття працює як for (i = 0, i < 10, i++)петля.

Деякі з головних переваг підсилювача

високий вхідний опір : Через високий вхідний опір, підсилювач не надто завантажує попередню схему. Сам підсилювач може мати вхідний опір у 10-х або 100-х гігоймах. Схема зворотного зв’язку підсилювача, можливо, матиме менший вхідний опір, але високий вхідний опір підсилювача дозволяє повністю встановити інші компоненти.

низький вихідний опір : Через низький вихідний опір ланцюг підсилювача може загалом керувати іншим ланцюгом підсилювача (або АЦП або ...) без навантаження, що впливає на його поведінку.

високий коефіцієнт посилення : високий коефіцієнт посилення підсилювача дозволяє використовувати його в ланцюзі негативного зворотного зв’язку таким чином, що в поведінці ланцюга переважають елементи зворотного зв'язку, а не підсилювачі. Це означає

1. Часто в ланцюзі зворотного зв’язку потрібно лише кілька точних компонентів для досягнення точності роботи в цілому.

2. Оскільки поведінка ланцюга управляється ланцюгом зворотного зв’язку, підсилювач можна використовувати з численними різними елементами зворотного зв'язку для досягнення різних функцій, таких як посилення, диференціація, інтеграція, логарифмічне посилення тощо (це може бути ключовою причиною того, що оп -amps мають таке "повсюдне застосування").

Я думаю, що реальна відповідь набагато простіша, ніж ті, які надають інші (хоча вони справді правдиві) - оп-ампери просто дозволяють побудувати всі необхідні вам "лего" для більш просунутого контуру, див. Https: //en.wikipedia .org / wiki / Operational_amplifier # Додатки для отримання детальної інформації. За допомогою оп-підсилювача ви можете отримати (неповний список!):

• буфер напруги / струму,
• компаратор (навіть при гістерезисі),
• активний підсилювач (як інвертуючий, так і неінвертуючий),
• ідеальний діод,
• активний фільтр (включаючи програми інтегратора / диференціатора),
• активний випрямляч,
• активні математичні блоки (наприклад, сума, різниця, рівень, діл),
• синтезатор хвилі (квадрат, три, пила, навіть VCO),
• ЦАП та АЦП,
• перетворювач опору,
• гіратор,
• ... та багато інших.

Це більше, ніж усе, що вам, можливо, знадобиться для основної аналогової обробки - і деякі з цих речей чудово підходять і для цифрової обробки. Таким чином, оп-ампер є і хлібом, і маслом.

Крім того, ви можете легко отримати, наприклад, 2 або 4 з них в одному невеликому пакеті із загальними лініями живлення напруги та їх експлуатаційними характеристиками (наближаючись до тих, що є ідеальним компонентом для багатьох практичних застосувань, і цілком добре підходять для підсилювачів всередині одного пакету. ) дозволяють використовувати їх без особливих проблем, необхідних для дискретних (діод / BJT / FET) аналогових ланцюгів (наприклад, зміщення, падіння напруги, компенсація температури тощо) - дозволяючи проектувати більш прості, спрощені та ремонтопридатні схеми з меншою кількістю деталей і спрощення усунення несправностей.

Вибрати один конкретний електронний компонент і назвати, що "хліб з маслом" є дурним, як і всі ці "найважливіші" висловлювання. Наприклад, порахуйте резистори в аналогових схемах, і я впевнений, що ви знайдете їх більше, ніж у підсилювачах з великим запасом.

Також змінюються речі. Був час, коли вакуумні трубки були нерозумним "найважливішим" або "хлібним маслом" складовою аналогової електроніки, а потім транзистором.

Вам ніколи не потрібно використовувати підсилювач, але це може бути найефективнішим способом реалізації схеми до певної специфікації. Зрештою, opamps виготовлені з транзисторів, тому можна замість цього використовувати купу транзисторів (з кількома іншими компонентами).

Привабливість opamps полягає в тому, що вони втілюють загальний і легко використовуваний будівельний блок. Завдяки магії інтегральних мікросхем, ці будівельні блоки можуть часом мати розмір і вартість одиничних транзисторів. Будь-який операційний підсилювач може бути надмірним для будь-якого конкретного додатка, але велике використання масових інтегральних мікросхем дозволяє їм бути дешевими та невеликими, щоб використовувати цілий оппам, як правило, дешевше і менше, коли насправді лише декілька його транзисторів потрібні.

Щоб використовувати свою аналогію з циклом FOR мовою програмування, вам фактично не потрібно використовувати цю конструкцію. Ви можете ініціалізувати, збільшувати та перевіряти змінну самостійно з явним кодом. Іноді ви робите це, коли хочете робити спеціальні речі, і конструкція консервованої ЗАЛ занадто жорстка. Однак більшу частину часу його зручніше і менше помилок схильне використовувати конструкцію FOR для циклів. Так само, як і в opamps, ви не можете використовувати всі функції цього консервованого конструкції високого рівня в кожному випадку, але його простота все одно того варта. Наприклад, більшість мов дозволяють приріст бути чимось іншим, ніж 1, але ви, ймовірно, користуєтесь цим рідко.

На відміну від конструкції FOR, не існує компілятора, який оптимізував би підсилювач у дискретному ланцюзі лише до тих функцій, які вам потрібні в цьому екземплярі. Однак величезна перевага виробництва обсягу інтегральних мікросхем зводить ці функції до меншого рівня, ніж еквівалент кількох додаткових інструкцій у циклі FOR. Подумайте про opamps більше як про повнофункціональний цикл FOR, реалізований у наборі інструкцій, який виконує ті самі інструкції, щоб виконувати, використовуються чи ні всі його функції, і менше інструкцій, ніж вам довелося б використовувати інакше, навіть для простих випадків.

Opamps - це купа транзисторів, упакованих для подання "приємного" будівельного блоку, і доступні за вартість лише одного або кількох з цих транзисторів. Це не тільки економить час на розробці, щоб вирішити всі зміщення транзисторів тощо, але можна використовувати методи виготовлення, щоб гарантувати гарне відповідність між транзисторами і що дозволяють вимірювати та обрізати параметри ближче до ідеальних. Наприклад, ви можете зробити передільний передній кінець з двома транзисторами, але отримання напруги зміщення входу до всього декількох мВ не є тривіальним.

Вся інженерія заснована на використанні наявних будівельних блоків у якийсь момент, а opamps - корисний будівельний блок для аналогових схем. Це насправді не відрізняється від використання транзисторів. Багато переробки переробляли на очищення кремнію, допінг, розрізання, упаковку та тестування, яке ми дещо сприймаємо як належне як дискретний транзистор. Opamps більш інтегровані, ніж окремі транзистори, але все ще досить «низький» рівень у схемі речей.

Повернувшись до аналогії програмного забезпечення, це те саме, що використовувати існуючі підпрограми, щоб продовжити написання коду для вашої програми. У випадку з дзвінками в ОС ви не можете вибрати їх. Це було б як очищення власного кремнію. Opamps більше схожі на зручні дзвінки, які ви могли написати самостійно, але робити це було б нерозумно в більшості випадків. Наприклад, вам, ймовірно, довелося багато разів перетворювати ціле число в десятковий рядок ASCII, але скільки з тих разів ви написали для цього свій власний код? Ви, ймовірно, використовували для цього виклики бібліотеки виконання або навіть називали їх неявно через конструкції вищого рівня, доступні у вашій мові (наприклад, printf в C).

Ідеальний операційний підсилювач має нескінченний вхідний опір, 0 зміщення, 0 вихідний опір, нескінченну пропускну здатність і коштує 0 доларів. Жоден оппам не є ідеальним, і ці та інші параметри мають різне відносне значення в різних конструкціях. Ось чому є так багато opamps. Кожен оптимізований для різного набору компромісів. Наприклад, іноді ви чуєте, що LM324 - це "хитрий" підсилювач. Це зовсім не так. Це чудовий підсилювач, коли ціна є головним пріоритетом. Коли зсув декількох мВ, пропускна здатність 1 МГц * пропускна здатність тощо, все добре, все інше є лише завищеною ціною.

Щодо Вашого коментаря "Змушує мене думати, що мені не вистачає чогось принципового, щоб пояснити, чому такий компонент може бути чимось на зразок" для "циклу":

Ви можете шукати аналогічне поняття в електроніці до поняття Тьюрінга завершеного, знайденого в інформатиці, або до концепції функціональної повноти, знайденого в булевій алгебрі (а отже, і в цифровій логіці).

Наскільки я знаю, в аналогових схемах немає концепції «повноти», де всі схеми можна отримати від набору основних будівельних блоків ...

Існують деякі правила щодо аналогових схем, з якими ви будете стикатися, вивчаючи теорію систем і, зокрема, інваріантні системи лінійного часу.

Я сподіваюся, що це допомагає, але це може бути не те, що ви шукаєте.

Як в аналоговій, так і в цифровій електроніці є багато випадків, коли можна визначити (але не побудувати) ідеальний компонент, а потім створити схему, яка буде відповідати вимогам, якщо побудована з компонентів, які знаходяться в певній толерантності до ідеалу. Обґрунтування конструкцій із компонентами, які спростили ідеальну поведінку, часто простіше, ніж міркування щодо конструкцій із використанням компонентів реального світу, які мають більш складну поведінку в реальному світі.

У багатьох випадках буде можливим моделювати конструкцію, використовуючи компоненти реального світу, призначити допустимі допуски до сигналів на кожному етапі проектування, а потім показати, що компоненти реального світу, коли дається будь-яка комбінація входів, що знаходяться в межах заданого допуску для цих сигналів вироблятимуть виходи, які знаходяться в межах допуску, визначеного для цих сигналів. У випадках, коли це можливо, таке присвоєння значень толерантності часто уникатиме необхідності більш детального аналізу.

Однією з причин того, що оп-ампер є настільки популярним, є те, що в деякому сенсі існує чітка «ідеальна поведінка» для підсилювача, і легко охарактеризувати певні відхилення від такої поведінки. Якщо передбачається, що диференціальний підсилювач має коефіцієнт підсилення з диференціальним входом 10: 1, слід мати справу з можливістю того, що частина реального світу може мати посилення, яке перевищує ідеальне або менше, ніж ідеальне. Оскільки ідеальний коефіцієнт підсилення підсилювача нескінченний, проте, реальні опсичні підсилювачі, призначені для посилення, як правило, мають менший коефіцієнт посилення [деякі пристрої, особливо ті, які призначені для використання в якості компараторів, можуть мати гістерезис, який можна розглядати як виграш, що перевищує прибуток ідеальний оп амп]. Міркувати про реальні пристрої, які можуть відхилятися від ідеалу лише в одному напрямку, часто простіше, ніж міркувати про пристрої, які можуть відхилятися у два.

Ізоляція, відповідність імпедансу, масштабування, перетворення рівня, джерело великої кількості струму порівняно з цифровими компонентами та генерацією сигналу є звичайними програмами для підсилювачів.

Вивчіть основні конфігурації підсилювачів, щоб побачити, чому вони настільки популярні в аналоговому дизайні, особливо в ролі генератора та в режимі кондиціонування сигналу.

Роки тому я використовував інвертуючий підсилювач із посиленням, щоб створити перетворювач RS-232 / MIL-188C для вилучення деяких даних зі старої моделі AT&T Model 40 Teletype, використовуючи ПК на базі 386, що працює на користувальницькій програмі QuickBasic 4.0.

Вони незамінні як вхідна ізоляція та масштабування переднього кінця для цифрової обробки сигналів і можуть виконувати чудові завдання, такі як перетворення напруги в струм і або частота і назад.

Я думаю, що вислів «хліб з маслом» звучить доповнюючими до ролі, підсилювач може бути дуже хорошим розширенням схем, де кожен контур має особливість.

Наприклад, він використовується як інтегратор та диференціатори в галузі управління та регулювання, які інакше більш відомі як фільтри високого та низького пропускання.

Крім того, його можна встановити в стабільних коливаннях, оскільки їх вихід значною мірою посилюється підсиленням підсилювача, просто за допомогою невеликого вхідного сигналу ви можете встановити підсилювач коливань, використовуючи позитивні відгуки, найкращим прикладом є тригери Шмітта, які потім можна використовувати у шумозаглушенні. Отже, вони утворюють схеми на зразок Bistable та MonoStable Osciilators, що надає їм додаткову роль у 555 таймерах .

Компаратор використовує свій загальний режим напруги, насправді в підсилювачі є каскадний диференціальний підсилювач подальшим активним навантаженням дзеркального дзеркала, на вході якого надається спеціальність для використання в якості компаратора, який може порівнювати входи. Більшістю його застосування є Виходячи з цієї властивості, подача подвійної шини подає ланцюг негайно поблизу протилежних напруг.

Оскільки обмежувачі струму в схемах, де використовуються конденсатори, не дозволяють їм повільно розряджатися, їх ізолюють цими підсилювачами високим вхідним опором, щоб вони підтримували свій заряд, що надає їм гарну доповнюючу роль у високошвидкісних схемах перемикання та утримування