Zosilňovače sú elektronické obvody, ktoré zvyšujú silu signálu, aby ho bolo možné efektívnejšie spracovávať, merať alebo prenášať. V analógových systémoch sú signály zo senzorov, audio zdrojov alebo riadiacich obvodov často príliš slabé na priame použitie, preto sa zosilňovače používajú na zvýšenie úrovne napätia, zlepšenie kvality signálu a prípravu signálu na ďalší stupeň. Operačné zosilňovače, diferenciálne zosilňovače a prístrojové zosilňovače spracúvajú signály iným spôsobom a používajú sa v rôznych situáciách. Tento článok porovnáva tieto tri typy zosilňovačov, vysvetľuje, ako fungujú, v čom sa líšia a ako si vybrať ten správny pre reálne použitie.
Čo je operačný zosilňovač?
Operačný zosilňovač, alebo operačný zosilňovač, je elektronický zosilňovač, ktorý zvyšuje rozdiel medzi dvoma vstupnými napätiami a vytvára jedno výstupné napätie. Má dva vstupné svorky: neinvertujúci vstup (+) a invertujúci vstup (−). Výstup sa mení na základe rozdielu napätia medzi týmito dvoma vstupmi.
V praktických obvodoch sa operačný zosilňovač zvyčajne používa s externými spätnoväzbovými súčiastkami, ako sú rezistory a kondenzátory. Tieto časti riadia zisk, stabilitu, šírku pásma a celkové správanie obvodu. Základná myšlienka operačného zosilňovača sa dá vyjadriť takto:
Vout = Aol(V+ − V−)
kde Vout je výstupné napätie, Aol je zisk otvorenej slučky, V+ je neinvertujúce vstupné napätie a V− je invertujúce vstupné napätie. V reálnych aplikáciách je veľmi vysoké zosilnenie v otvorenej slučke zvyčajne riadené zápornou spätnou väzbou, takže obvod môže produkovať stabilný a predvídateľný výstup.
Čo je diferenciálny zosilňovač?
Diferenciálny zosilňovač zvyšuje rozdiel medzi dvoma vstupnými napätiami a znižuje signály, ktoré sa na oboch vstupoch objavujú rovnako. Tieto rovnaké signály sa nazývajú signály v spoločnom režime. Preto je diferenciálny zosilňovač užitočný, keď je dôležitým signálom rozdiel napätia medzi dvoma bodmi, nie len jeden signál meraný voči zemi.
Základný diferenciálny zosilňovač má dva vstupy, často nazývané V1 a V2, a jeden výstup. Výstup sa mení na základe rozdielu medzi dvoma vstupmi. Ak oba vstupy stúpajú alebo klesajú súčasne kvôli šumu alebo rušeniu, zosilňovač sa snaží tento zdieľaný signál odmietnuť a len zosilniť užitočný rozdiel.
Základná myšlienka sa dá vyjadriť takto:
Vout = Ad(V2 − V1)
kde Vout je výstupné napätie, Ad je diferenciálne zosilnenie a V2 − V1 je rozdiel napätia medzi dvoma vstupnými signálmi.
Čo je to zosilňovač prístrojov?
Prístrojový zosilňovač je presný zosilňovač navrhnutý tak, aby zosilňoval veľmi malé diferenciálne signály a zároveň odmietal šum alebo nežiaduce signály, ktoré sa na oboch vstupoch objavujú rovnako. Bežne sa používa, keď signál pochádza zo senzorov, pretože mnohé senzory produkujú slabé zmeny napätia, ktoré vyžadujú presné zosilnenie pred spracovaním.
Prístrojový zosilňovač má dva vstupné svorky a zvyčajne jeden výstupný terminál. Rovnako ako diferenciálny zosilňovač, zosilňuje rozdiel medzi dvoma vstupnými napätiami. Napriek tomu poskytuje vyššiu vstupnú impedanciu, lepšie potlačenie v spoločnom móde a stabilnejšie zosilnenie než základný diferenciálny zosilňovač. To pomáha predchádzať zaťaženiu senzorov a zlepšuje presnosť meraní.
Základná myšlienka sa dá vyjadriť takto:
Vout = G(V2 − V1)
kde Vout je výstupné napätie, G je zosilňovač a V2 − V1 je diferenciálne vstupné napätie.
Operačný zosilňovač vs diferenciálny zosilňovač vs. prístrojový zosilňovač
| Porovnávacie body | Operačný zosilňovač | Diferenciálny zosilňovač | Prístrojový zosilňovač |
|---|---|---|---|
| Typ vstupu | Môže byť použitý s jednokoncovým alebo diferenciálnym vstupom v závislosti od návrhu obvodu | Používa dva vstupné signály a reaguje na ich rozdiel | Používa dva vstupné signály a reaguje na ich rozdiel |
| Typ výstupu | Zvyčajne jednokoncový výstup | Zvyčajne jednokoncový výstup, ale existujú aj plne diferenciálne verzie | Zvyčajne jednostranný výstup, v závislosti od návrhu integrovaného obvodu |
| Základná rovnica | Vout = Aol(V+ − V−) | Vout = Ad(V2 − V1) | Vout = G(V2 − V1) |
| Riadenie zisku | Zosilnenie sa zvyčajne nastavuje externými spätnoväzobnými rezistormi | Zosilnenie je dané pomerom rezistorov | Zosilnenie sa často nastavuje jedným rezistorom na nastavenie zosilnenia |
| Vstupná impedancia | Zvyčajne vysoko, v závislosti od typu a konfigurácie operačného zosilňovača | Stredné až vysoké, ale základné rezistory môžu zaťažiť zdroj | Veľmi vysoké, čo ho robí vhodným pre senzory |
| Úroveň presnosti | Všeobecný účel s presnosťou, v závislosti od použitého operačného zosilňovača | Stredná až dobrá presnosť | Vysoká presnosť |
| Chyba posunu | Závisí od zvoleného operačného zosilňovača | Ovplyvnené offsetom operačného zosilňovača a nezhodou rezistora | Zvyčajne nízky offset a nízky drift v presných modeloch |
| Šírka pásma | Široký rozsah, v závislosti od operačného zosilňovača | Závisí to od operačného zosilňovača, gainu a rezistorovej siete | Často nižšie ako bežné operačné zosilňovače pri vysokom zisku |
| Zložitosť obvodu | Jednoduché až stredné | Stredný | Stredná až vysoká, ale jednoduchá pri použití integrovaného IC |
| Externé komponenty | Spätnoväzobné rezistory a ďalšie súčiastky v závislosti od konfigurácie | Vyžaduje presne zladené rezistory | Často stačí len rezistor na nastavenie zosilnenia a niekoľko podporných častí |
| Citlivosť na prispôsobenie rezistorov | Dôležité v obvodoch nastavujúcich zosilnenie | Veľmi dôležité pre presnosť zosilnenia a CMRR | Pre používateľov je to jednoduchšie pri použití integrovaných integrovaných obvodov so zodpovedajúcim rezistorom |
| Najlepšie využitie | Všeobecné zosilnenie, filtrovanie, vyrovnávacie pamäte a analógové spracovanie signálu | Meranie napäťových rozdielov medzi dvoma bodmi | Presné meranie signálu senzora |
| Hlavná výhoda | Veľmi flexibilné a široko dostupné | Odmieta bežné signály a meria rozdiely napätia | Vysoká presnosť, vysoká vstupná impedancia a silné potlačenie v spoločnom režime |
| Hlavné obmedzenie | Nie vždy ideálne pre malé senzorové signály bez zvýšenej starostlivosti o dizajn | Presnosť závisí od prispôsobenia rezistora a vstupnej impedancie | Sú špecializovanejšie a môžu stáť viac ako základné obvody operačných zosilňovačov |
Kľúčové faktory výkonu zosilňovača, ktoré treba zvážiť
Nastavenie zosilnenia a presnosť zosilnenia
Nastavenie zosilnenia vysvetľuje, ako sa ovláda výstupné zosilnenie zosilňovača, zatiaľ čo presnosť zosilnenia vysvetľuje, ako blízko je skutočné zosilnenie očakávanej hodnote.
• V obvode operačného zosilňovača sa zisk zvyčajne nastavuje externými spätnoväzbovými rezistormi. Napríklad neinvertujúci operačný zosilňovač používa pomer rezistorov okolo spätnoväzobnej dráhy na nastavenie zosilnenia. To robí operačné zosilňovače veľmi flexibilnými, pretože rovnaké zariadenie sa dá použiť na bufferovanie, nízke zosilnenie, vysoké zosilnenie, filtrovanie alebo úpravu signálu.
• V diferenciálnom zosilňovači závisí zosilnenie tiež od pomerov rezistorov, ale zladenie rezistorov sa stáva kritickejším. Ak pomery rezistorov nie sú presne zladené, zosilňovač môže spôsobiť chybu zosilnenia a slabšie odmietnutie v spoločnom režime. Pre presné diferenciálne obvody konštruktéri často používajú rezistory s prísnou toleranciou, ako sú diely s 0,1 % alebo 0,01 %, namiesto štandardných 1 % rezistorov.
• V prístrojovom zosilňovači je zosilnenie často nastavené jedným externým rezistorom alebo vnútornou sieťou na nastavenie zosilnenia, čo uľahčuje dosiahnutie stabilného zosilnenia v senzorových a meracích obvodoch. Analog Devices uvádza, že operačné zosilňovače sú konfigurované cez niekoľko externých komponentov, zatiaľ čo inštrumentačné zosilňovače sú bežne konfigurované na zosilnenie cez jeden rezistor alebo voliteľné zosilňovacie odbočky.
Odmietnutie v spoločnom režime a odmietnutie šumu
Odmietnutie v spoločnom režime opisuje, ako dobre zosilňovač odmieta signály, ktoré sa objavujú na oboch vstupoch súčasne. To je dôležité, pretože skutočné obvody často zachytávajú spoločný šum z elektrických vedení, motorov, spínacích zdrojov, dlhých senzorových vodičov alebo blízkych digitálnych obvodov. Ak má zosilňovač slabé potlačenie v spoločnom režime, časť tohto nežiaduceho šumu sa môže objaviť na výstupe a znížiť presnosť signálu.
• Operačné zosilňovače môžu odmietať signály v spoločnom režime, ale ich skutočný výkon závisí od konfigurácie obvodu a návrhu spätnej väzby.
• Diferenciálny zosilňovač je špeciálne navrhnutý na zosilnenie rozdielu medzi dvoma vstupmi, ale jeho CMRR silne závisí od prispôsobenia rezistorov. Ak rezistorová sieť nie je vyvážená, potlačenie šumu v spoločnom režime slabne.
• Prístrojové zosilňovače zvyčajne poskytujú najsilnejšie potlačenie v spoločnom režime, pretože sú navrhnuté pre malé diferenciálne signály v hlučnom prostredí. V mnohých aplikáciách presných senzorov môžu mať prístrojové zosilňovače hodnoty CMRR okolo 80 dB až viac ako 120 dB, v závislosti od zisku a typu zariadenia.
Preto sú často preferované pre mostíkové senzory, termočlánky a lekárske či priemyselné meracie signály. Analógové zariadenia popisujú prístrojové zosilňovače ako diferenciálne vstupné zosilňovacie bloky, ktoré sa bežne používajú tam, kde je potrebná vysoká vstupná impedancia a potlačenie spoločného módu.
Vstupná impedancia a zaťaženie zdroja
Vstupná impedancia ukazuje, do akej miery zosilňovač ovplyvňuje zdroj signálu. Vysoká vstupná impedancia znamená, že zosilňovač odoberá veľmi málo prúdu zo zdroja, takže pôvodný signál je lepšie zachovaný. Nízka vstupná impedancia môže zaťažiť zdroj, znížiť merané napätie a spôsobiť chybu signálu ešte pred začiatkom zosilnenia.
• Operačné zosilňovače majú zvyčajne vysokú vstupnú impedanciu, najmä CMOS a JFET vstupné typy. To ich robí užitočnými na napäťové vyrovnávanie a všeobecné kondicionovanie signálu.
• Diferenciálne zosilňovače môžu mať nižšiu efektívnu vstupnú impedanciu, pretože vstupný signál často prechádza cez rezistorové siete. To môže byť problém, keď je zdrojový signál slabý alebo pochádza zo snímača s vysokou impedanciou.
• Prístrojové zosilňovače zvyčajne poskytujú veľmi vysokú a vyváženú vstupnú impedanciu na oboch vstupoch, čo pomáha predchádzať zaťaženiu senzorov.
Posun, drift a presnosť merania
Posunuté napätie je malá nežiaduca chyba napätia, ktorá sa objaví na vstupe zosilňovača. Aj keď sú oba vstupné signály rovnaké, skutočný zosilňovač môže stále spôsobiť malú výstupnú chybu kvôli vnútornej nerovnováhe. Táto chyba sa stáva vážnejšou pri meraní veľmi malých signálov, ako sú výstupy senzorov na úrovni mikrovoltov alebo milivoltov.
Drift znamená, že posun alebo zosilnenie sa mení podľa zmeny teploty v čase. To je dôležité v priemyselných, automobilových a presných meracích obvodoch, pretože zosilňovač nemusí zostať na jednej pevnej teplote. Všeobecné operačné zosilňovače môžu byť prijateľné pre základné kondicionovanie signálu, ale presné operačné zosilňovače a prístrojové zosilňovače sú lepšie, keď musia byť offset a drift veľmi nízky. Napríklad niektoré presné operačné zosilňovače s nulovým driftom môžu mať offsetové napätie v sub-mikrovoltovom rozsahu a offsetový drift až 0,005 μV/°C, v závislosti od zariadenia. Rodina presných zosilňovačov OPAx189 od TI je jedným z príkladov, ktorý uvádza veľmi nízke hodnoty offsetu a driftu pre presné meranie signálu.
5,5 Šírka pásma, rýchlosť vysunutia a odozva signálu
Šírka pásma ukazuje rozsah frekvencií, ktoré zosilňovač zvládne bez výrazných strát signálu. Rýchlosť pohybu ukazuje, ako rýchlo sa môže meniť výstupné napätie, zvyčajne merané vo V/μs. Tieto dva faktory určujú, či zosilňovač dokáže presne sledovať rýchlo sa meniace vstupné signály. Ak je šírka pásma príliš nízka, vysokofrekvenčné signály slabnú. Ak je rýchlosť posúvania príliš nízka, výstup môže vyzerať skreslene, keď sa signál rýchlo mení.
Pre operačné zosilňovače je šírka pásma často spojená so súčinom zosilnenia a šírky pásma. To znamená, že s rastúcim ziskom uzavretej slučky sa využiteľná šírka pásma zvyčajne znižuje. Napríklad, ak má operačný zosilňovač s napäťovou spätnou väzbou súčin zosilnenia a šírky pásma 10 MHz, môže poskytnúť približne 10 MHz šírku pásma pri zisku 1, ale len okolo 1 MHz pri zisku 10, v zjednodušenom prípade. Súčin zosilnenia a šírky pásma v uzavretej slučke je kľúčovým ukazovateľom pre mnohé operačné zosilňovače s napäťovou spätnou väzbou.
Diferenciálne a prístrojové zosilňovače majú tiež limity šírky pásma, najmä pri vyššom zosilnení. Prístrojové zosilňovače sú často optimalizované pre presnosť a potlačenie šumu, nie pre veľmi vysokú rýchlosť, takže ich šírka pásma sa môže zužovať so zvyšovaním zisku. Pre rýchle signály by ste mali v datasheete skontrolovať šírku pásma aj rýchlosť pohybu. Šírka pásma pri plnom výkone by mala byť zvyčajne niekoľkonásobne vyššia ako maximálna výstupná frekvencia signálu, aby sa predišlo skresleniu v konštrukciách vysokorýchlostných zosilňovačov
Reálne aplikácie každého typu zosilňovača
Aplikácie operačných zosilňovačov
Operačné zosilňovače sa široko používajú, keď obvod potrebuje flexibilné riadenie signálu. Môžu zosilniť slabé napäťové signály, vyrovnávať jeden stupeň obvodu s druhým, filtrovať nežiaduce frekvencie alebo upravovať signál predtým, než sa dostane do ADC, mikrokontroléra alebo iného analógového obvodu. Keďže zosilnenie a funkcia sú nastavené externými spätnoväzbovými komponentmi, jeden operačný zosilňovač IC môže podporovať mnoho rôznych úloh obvodu.
Bežným príkladom je LM358. Je to duálny operačný zosilňovač často používaný v analógových obvodoch citlivých na náklady. Texas Instruments uvádza LM358 ako duálny, 30-V, 700-kHz operačný zosilňovač, čo ho robí vhodným pre všeobecné kondicionovanie signálu, zosilňovanie nízkofrekvenčných signálov, rozhranie senzorových obvodov a základné analógové riadiace systémy. Napríklad LM358 môže byť použitý na zosilnenie malého napätia senzora pred jeho prečítaním mikrokontrolérom, alebo môže slúžiť ako napäťový buffer, aby ďalší stupeň obvodu nezaťažoval zdroj signálu.
Operačné zosilňovače sú tiež bežné v aktívnych filtroch, audio predzosilňovačoch, napäťových sledovačoch, chybových zosilňovačoch v napájacích zdrojoch a v obvodoch detekcie signálu podobných komparátorom. Zvyčajne sú najlepšou voľbou, keď obvod potrebuje flexibilitu, nie najvyššiu presnosť merania.
Aplikácie diferenciálnych zosilňovačov
Diferenciálne zosilňovače sa používajú, keď obvod potrebuje merať rozdiel medzi dvoma napäťovými bodmi namiesto merania jedného napätia vzhľadom na zem. To ich robí užitočnými pri snímaní prúdu, odčítaní napätia, vyváženom prijímaní signálov, spätnej väzbe riadenia motora a v obvodoch, kde sa na oboch vstupných linkách objavuje nežiaduci šum. Zameraním sa na rozdiel napätia môže diferenciálny zosilňovač znížiť zdieľaný šum a extrahovať užitočný signál.
Skutočným príkladom IC je AD8276 od Analog Devices. AD8276 je zosilňovač s rozdielom jednotného zosilnenia navrhnutý na presné kondicionovanie signálu v nízkoenergetických aplikáciách. Obsahuje laserom upravené vnútorné rezistory, čo pomáha zlepšiť presnosť zosilnenia a potlačenie v spoločnom režime v porovnaní s jednoduchým diferenciálnym zosilňovačom s diskrétnym rezistorom. Analógové zariadenia uvádzajú AD8276/AD8277 ako univerzálne diferenčné zosilňovače s 86 dB pomerom odmietnutia v spoločnom móde a nízkym posunom zisku.
V reálnych obvodoch sa zariadenie ako AD8276 môže použiť na meranie prúdu, presné meranie napätia, jednosmernú konverziu na diferenciál a priemyselné úpravu signálu. Je užitočný, keď konštruktér potrebuje presné odčítanie medzi dvoma signálmi, ale nepotrebuje plný výkon merania senzorov ako prístrojový zosilňovač.
Aplikácie prístrojových zosilňovačov
Prístrojové zosilňovače sa používajú, keď obvod musí presne merať veľmi malé diferenciálne signály, najmä keď je prítomný šum. Sú bežné v senzorových systémoch, pretože poskytujú vysokú vstupnú impedanciu, stabilné zosilnenie a silné potlačenie v spoločnom móde. To pomáha zabrániť načítaniu alebo skresleniu slabých signálov zo senzorov pred zosilnením.
Bežným príkladom je INA333 od Texas Instruments. INA333 je nízkovýkonný, presný prístrojový zosilňovač navrhnutý na presné meranie signálu. TI uvádza, že používa trojprevádzkový zosilňovač s prístrojovým zosilňovačom a že jeden externý rezistor môže nastaviť zosilnenie. To ho robí užitočným pre prenosné a senzorové aplikácie, kde malé signály potrebujú čisté zosilnenie.
Prístrojové zosilňovače sa často používajú s zaťažovými článkami, tenzometrmi, mostíkovými senzormi, termočlánkami, tlakovými senzormi, biomedicínskymi senzormi a systémami na zber dát. Napríklad záťažová bunka môže pri aplikácii záťaže produkovať len malý signál na úrovni milivoltov. Prístrojový zosilňovač ako INA333 dokáže zosilniť tento malý diferenciálny signál a zároveň odmietať šum zachytený vodičmi senzora.
Výber zosilňovača v reálnom príklade
| Prípad použitia systému | Typ signálu | Kľúčová požiadavka | Odporúčaný zosilňovač | Prečo to sedí |
|---|---|---|---|---|
| Audio zosilňovač (mikrofón na reproduktor) | mV na V (jednokoncový) | Flexibilné zosilnenie, široká šírka pásma | Op-Amp (napr. TL072, LM358) | Rieši zosilnenie signálu, filtrovanie a vyrovnávaciu pamäť jednoduchým návrhom |
| Monitorovanie motorického prúdu | mV (cez shunt, diferenciál) | Odmietanie hluku, imunita voči PWM | Diferenciálny zosilňovač (napr. INA240) | Merá rozdiel napätia a odmieta prepínací šum |
| Lekársky EKG systém | μV (veľmi malý diferenciál) | Vysoká presnosť, vysoká CMRR | Prístrojový zosilňovač (napr. AD8232) | Zosilňuje slabé signály silným potlačením šumu |
| Zaťažovací článok / vážiaci systém | mV (mostíkový senzor) | Vysoká vstupná impedancia, stabilné zosilnenie | Prístrojový zosilňovač (napr. INA333) | Zabraňuje zaťaženiu senzorov a zabezpečuje presné meranie |
| Ovládanie spätnej väzby napájacieho zdroja | V (jednokoncový) | Stabilné zosilnenie, rýchla ohlas | Op-Amp | Používa sa ako chybový zosilňovač na reguláciu napätia |
| Priemyselné senzorové rozhranie | mV na V (diferenciálne alebo jednokoncové) | Presnosť a spracovanie šumu | Operačný zosilňovač alebo prístrojový zosilňovač | Voľba závisí od sily signálu a úrovne šumu |
| Snímanie prúdu batérie | mV (diferenciál na nízkej alebo vysokej strane) | Presnosť, nízky drift | Diferenciálny zosilňovač | Presne meria malý pokles napätia cez shuntový rezistor |
Záver
Operačné zosilňovače, diferenciálne zosilňovače a prístrojové zosilňovače každý slúžia rôznym potrebám signálu. Používajte operačný zosilňovač na flexibilné zosilňovanie, vyrovnávanie pamäte, filtrovanie a všeobecné nastavenie signálu. Diferenciálny zosilňovač používajte, keď obvod potrebuje porovnať dva napäťové body alebo znížiť zdieľaný šum. Používajte prístrojový zosilňovač pri meraní veľmi malých senzorových signálov, ktoré vyžadujú vysokú presnosť, vysokú vstupnú impedanciu a silné potlačenie šumu. Výber správneho zosilňovača závisí od typu signálu, úrovne šumu, presnosti, rýchlosti a požiadaviek na obvod.
