Op elektronikler neden analog elektroniklerde bu kadar sık ​​kullanılıyor?

Birkaç kitap ve makalede okudum: "Op amp'ler analog elektroniğin ekmeği ve tereyağıdır" veya "... op amper, analog devrelerde en sık karşılaşılan yapı taşıdır ..." bu etki.

Tecrübelerim bu iddiayı hem kabul etmek hem de reddetmek için yeterince geniş olmasa da, kesinlikle gördüğüm devrelerde ortaya çıkıyor.

Neden temel bir şey eksik olduğumu düşündürüyor, bunun gibi bir bileşenin belki de programlamada "for" döngüsü gibi bir şey olabileceğini veya bir zamanlar mevcut olan yaygın bir uygulama bulan temel bir kalıbı açıklayabileceğimi açıklıyor.

Bir op amplifikatörünü bu kadar temel ve çok yönlü bir desenin yerine getirmesini sağlayan analog elektroniğin temel doğası nedir?

Op amper, ideal diferansiyel amplifikatöre oldukça yakındır. Öyleyse asıl soru, yükselteçlerde neyin harika olduğu? (En az!) Üç cevap var.

İlk olarak, bariz - yükselteçler bir sinyalin genliğini değiştirmenize izin verir . Eğer küçük bir sinyalin varsa (örneğin, bir transdüserden), bir amplifikatör voltajını yararlı bir seviyeye yükseltmenizi sağlar. Amplifikatörler ayrıca, örneğin bir ADC aralığına uyması için faydalı olabilecek bir sinyalin genliğini de azaltabilir.

Yükselteçler ayrıca bir sinyali de tamponlayabilir . Giriş tarafında yüksek empedans ve çıkış tarafında düşük empedans sunarlar. Bu, zayıf bir kaynak sinyalinin ağır bir yüke iletilmesine izin verir.

Son olarak, negatif geri besleme, amplifikatörlerin bir sinyali filtrelemesini sağlar . Aktif filtreler (amplifikatörler kullanan), pasif filtrelerden (sadece dirençler, kapasitörler ve indüktörler kullanan) çok daha esnek ve güçlüdür. Filtrelenmiş pozitif geri beslemeli yükselteçler kullanılarak yapılan osilatörleri de belirtmeliyim .

Genlik kontrolü, tamponlama ve filtreleme, analog sinyallere yapabileceğiniz en yaygın üç şeydir. Daha genel olarak, amplifikatörler , sinyal işleme görevlerinin temel matematiksel tanımları olan birçok transfer fonksiyonunu uygulamak için kullanılabilir . Böylece, amplifikatörler her yerde.

Neden özellikle amper? Dediğim gibi, op amper esasen yüksek kaliteli amplifikatörlerdir. Anahtar özellikleri:

• Çok yüksek diferansiyel kazanç (bazen 1.000.000 kadar yüksek!)
• Çok yüksek giriş empedansı (FET girişi op amper için düşük frekansta teraohmlar)
• Çok yüksek ortak mod reddetme oranı (genellikle> 1000)

Bu özellikler, yükselticinin davranışının neredeyse tamamen geri besleme devresi tarafından belirlendiği anlamına gelir. Transistörlerden çok daha iyi davranış gösteren dirençler gibi pasif bileşenlerle geri bildirim yapılır. Gerilim ve sıcaklık boyunca basit bir ortak verici amplifikatörünü simüle etmeye çalışın - bu harika değil.

Entegre devrelerde modern gelişmelerle birlikte, op amper ucuz, yüksek performanslı ve kolayca temin edilebilir. Aşırı performansa (yüksek güç, çok yüksek frekans) ihtiyaç duymadığınız sürece, artık ayrı transistörlü yükselteçlerle çalışmaya gerek kalmaz.

Bir op amp bir arada üç 5 temel araçtır (daha fazla değilse).

• Önce bir if else ifadesi gibi bir karşılaştırma cihazı (if a > b, output = a, else b).

• İkinci bir tampon (in = 1, out = 1, refreshed).

• Üçüncüsü , bir çarpan gibi bir yükselteç (in = 1, out = 10).

• Dördüncü olarak , bir faz kayması / gecikmesi (in = x, out = x + 1).

• Beşinci , bir invertör (in = x, out = 1/x).

Çok yönlü olma eğilimindedirler ve gerektiğinde birçok devreye adapte olabilirler.

Temel olarak, bir sinyal analog ayrık elemanlardan işlendikçe, genliği - voltajı düşer. Bir op amp bir analog sinyali tamponlayabilir ve arttırabilir, sonunda okunabilir veya kullanışlı olmasını sağlar.

Bu arada, bir for döngüsü bir sayaç olacaktır. On yıl sayacı bir for (i = 0, i < 10, i++)döngü gibi çalışır .

Bir op-amp'in temel faydalarından bazıları şunlardır:

yüksek giriş empedansı : Yüksek giriş empedansı nedeniyle, bir op-amp önceki devreyi gereğinden fazla yüklemez. Bir op-ampin kendisi 10'lu veya 100'lü gigohmlarda giriş empedansına sahip olabilir. Bir op-amp geri besleme devresi muhtemelen daha düşük bir giriş empedansına sahip olacaktır, ancak op-ampin yüksek giriş empedansı bunun tamamen diğer bileşenler tarafından ayarlanmasına izin verir.

düşük çıkış empedansı : Düşük çıkış empedansı nedeniyle, bir op-amp devresi yükü davranışını etkilemeden genellikle bir başka op-amp devresini (veya bir ADC veya ...) çalıştırabilir.

yüksek kazanç : op-ampin yüksek kazancı, devre davranışının op-amp yerine geri besleme elemanları tarafından domine edileceği şekilde negatif bir geri besleme devresinde kullanılmasına izin verir. Bunun anlamı

1. Genellikle, genel devreden hassas performans elde etmek için geri besleme devresinde sadece birkaç hassas bileşen gerekir.

2. Devrenin davranışı geri besleme devresi tarafından kontrol edildiğinden, op-amp, amplifikasyon, farklılaşma, entegrasyon, logaritmik amplifikasyon, vb. Gibi farklı fonksiyonlar elde etmek için çok sayıda farklı geribildirim elemanı ile birlikte kullanılabilir. -amperler böyle "yaygın uygulama" var.

Bence asıl cevap, diğerlerinin sağladığı cevaplardan çok daha basit olduğunu düşünüyorum (gerçekten doğru olsalar da) - op-amp'ler, daha gelişmiş bir devre için ihtiyaç duyduğunuz tüm "legoları" oluşturmanıza izin veriyor, bkz. Https: //en.wikipedia .org / wiki / Operation_amplifier # Daha fazla ayrıntı için başvurular . Op-amp ile şunları elde edebilirsiniz (ayrıntılı olmayan liste!):

• bir gerilim / akım tamponu,
• karşılaştırıcı (histerezis ile bile),
• bir aktif amplifikatör (hem çevirici hem de çevirici olmayan),
• ideal diyot
• aktif filtre (entegratör / farklılaştırıcı uygulamalar dahil),
• aktif doğrultucu,
• aktif matematik blokları (örneğin toplam, fark, kat, div),
• bir dalga synth (kare, tri, testere, hatta VCO),
• DAC ve ADC,
• empedans dönüştürücü,
• jiratör,
• ... Ve bircok digerleri.

Bu , temel analog işleme için muhtemelen ihtiyacınız olan her şeyden daha fazlasıdır ve bu işlemlerden bazıları dijital işleme için de zariftir. Gibi, op-amps burada hem ekmek hem de tereyağı vardır.

Ayrıca, ortak gerilim besleme hatlarına sahip küçük bir pakette örneğin 2 veya 4'ünü ve işlem özelliklerini kolayca elde edebilirsiniz (birçok pratik uygulama için ideal bileşene yakın ve tek bir paketteki op-amp'ler için oldukça uyumlu) (Ayrık (diyot / BJT / FET) analog devreler için gerekli (örn. eğilme, voltaj düşmesi, sıcaklık dengeleme vb.) çok fazla sorun olmadan bunların kullanılmasına izin ver - daha az parçalı, daha basit, düzenli ve bakımlı devreler tasarlamanıza olanak ve kolay sorun giderme

Belirli bir elektronik bileşeni seçip, "ekmek ve tereyağı" nın tüm bu "en önemli" tür ifadeler gibi saçma olduğunu söylemek için. Örneğin, analog devrelerdeki dirençleri sayın ve eminim ki geniş aralıklarla opampları geride bırakacaksınız.

Ayrıca, işler değişir. Vakum tüplerinin zaman zaman aptalların "en önemli" ya da analog elektroniğin "ekmek ve tereyağı" bileşeni, ardından transistör olduğu bir zaman vardı.

Hiçbir zaman bir opamp kullanmanıza gerek yoktur , ancak belirli bir özelliğe bir devre uygulamanın en etkili yolu bu olabilir. Sonuçta, opamp'lar transistörlerden yapılır, bunun yerine bir demet transistör kullanmak mümkündür (bunun yerine birkaç başka bileşenle).

Opamp'ların çekiciliği, yaygın ve kolay kullanılan bir yapı bloğunu yerleştirmeleridir. Entegre devrelerin büyüsü ile bu yapı taşları bazen tek transistörlerin boyutu ve maliyeti olabilir. Herhangi bir opamp, herhangi bir özel uygulama için üstesinden gelinebilir, ancak kitle üretilen entegre devrelerin büyük kaldıraçları, ucuz ve düşük olmalarına izin verir, böylece transistörlerinin sadece birkaçı transistörlerin sadece birkaçı gerçekte ne zaman çok az olsa gerekli olmak.

Analojinizi bir programlama dilinde FOR döngüsü ile kullanmak için, aslında bu yapıyı kullanmanız gerekmez. Açık bir kodla bir değişkeni başlatabilir, artırabilir ve kontrol edebilirsiniz. Bazen özel şeyler yapmak istediğinizde bunu yaparsınız ve FOR konserve konsolu çok katıdır. Bununla birlikte, çoğu zaman, daha uygun ve daha az hata, FOR yapısını döngüler için kullanmaya meyillidir. Opamp'larda olduğu gibi, bu konserve yüksek yapının tüm özelliklerini her durumda kullanamazsınız, ancak sadeliği her şeye değdi. Örneğin, çoğu dil artışın 1'den farklı bir şey olmasına izin verir, ancak muhtemelen bunu nadiren kullanırsınız.

FOR yapısından farklı olarak, ayrık bir devrede opamp'ı yalnızca bu durumda gereksinim duyduğunuz özelliklere göre optimize eden bir derleyici yoktur. Bununla birlikte, hacimli entegre devre üretiminin büyük avantajı, bu özellikleri bir FOR döngüsündeki birkaç ekstra komutun eşdeğerinden daha aşağıya indirir. Opamp'ları, komut setinde uygulanan tam özellikli bir FOR döngüsü olarak düşünün; bu, tüm özelliklerinin kullanılıp kullanılmadığını yürütmek için aynı talimatları alır ve basit durumlar için bile, aksi takdirde kullanmak zorunda kalmayacağınızdan daha az talimat alır.

Opamp'lar, "güzel" bir yapı taşı sunmak için paketlenmiş ve bu transistörlerin yalnızca bir veya bir kaçının maliyeti için uygun hale getirilmiş bir demet transistördür. Bu, sadece tasarımda transistörlerin ve benzerlerinin önyargısıyla başa çıkmak için zaman kazandırmakla kalmaz, aynı zamanda transistörler arasında iyi eşleşmeyi garanti etmek ve idealleri daha yakın olan parametreleri ölçmek ve düzeltmek için üretim teknikleri kullanılabilir. Örneğin, iki transistörlü diferansiyel bir ön uç yapabilirsiniz, ancak giriş ofset voltajını birkaç mV'ye düşürmek önemsiz değildir.

Tüm mühendislik bir noktada mevcut yapı taşlarını kullanmaya dayanmaktadır ve opamp'lar analog devreler için kullanışlı bir yapı taşıdır. Bu gerçekten transistör kullanmaktan farklı değil. Bir çok işlem, silisyumun rafine edilmesi, dopinglenmesi, kesilmesi, paketlenmesi ve ayrı bir transistör olarak verilmiş bir şekilde aldığımız testlerden geçti. Opamp'ler, bireysel transistörlerden daha fazla entegredir, ancak yine de şemaların düzeninde oldukça "düşük" seviyededir.

Yazılım analojisine geri dönersek, bu, uygulamanızın kodunu yazmaya devam etmek için mevcut alt rutinleri kullanmakla aynıdır. İşletim sistemi çağrısı durumunda, bunları kullanmak için bir seçeneğiniz yok. Bu, kendi silikonunu arıtmak gibi olur. Opamp'ler, kendiniz yazabileceğiniz uygun çağrılar gibidir, ancak bunu yapmak çoğu durumda aptalca olacaktır. Örneğin, muhtemelen bir tamsayıyı bir ASCII ondalık dizgisine defalarca dönüştürmek zorunda kaldınız, ancak bu zamanların kaç tanesini bunun için kendi kodunuzu yazdınız? Muhtemelen çalışma zamanı kütüphanesini bunun için kullanıyordunuz ya da kendi dilinizde bulunan (C'deki printf gibi) üst düzey yapılardan dolaylı olarak adlandırılanları bile çağırdınız.

İdeal opamp sonsuz giriş empedansına, 0 ofset, 0 çıkış empedansına, sonsuz bant genişliğine ve 0 $ maliyete sahiptir. Hiçbir opamp ideal değildir ve bu ve diğer parametrelerin farklı tasarımlarda farklı bağıl önemi vardır. Bu yüzden çok fazla opamp var. Her biri farklı bir dizi takıntı için optimize edilmiştir. Örneğin, bazen LM324'ün bir "berbat" opamp olduğunu duyarsınız. Bu hiç doğru değil. Fiyatın öncelikli olduğu durumlarda üstün bir emirdir. Birkaç mV ofset, 1 MHz kazanç * bant genişliği vb. Hepsi yeterince iyi olduğunda, diğer her şey sadece overpriced önemsizdir.

Yorumunuzla ilgili olarak, "Bu, böyle bir bileşenin neden" döngü "için" gibi "bir şey olabileceğini açıklamak için, temel bir şeyi kaçırdığımı düşünmeme neden oluyor:

Elektronikte bilgisayar bilimlerinde bulunan Turing Complete kavramına veya boolean cebirinde (ve dolayısıyla dijital mantıkta bulunan İşlevsel Tamamlanma) kavramına bir kavram olarak bakıyor olabilirsiniz .

Bildiğim kadarıyla, tüm devrelerin bir dizi temel yapı taşından elde edilebileceği analog devrelerde "tamamlanma" kavramı yoktur.

Sistem Teorisi ve özellikle Doğrusal Zamanla Değişmeyen Sistemler üzerinde çalışırken karşılaşacağınız analog devrelerle ilgili bazı kurallar vardır .

Umarım bu yardımcı olur, ancak aradığınız şey olmayabilir.

Hem analog hem de dijital elektroniklerde, ideal bir bileşen tanımlamanın (ancak oluşturulmamasının) mümkün olduğu ve daha sonra, belirli bir ideal toleransı dahilinde olan bileşenlerle oluşturulmuşsa gereksinimleri karşılayacak bir devre tasarlayan birçok durum vardır. İdeal davranışları basitleştiren bileşenlere sahip tasarımlar hakkında düşünmek, daha karmaşık gerçek dünya davranışlarına sahip gerçek dünya bileşenlerini kullanan tasarımları düşünmekten daha kolaydır.

Birçok durumda, gerçek dünya bileşenlerini kullanan bir tasarımın modellenmesi, bir tasarımdaki her aşamadaki sinyallere izin verilen toleransların atanması ve ardından belirtilen tolerans dahilinde olan herhangi bir girdi kombinasyonu verildiğinde, gerçek dünya bileşenlerinin gösterilmesi mümkün olacaktır. Bu sinyaller için, bu sinyaller için belirtilen tolerans dahilinde çıkışlar üretecektir. Bunun mümkün olduğu durumlarda, bu tür tolerans değerlerinin tayini çoğu zaman daha detaylı analiz ihtiyacını ortadan kaldıracaktır.

Op amp'lerin bu kadar popüler olmasının sebeplerinden biri, bir op op için bir anlamda net bir "ideal davranış" olduğu ve bu davranıştan belirli sapmaları karakterize etmenin kolay olmasıdır. Bir diferansiyel yükselticinin 10: 1 diferansiyel giriş kazancına sahip olması gerekiyorsa, gerçek dünyadaki bir parçanın idealden daha büyük veya idealden daha düşük bir kazanıma sahip olabileceği olasılığı ele alınmalıdır. Bununla birlikte, ideal bir op ampin kazancı sonsuz olduğundan, amplifikasyon için amaçlanan gerçek dünya op amp'leri genellikle daha düşük bir kazancına sahip olacaktır [bazı cihazlar, özellikle karşılaştırıcı olarak kullanılması amaçlananlar, ideal op amp]. İdeal olandan bir yönde sapabilecek gerçek dünyadaki aygıtlar hakkında düşünmek, iki taraftaki aygıtları düşünmekten daha kolaydır.

İzolasyon, empedans eşleştirme, ölçeklendirme, seviye dönüştürme, dijital bileşenlere kıyasla yüksek miktarda akım kaynağı ve sinyal üretimi op-amp'ler için yaygın olarak kullanılan uygulamalardır.

Analog tasarımda neden bu kadar popüler olduklarını görmek için op-amp'lerin temel yapılandırmalarını inceleyin, özellikle osilatör ve sinyal koşullandırma rollerinde.

Yıllar önce, özel bir QuickBasic 4.0 programını çalıştıran 386 tabanlı bir PC kullanarak eski bir AT&T Model 40 Teletype'dan bazı verileri geri almak için RS-232 / MIL-188C çevirici oluşturmak için ters işlem yapan op-amp'i kullandım.

Dijital sinyal işleme için giriş yalıtımı ve ölçekleme ön ucu olarak vazgeçilmezdirler ve voltajdan akıma ve / veya frekans ve geri dönüş gibi zarif görevleri yerine getirebilirler.

"Ekmek ve tereyağı" ifadesinin rolün tamamlayıcısı gibi geldiğini düşünüyorum, opamp her bir devrenin özelliğe sahip olduğu devrelerin çok iyi bir uzantısı olabilir.

Örneğin , Kontrol ve Düzenleme alanında, aksi halde Yüksek Geçiş ve Düşük Geçişli filtreler olarak daha iyi bilinen Bütünleştirici ve Farklılaştırıcılar olarak kullanılır .

Ayrıca, çıkışları büyük ölçüde amplifikatörün kazancıyla yükseltildiği için kararlı salınımlara da koyulabilir, sadece küçük bir giriş sinyali kullanarak opampı salınımlı olarak pozitif geri besleme kullanarak ayarlayabilirsin, en iyi örnek Schmitt Tetikleyicileridir. Gürültü engellemede , 555 zamanlayıcıda onlara tamamlayıcı bir rol veren Bistable ve MonoStable Osciilators gibi devreler oluştururlar .

Karşılaştırıcı ortak voltaj modunu kullanır, aslında opamp girişinde karşılaştırıcı olarak kullanılması için uzmanlık kazandıran girişinde bir akım ayna aktif yükü izleyen basamaklı bir diferansiyel amplifikatöre sahiptir . Bu özelliğe dayanarak, Çift raylı besleme, devreyi hemen karşı gerilimlere yakın bir şekilde çalıştırır.

Kapasitörlerin kullanıldığı devrelerde akım sınırlayıcıları olduğundan, yavaş deşarj olmalarını önlemek için yüksek giriş empedansları ile bu opamplar tarafından izole edilirler, böylece yüksek hızdaki Anahtarlama ve Tutma devrelerinde kendilerine iyi bir tamamlayıcı rol veren şarjlarını korurlar.