Az erősítők olyan elektronikus áramkörök, amelyek növelik a jel erejét, hogy hatékonyabban feldolgozzák, megmérettessék vagy továbbítsák. Analóg rendszerekben az érzékelőkből, hangforrásokból vagy vezérlőáramkörökből érkező jelek gyakran túl gyengék ahhoz, hogy közvetlenül használják, ezért erősítőket használnak a feszültségszint növelésére, a jelminőség javítására és a jel előkészítésére a következő szakaszra. Az operációs erősítők, differenciálerősítők és műszererősítők mind másképp kezelik a jeleket, és különböző helyzetekben használják őket. Ez a cikk összehasonlítja ezeket a három erősítőtípust, elmagyarázva, hogyan működnek, miben különböznek, és hogyan válasszuk ki a megfelelőt a valós alkalmazásokhoz.
Mi az az operációs erősítő?
Az operációs erősítő vagy műveleti erősítő egy olyan elektronikus erősítő, amely növeli a két bemeneti feszültség közötti különbséget, és egy kimeneti feszültséget hoz létre. Két bemeneti terminálja van: a nem invertáló bemenet (+) és az invertáló bemenet (−). A kimenet a két bemenet közötti feszültségkülönbségtől függően változik.
Gyakorlati áramkörökben az op-erősítőt általában külső visszacsatolási komponensekkel, például ellenállásokkal és kondenzátorokkal használják. Ezek az alkatrészek szabályozzák az áramkör erősítését, stabilitását, sávszélességét és általános viselkedését. Az op-erősítő alapötlete így fejezhető ki:
Vout = Aol(V+ − V−)
ahol Vout a kimeneti feszültség, az Aol a nyílt hurkos erősítés, V+ a nem invertáló bemeneti feszültség, V− pedig az invertáló bemeneti feszültség. Valós alkalmazásokban a nagyon magas nyílt hurokú erősítést általában negatív visszacsatolás szabályozza, így az áramkör stabil és kiszámítható kimenetet tudna produkálni.
Mi az a differenciálerősítő?
A differenciálerősítő növeli a két bemeneti feszültség közötti különbséget, és csökkenti a jeleket, amelyek mindkét bemeneten egyenlően jelennek meg. Ezeket az egyenlő jeleket közös módú jeleknek nevezik. Ezért a differenciálerősítő akkor hasznos, ha a legfontosabb jel a két pont közötti feszültségkülönbség, nem csak egy jel a földön mérve.
Egy alapvető differenciálerősítőnek két bemenete van, amelyeket gyakran V1-nek és V2-nek neveznek, valamint egy kimenetel. A kimenet a két bemenet közötti különbségtől függően változik. Ha mindkét bemenet együtt emelkedik vagy csökken zaj vagy interferencia miatt, az erősítő megpróbálja elutasítani a közös jelet, és csak a hasznos különbséget erősíti.
Az alapgondolat így fejezhető ki:
Vout = Ad(V2 − V1)
ahol Vout a kimeneti feszültség, Ad a differenciális erősítés, V2 − V1 pedig a két bemeneti jel közötti feszültségkülönbség.
Mi az a műszererősítő?
A műszererősítő egy precíziós erősítő, amelyet arra terveztek, hogy nagyon kis differenciáljeleket erősítsen, miközben elutasítja a zajt vagy a nem kívánt jeleket, amelyek mindkét bemeneten egyenlően megjelennek. Gyakran használják, amikor a jel az érzékelőktől érkezik, mivel sok érzékelő gyenge feszültségváltozást eredményez, amelyeket a feldolgozás előtt pontos erősítést igényelnek.
Egy műszererősítőnek két bemeneti csatlakozója van, és általában egy kimeneti terminál. Mint egy differenciálerősítő, ez is felerősíti a két bemeneti feszültség közötti különbséget. Ugyanakkor magasabb bemeneti impedanciát, jobb közös módú elutasítást és stabilabb erősítést biztosít, mint egy alap differenciálerősítő. Ez segít megelőzni az érzékelők terhelését és javítja a mérési pontosságot.
Az alapgondolat így fejezhető ki:
Vout = G(V2 − V1)
ahol Vout a kimeneti feszültség, G az erősítő erősítője, V2 − V1 pedig a differenciális bemeneti feszültség.
Műveleti erősítő vs differenciálerősítő vs műszererősítő
| Összehasonlítási pont | Műveleti erősítő | Differenciálerősítő | Műszererősítő |
|---|---|---|---|
| Bemeneti típus | Használható egyvégű vagy differenciális bemenettel is, az áramkör kialakításától függően | Két bemeneti jelet használ, és reagál a különbségükre | Két bemeneti jelet használ, és reagál a különbségükre |
| Kimeneti típus | Általában egyvégű kimenet | Általában egyvégű kimenet, de teljesen differenciális változatok is léteznek | Általában egyvégű kimenet, az IC kialakítástól függően |
| Alapegyenlet | Vout = Aol(V+ − V−) | Vout = Ad(V2 − V1) | Vout = G(V2 − V1) |
| Gain control | A nyereséget általában külső visszacsatolási ellenállások állítják be | A erősítést ellenállás arányai határozzák meg | A nyereséget gyakran egyetlen erősítő ellenállás állítja be |
| Bemeneti impedancia | Általában magas, az op-amp típusától és konfigurációtól függően | Közepes vagy magas, de az alapvető ellenállási tervek képesek betölteni a forrást | Nagyon magas, így alkalmas szenzoroknak |
| Pontossági szint | Általános célú vagy precízi, az op-amp-tól függően | Közepes vagy jó pontosság | Nagy pontosság |
| Eltolási hiba | A kiválasztott műveleti erősítőtől függ | Az operátor-erősítő eltolódása és az ellenállás eltérése befolyásolja | Általában alacsony eltolás és alacsony drift a precíziós modellekben |
| Sávszélesség | Széles tartomány, az op-amp-tól függően | Az operátor, erősítő és ellenállás hálózattól függ | Gyakran alacsonyabb, mint az általános operatív erősítők nagy gainjnél |
| Áramkör komplexitása | Egyszerűtől a moderálttól | Mérsékelt | Közepes vagy magas, de egyszerű integrált IC |
| Külső összetevők | Visszacsatolási ellenállások és egyéb alkatrészek konfigurációtól függően | Pontosan illeszkedő ellenállásokra van szükség | Gyakran csak erősítő ellenállásra és néhány támaszalkatrészre van szükség. |
| Érzékenység az ellenállás párosítására | Fontos a erősítés-beállítású áramkörökben | Nagyon fontos a gain pontosság és a CMRR | Kevésbé nehéz a felhasználóknak integrált párosított ellenállásos IC-k használatakor. |
| Legjobb felhasználás | Általános erősítés, szűrés, pufferolás és analóg jelfeldolgozás | Két pont közötti feszültségkülönbségek mérése | Precíziós szenzorjel mérés |
| Fő előny | Nagyon rugalmas és széles körben elérhető | Elutasítja a gyakori jeleket és méri a feszültségkülönbségeket | Nagy pontosság, magas bemeneti impedancia és erős közös módú elutasítás |
| Fő korlát | Nem mindig ideális apró szenzorjelekhez extra tervezési gondosság nélkül | A pontosság az ellenállás párosításától és a bemeneti impedanciától függ | Speciálisabb, és többe kerülhet, mint az alap op-amp áramkörök |
Kulcserősítő teljesítménytényezői, amelyeket figyelembe kell venni
Gain beállítás és erősítési pontosság
A gain beállítás megmutatja, hogyan szabályozzák az erősítő kimeneti erősítését, míg a erősítés pontossága azt mutatja, hogy a tényleges gain milyen közel van a várható értékhez.
• Egy operatív erősítő áramkörben a gaingot általában külső visszacsatolási ellenállások állítják be. Például egy nem invertáló műveleti erősítő az ellenállás arányát használja a visszacsatolási út körül a gain beállításához. Ez nagyon rugalmassá teszi az operátorokat, mert ugyanaz az eszköz használható pufferezésre, alacsony erősítésre, nagy erősítésre, szűrésre vagy jelkondicionálásra.
• Differenciálerősítőben a nyereség az ellenállás arányoktól is függ, de az ellenállás párosítása kritikusabbá válik. Ha az ellenállás arányai nem egyeznek szorosan, az erősítő erősítési hibát és gyengébb közös módú elutasítást okozhat. A precíziós differenciális áramköröknél a tervezők gyakran használnak szűk tűrésű ellenállásokat, például 0,1% vagy 0,01% alkatrészeket a szabványos 1%-os ellenállások helyett.
• Egy műszererősítőben a erősítést gyakran egy külső ellenállás vagy egy belső erősítő hálózat állítja be, ami megkönnyíti a stabil erősítést az érzékelő- és mérőáramkörökben. Az Analog Devices megjegyzi, hogy az op-erősítőket több külső komponensen keresztül konfigurálják, míg a műszererősítőket általában egy ellenállás vagy választható erősítő tap-ok segítségével erősítik.
Közös módú elutasítás és zaj elutasítása
A közös módú elutasítás azt jelenti, hogy egy erősítő mennyire elutasítja azokat a jeleket, amelyek mindkét bemeneten egyszerre jelennek meg. Ez azért fontos, mert a valódi áramkörök gyakran rögzítenek közös zajt az áramvonalakból, motorokból, kapcsoló tápegységekből, hosszú érzékelővezetékekből vagy közeli digitális áramkörökből. Ha az erősítő gyenge közös módusú elutasítása van, a nem kívánt zaj egy része megjelenhet a kimeneten, és csökkentheti a jel pontosságát.
• Az operátorok képesek kitakolni a közös módú jeleket, de tényleges teljesítményük az áramkör konfigurációjától és a visszacsatolási tervezéstől függ.
• Egy differenciálerősítő kifejezetten a két bemenet közötti különbség erősítésére készült, de a CMRR nagyban függ az ellenállás párosításától. Ha az ellenállás hálózat nincs kiegyensúlyozott, a közös módú zajelűzés gyengébbé válik.
• A műszererősítők általában a legerősebb közös módú elutasítást adják, mert kis differenciális jelekre vannak tervezve zajos környezetekben. Sok precíziós szenzori alkalmazásban a műszererősítők CMRR értékei 80 dB-től 120 dB-nél fölött meghaladhatják a gaavt és az eszköz típusát függően.
Ezért részesítik őket gyakran előnyben hídérzékelők, termopárok, valamint orvosi vagy ipari mérőjelek esetén. Az Analog Devices a műszererősítőket differenciálbemeneti erősítő blokkként írja le, amelyeket gyakran használnak, ha magas bemeneti impedancia és közös módú kiutasítás szükséges.
Bemeneti impedancia és forrás betöltése
A bemeneti impedancia megmutatja, mennyire befolyásolja az erősítő a jelforrást. A magas bemeneti impedancia azt jelenti, hogy az erősítő nagyon kevés áramot vesz fel a forrásból, így az eredeti jel jobban megőrződik. Az alacsony bemeneti impedancia megterhelheti a forrást, csökkentheti a mért feszültséget, és jelhibát okozhat, mielőtt az erősítés elkezdődne.
• Az operátorok általában magas bemeneti impedanciával rendelkeznek, különösen a CMOS és JFET bemeneti típusok. Ez hasznossá teszi őket feszültségpufferezéshez és általános jelkondicionáláshoz.
• A differenciálerősítők alacsonyabb bemeneti impedanciával rendelkeznek, mert a bemeneti jel gyakran áthalad ellenálláshálózatokon keresztül. Ez akkor jelenthet problémát, ha a forrásjel gyenge vagy egy nagy impedanciájú érzékelőből származik.
• A műszererősítők általában mindkét bemeneten nagyon magas és kiegyensúlyozott bemeneti impedanciát biztosítanak, ami segít megakadályozni az érzékelők terhelését.
Eltolás, elcsúszás és mérési pontosság
Az offset feszültség egy kis, nem kívánt feszültséghiba, amely az erősítő bemenetén jelentkezik. Még ha a két bemeneti jel egyenlő, egy valódi erősítő is okozhat kis kimeneti hibát a belső egyensúlyhiány miatt. Ez a hiba súlyosabbá válik, amikor nagyon kis jeleket mérnek, például mikrovolt vagy millivolt szintű szenzorkimeneteket.
A drift azt jelenti, hogy az elmozdulás vagy nyereség változik, ahogy a hőmérséklet idővel változik. Ez számít ipari, autóipari és precíziós mérőáramkörökben, mert az erősítő nem biztos, hogy egyetlen fix hőmérsékleten marad. Az általános műveleti erősítők elfogadhatók alapvető jelkondicionáláshoz, de a precíziós műveleti erősítők és műszererősítők jobbak, ha az eloszlás, és a drift nagyon alacsony. Például néhány nulla drift precíziós műveleti erősítő eltérítheti a szub-mikrovolt tartományban lévő offset feszültséget, és az offset drift akár 0,005 μV/°C-ig is lehet, az eszköztől függően. A TI OPAx189 precíziós erősítőcsaládja egy példa, amely nagyon alacsony eloszlási és drift értékeket tartalmaz a precíz jelméréshez.
Sávszélesség, elcsúszási sebesség és jelválasz
A sávszélesség megmutatja, hogy egy erősítő milyen frekvenciákat tud kezelni jelentős jelveszteség nélkül. A shenglési sebesség azt mutatja, milyen gyorsan változhat a kimeneti feszültség, általában V/μs-ben mérve. Ez a két tényező határozza meg, hogy az erősítő pontosan tudja-e követni a gyorsan változó bemeneti jeleket. Ha a sávszélesség túl alacsony, a nagyfrekvenciás jelek gyengébbé válnak. Ha a lecsúszási sebesség túl alacsony, a jel gyors változása esetén a kimenet torzítottnak tűnhet.
Az operatív erősítők esetében a sávszélesség gyakran a nyereség-sávszélesség termékhez kapcsolódik. Ez azt jelenti, hogy ahogy a zárt kör erősítése nő, a használható sávszélesség általában csökken. Például, ha egy feszültség-visszacsatolás műveleti erősítő 10 MHz-es erősítés-sávszélességi szorzattal rendelkezik, akkor 1 erősítésnél körülbelül 10 MHz-es sávszélességet biztosíthat, de egyszerűsített esetben csak körülbelül 1 MHz-et 10 erősítéssel. A zárt ciklusú erősítés és sávszélesség termék sok feszültség-visszacsatolásos operátor kulcsfontosságú értéke.
A differenciál- és műszererősítőknek is vannak sávszélességi korlátai, különösen nagyobb erősítésnél. A műszererősítőket gyakran pontosságra és zajelzárásra optimalizálják, nem pedig nagyon nagy sebességre, így a sávszélességük szűkebbé válhat a gain növekedésével. Gyors jeleknél ellenőrizd a sávszélességet és a lecsúsztatási sebességet is a táblázatban. A teljes teljesítményű sávszélességnek általában többszörösen kell nagyobbnak lennie a maximális kimeneti jelfrekvenciánál, hogy elkerüljék a torzítást a nagy sebességű erősítők kialakításaiban
Minden erősítőtípus valós alkalmazásai
Műveleti erősítő alkalmazások
Az operációs erősítőket széles körben használják, ha egy áramkörnek rugalmas jelvezérlésre van szüksége. Gyenge feszültségjeleket erősíthetnek, egy áramköri fokozatot pufferelhetnek a másiktól, nem kívánt frekvenciákat szűrhetnek, vagy módosíthatnak egy jelet, mielőtt az ADC-hez, mikrovezérlőhöz vagy más analóg áramkörhöz jutna. Mivel a erősítést és a funkciót külső visszacsatolási komponensek állítják be, egy műveleti erősítő IC sokféle áramköri szerepet képes támogatni.
Egy gyakori példa az LM358. Ez egy dupla műveleti erősítő, amelyet gyakran használnak költségérzékeny analóg áramkörökben. A Texas Instruments az LM358-at duális, 30 V-os, 700 kHz-es műveleti erősítőként sorolja fel, ami alkalmassá teszi általános jelkondicionálásra, alacsony frekvenciás erősítésre, szenzorinterfész áramkörökre és alapvető analóg vezérlőrendszerekre. Például egy LM358 használható egy kis érzékelő feszültségének erősítésére, mielőtt egy mikrokontroller olvasná, vagy feszültségpufferként is működhet, így a következő áramköri fokozat nem tölti fel a jelforrást.
Az operációs erősítők gyakoriak aktív szűrőkben, hangelőerősítőkben, feszültségkövetőkben, hibaerősítőkben a tápegységekben és összehasonlító-szerű jelérzékelő áramkörökben is. Általában akkor a legjobb választás, ha az áramkör rugalmasságot igényel, nem pedig a legmagasabb pontosságú mérési teljesítményt.
Differenciálerősítők alkalmazásai
A differenciálerősítőket akkor használják, amikor az áramkörnek mérnie kell a két feszültségpont közötti különbséget a földhöz képest egy feszültség helyett. Ez hasznossá teszi őket áramérzékelőben, feszültségkivonásban, kiegyensúlyozott jelfogadásban, motorvezérlő visszacsatolásban, valamint olyan áramkörökben, ahol mindkét bemeneti vonalon nem kívánt zaj jelenik meg. A feszültségkülönbségre fókuszálva egy differenciálerősítő csökkentheti a megosztott zajt és kinyerheti a hasznos jelet.
Egy valódi IC példa az Analog Devices-től származó AD8276. Az AD8276 egy egységerősítés-különbségerősítő, amelyet precíziós jelkondicionálásra terveztek alacsony fogyasztású alkalmazásokban. Lézerrel átvágott belső ellenállásokat tartalmaz, amelyek javítják a teljesítménypontosságot és a közös módú elutasítást egy egyszerű diszkrét ellenállásos differenciálerősítőhöz képest. Az Analog Devices az AD8276/AD8277-et általános célú differenciálerősítőként sorolja fel, 86 dB-os közös módú kiutasítási aránnyal és alacsony erősítésű driftdel.
Valós áramkörökben az AD8276-hoz hasonló eszközt lehet áramérzékelésre, precíziós feszültségmérésre, egyvégű differenciális átalakításra és ipari jelkondicionálásra. Hasznos, ha a tervezőnek pontos kivonásra van szüksége két jel között, de nem igényli a műszererősítő teljes szenzormérési teljesítményét.
Műszererősítők alkalmazásai
A műszererősítőket akkor használják, amikor az áramkörnek nagyon kis differenciáljeleket kell pontosan mérnie, különösen akkor zaj esetén. Gyakoriak az érzékelőrendszerekben, mert magas bemeneti impedanciát, stabil erősítést és erős közös módú elutasítást biztosítanak. Ez segít megakadályozni, hogy gyenge érzékelő jelek betöltődjenek vagy torzíthatók legyenek az erősítés előtt.
Gyakori példa a Texas Instruments INA333-a. Az INA333 egy alacsony teljesítményű, precíziós műszererősítő, amelyet pontos jelmérésre terveztek. A TI szerint három-operatív erősítő műszererősítő kialakítást használ, és egyetlen külső ellenállás képes beállítani a erősítést. Ez hasznossá teszi hordozható és érzékelőalapú alkalmazásokban, ahol a kis jelek tiszta erősítést igényelnek.
A műszererősítőket gyakran használják terhelési cellákkal, feszültségmérőkkel, hídérzékelőkkel, termopárokkal, nyomásérzékelőkkel, biomedikai szenzorokkal és adatgyűjtő rendszerekkel. Például egy terhelési cella súly alkalmazása esetén csak kis millivolt-szintű jelet adhat elő. Egy műszererősítő, mint az INA333, képes erősíteni ezt a kis differenciális jelet, miközben elutasítja a szenzorvezetékek által felvett zajt.
Valós példa erősítő kiválasztása
| Rendszer használati esete | Jeltípus | Kulcskövetelmény | Ajánlott erősítő | Miért illik hozzá |
|---|---|---|---|---|
| Hangerősítő (mikrofon hangszóró felé) | mV-től V-ig (egyvégű) | Rugalmas erősítés, széles sávszélesség | Op-Amp (pl. TL072, LM358) | Egyszerű tervezéssel kezeli a jelerősítést, szűrést és pufferezést |
| Motor áram monitorozás | mV (shunt át, differenciálmű) | Zajelutasítás, PWM immunitás | Differenciálerősítő (pl. INA240) | Méri a feszültségkülönbséget, és elutasítja a kapcsolózajt |
| Orvosi EKG rendszer | μV (nagyon kis differenciál) | Nagy pontosság, magas CMRR | Műszererősítő (pl. AD8232) | Gyenge jeleket erősít erős zajelutasítással |
| Tehercella / Mérlegrendszer | mV (hídérzékelő) | Magas bemeneti impedancia, stabil erősítés | Műszererősítő (pl. INA333) | Megakadályozza az érzékelő terhelését és biztosítja a pontos mérést |
| Tápegység visszacsatolás vezérlése | V (egyvégű) | Stabil nyereség, gyors válasz | Op-Amp | Hibaerősítőként használták feszültségszabályozáshoz |
| Ipari szenzorfelület | mV-től V-ig (differenciális vagy egyvégű) | Pontosság és zajkezelés | Műveleti erősítő vagy hangszererősítő | A választás a jelerőtől és a zajszinttől függ |
| Akkumulátor áramérzékelő | mV (alacsony vagy magas oldali differenciál) | Precizitás, alacsony drift | Differenciálerősítő | Pontosan méri a kis feszültségesést a szundellenálláson |
Összegzés
Az operációs erősítők, differenciálerősítők és műszererősítők mind más jeligényeket szolgálnak ki. Használj op-amp-et rugalmas erősítéshez, pufferezéshez, szűréshez és általános jelkondicionáláshoz. Használj differenciálerősítőt, amikor az áramkörnek két feszültségpontot kell összehasonlítania vagy csökkentenie kell a közös zajt. Használj műszererősítőt nagyon kis érzékelős jelek mérésekor, amelyek nagy pontosságot, nagy bemeneti impedanciát és erős zajelutasítást igényelnek. A megfelelő erősítő kiválasztása a jeltípustól, zajszinttől, pontosságtól, sebességtől és áramköri követelményektől függ.
