Mengapa op amp sering digunakan dalam elektronik analog?

Saya telah membaca di beberapa buku dan makalah pengamatan: "Op amp adalah roti dan mentega dari elektronik analog", atau "... op amp adalah blok bangunan yang paling umum ditemui di sirkuit analog ..." dan untuk efek itu.

Meskipun pengalaman saya tidak cukup luas untuk menyetujui atau membantah klaim itu, itu tentu saja muncul di sirkuit yang saya lihat.

Itu membuat saya berpikir saya kehilangan sesuatu yang mendasar, untuk menjelaskan mengapa komponen seperti ini mungkin menjadi sesuatu seperti "untuk" loop dalam pemrograman atau sesuatu, pola mendasar, yang pernah tersedia, menemukan aplikasi yang luas.

Ada apa dengan sifat dasar elektronik analog yang membuat op amp pemenuhan pola dasar dan serbaguna?

Op amp cukup dekat untuk menjadi penguat diferensial ideal. Jadi pertanyaan sebenarnya adalah, apa yang hebat dari amplifier? Ada (setidaknya!) Tiga jawaban.

Pertama, amplifier yang jelas memungkinkan Anda mengubah amplitudo sinyal. Jika Anda memiliki sinyal kecil (katakanlah, dari transduser), sebuah penguat memungkinkan Anda menaikkan tegangan ke level yang bermanfaat. Amplifier juga dapat mengurangi amplitudo sinyal, yang dapat berguna untuk menyesuaikannya ke dalam rentang ADC, misalnya.

Amplifier juga dapat buffer sinyal. Mereka menghadirkan impedansi tinggi di sisi input dan impedansi rendah di sisi output. Ini memungkinkan sinyal sumber yang lemah dikirim ke beban yang berat.

Akhirnya, umpan balik negatif memungkinkan amplifier untuk menyaring sinyal. Yang disebut filter aktif (yang menggunakan amplifier) ​​jauh lebih fleksibel dan kuat daripada filter pasif (yang hanya menggunakan resistor, kapasitor, dan induktor). Saya juga harus menyebutkan osilator , yang dibuat menggunakan amplifier dengan umpan balik positif yang difilter.

Kontrol amplitudo, buffering, dan pemfilteran adalah tiga hal paling umum yang dapat Anda lakukan untuk sinyal analog. Secara umum, amplifier dapat digunakan untuk mengimplementasikan berbagai jenis fungsi transfer , yang merupakan deskripsi dasar matematika dari tugas pemrosesan sinyal. Dengan demikian, amplifier ada di semua tempat.

Mengapa op amp khususnya? Seperti yang saya katakan, op amp pada dasarnya adalah amplifier berkualitas tinggi. Karakteristik utama mereka adalah:

• Keuntungan diferensial sangat tinggi (kadang-kadang setinggi 1.000.000!)
• Impedansi input sangat tinggi (teraohms pada frekuensi rendah untuk op amp input FET)
• Rasio penolakan mode umum sangat tinggi (biasanya> 1000)

Karakteristik ini berarti bahwa perilaku penguat hampir seluruhnya ditentukan oleh sirkuit umpan balik. Umpan balik dilakukan dengan komponen pasif seperti resistor, yang jauh lebih baik daripada transistor. Cobalah mensimulasikan penguat emitor sederhana di seluruh tegangan dan suhu - itu tidak bagus.

Dengan peningkatan modern di sirkuit terintegrasi, op amp murah, berkinerja tinggi, dan tersedia. Kecuali Anda membutuhkan kinerja ekstrem (daya tinggi, frekuensi sangat tinggi), tidak ada banyak alasan untuk menggunakan amplifier transistor diskrit lagi.

Op amp adalah tiga 5 alat dasar dalam satu (jika tidak lebih).

• Pertama perangkat perbandingan, seperti pernyataan if else (if a > b, output = a, else b).

• Buffer kedua(in = 1, out = 1, refreshed) .

• Ketiga penguat, seperti pengali (in = 1, out = 10).

• Keempat , fase shift / delay (in = x, out = x + 1).

• Kelima , sebuah inverter (in = x, out = 1/x).

Mereka cenderung sangat fleksibel, dan mampu beradaptasi dengan banyak sirkuit sesuai kebutuhan.

Pada dasarnya, ketika sebuah sinyal diproses melalui elemen diskrit analog, amplitudonya — tegangannya — turun. Sebuah op amp dapat buffer dan meningkatkan sinyal analog, memastikan itu dapat dibaca atau berguna pada akhirnya.

Kebetulan, for for akan menjadi penghitung. Penghitung satu dekade berfungsi seperti for (i = 0, i < 10, i++)lingkaran.

Beberapa manfaat utama dari op-amp adalah

impedansi input tinggi : Karena impedans input tinggi, sebuah op-amp tidak terlalu memuat sirkuit sebelumnya. Sebuah op-amp itu sendiri mungkin memiliki impedansi input pada 10-an atau 100-an dari gigohms. Suatu rangkaian umpan balik op-amp kemungkinan akan memiliki impedansi input yang lebih rendah, tetapi impedansi input yang tinggi dari op-amp memungkinkan ini untuk sepenuhnya diatur oleh komponen lain.

impedansi keluaran rendah : Karena impedans keluaran rendah, rangkaian op-amp umumnya dapat menggerakkan rangkaian op-amp lainnya (atau ADC atau ...) tanpa beban yang mempengaruhi perilakunya.

Gain tinggi : Gain tinggi dari op-amp memungkinkan untuk digunakan dalam rangkaian umpan balik negatif sehingga perilaku rangkaian didominasi oleh elemen umpan balik daripada oleh op-amp. Ini berarti

1. Seringkali hanya beberapa komponen presisi yang diperlukan dalam sirkuit umpan balik untuk mencapai kinerja presisi dari sirkuit keseluruhan.

2. Karena perilaku sirkuit dikendalikan oleh sirkuit umpan balik, op-amp dapat digunakan dengan berbagai elemen umpan balik untuk mencapai fungsi yang berbeda seperti amplifikasi, diferensiasi, integrasi, amplifikasi logaritmik, dll. (Ini mungkin menjadi alasan utama bahwa op -Camp memiliki "aplikasi meresap").

Saya pikir jawaban sebenarnya jauh lebih sederhana daripada yang diberikan oleh orang lain (walaupun mereka memang benar) - op-amp hanya memungkinkan Anda untuk membangun semua "lego" yang Anda butuhkan untuk sirkuit yang lebih maju, lihat https: //en.wikipedia .org / wiki / Operational_amplifier # Aplikasi untuk lebih jelasnya. Dengan op-amp yang bisa Anda dapatkan (daftar tidak lengkap!):

• penyangga tegangan / arus,
• pembanding (bahkan dengan histeresis),
• penguat aktif (baik pembalik dan non-pembalik),
• dioda ideal,
• filter aktif (termasuk aplikasi integrator / pembeda),
• penyearah aktif,
• blok matematika aktif (mis. jumlah, diff, ply, div),
• synth gelombang (persegi, tri, gergaji, bahkan VCO),
• DAC & ADC,
• konverter impedansi,
• gyrator,
• ... dan banyak lagi.

Itu lebih dari semua yang mungkin Anda perlukan untuk pemrosesan analog yang penting - dan beberapa hal itu juga rapi untuk pemrosesan digital. Karenanya, op-amp adalah roti dan mentega di sini.

Selain itu, Anda dapat dengan mudah memperoleh mis. 2 atau 4 dari mereka dalam satu paket kecil dengan saluran suplai tegangan umum, dan karakteristik operasinya (mendekati komponen ideal untuk banyak aplikasi praktis, dan juga sangat cocok untuk op-amp di dalam satu paket juga. ) memungkinkan menggunakannya tanpa banyak masalah yang diperlukan untuk sirkuit analog diskrit (dioda / BJT / FET) (misalnya biasing, penurunan tegangan, kompensasi suhu, dll.) - memungkinkan Anda untuk merancang sirkuit yang lebih sederhana, ramping dan dapat dirawat, dengan lebih sedikit komponen dan pemecahan masalah lebih mudah.

Memilih satu komponen elektronik tertentu dan menyebut bahwa "roti dan mentega" itu konyol, seperti semua jenis pernyataan "paling penting" ini. Misalnya, hitung resistor di sirkuit analog, dan saya yakin Anda akan menemukan mereka melebihi jumlah opamps dengan margin lebar.

Juga, banyak hal berubah. Ada suatu masa ketika tabung hampa udara merupakan komponen elektronik analog analog yang paling penting atau "roti dan mentega", kemudian transistor.

Anda tidak perlu menggunakan opamp, tetapi ini bisa menjadi cara paling efisien untuk mengimplementasikan rangkaian ke spesifikasi tertentu. Bagaimanapun, opamps dibuat dari transistor, jadi dimungkinkan untuk menggunakan banyak transistor (dengan beberapa komponen lain) sebagai gantinya.

Daya tarik opamps adalah bahwa mereka mewujudkan blok bangunan yang umum dan mudah digunakan. Dengan keajaiban sirkuit terpadu, blok pembangun ini dapat menjadi ukuran dan biaya transistor tunggal kadang-kadang. Setiap satu opamp mungkin berlebihan untuk satu aplikasi tertentu, tetapi daya ungkit yang besar dari sirkuit terpadu yang diproduksi secara massal memungkinkannya menjadi murah dan cukup kecil sehingga biasanya lebih murah dan lebih kecil untuk menggunakan seluruh opamp ketika hanya beberapa transistor yang benar-benar akan dibutuhkan.

Untuk menggunakan analogi Anda dengan loop FOR dalam bahasa pemrograman, Anda sebenarnya tidak perlu menggunakan konstruk ini. Anda dapat menginisialisasi, menambah, dan memeriksa sendiri variabel dengan kode eksplisit. Kadang-kadang Anda melakukan itu ketika Anda ingin melakukan hal-hal khusus dan konstruksi FOR kalengan terlalu kaku. Namun, sebagian besar waktu itu lebih mudah dan lebih sedikit kesalahan cenderung untuk menggunakan konstruksi FOR untuk loop. Sama seperti dengan opamps, Anda tidak boleh menggunakan semua fitur dari konstruksi tingkat tinggi kaleng ini di setiap kasus, tetapi kesederhanaan membuatnya tetap berharga. Misalnya, sebagian besar bahasa memungkinkan penambahan menjadi selain dari 1, tetapi Anda mungkin jarang menggunakannya.

Berbeda dengan konstruksi FOR, tidak ada kompiler yang mengoptimalkan opamp di sirkuit diskrit hanya untuk fitur yang Anda butuhkan dalam contoh itu. Namun, keuntungan besar dari produksi sirkuit terpadu volume mengurangi fitur-fitur tersebut menjadi kurang dari setara dengan beberapa instruksi tambahan dalam loop FOR. Pikirkan opamps lebih sebagai loop FOR berfitur lengkap yang diimplementasikan dalam set instruksi, yang mengambil instruksi yang sama untuk mengeksekusi apakah semua fitur-fiturnya digunakan atau tidak, dan lebih sedikit instruksi daripada yang harus Anda gunakan sebaliknya, bahkan untuk kasus sederhana.

Opamps adalah sekelompok transistor yang dikemas untuk menyajikan blok bangunan yang "bagus", dan tersedia hanya dengan biaya satu atau beberapa transistor saja. Ini tidak hanya menghemat waktu dalam desain untuk menangani semua bias dari transistor dan sejenisnya, tetapi teknik pembuatan dapat digunakan untuk menjamin kecocokan yang baik antara transistor dan yang memungkinkan untuk mengukur dan memotong parameter lebih dekat ke ideal. Misalnya, Anda dapat membuat ujung depan diferensial dengan dua transistor, tetapi menurunkan tegangan input input hanya beberapa mV bukanlah hal sepele.

Semua teknik didasarkan pada penggunaan blok bangunan yang tersedia di beberapa titik, dan opamps adalah blok bangunan yang berguna untuk sirkuit analog. Ini benar-benar tidak berbeda dengan menggunakan transistor. Banyak pemrosesan yang dilakukan untuk menyempurnakan silikon, mendopingnya, memotongnya, mengemasnya, dan mengujinya yang agak kita anggap sebagai transistor diskrit. Opamps lebih terintegrasi daripada transistor individu, tetapi masih cukup "rendah" dalam skema hal.

Kembali ke analogi perangkat lunak, ini sama dengan menggunakan subrutin yang ada untuk melanjutkan penulisan kode untuk aplikasi khusus Anda. Dalam hal panggilan OS, Anda tidak punya pilihan untuk menggunakannya. Itu akan seperti memperbaiki silikon Anda sendiri. Opamps lebih seperti panggilan praktis yang bisa Anda tulis sendiri, tetapi dalam banyak kasus itu konyol. Misalnya, Anda mungkin harus mengonversi bilangan bulat menjadi string desimal ASCII berkali-kali, tetapi berapa kali Anda menulis kode sendiri untuk itu? Anda mungkin menggunakan panggilan pustaka runtime untuk itu, atau bahkan memanggilnya secara implisit melalui konstruksi tingkat tinggi yang tersedia dalam bahasa Anda (seperti printf dalam C).

Opamp yang ideal memiliki impedansi input tak terbatas, 0 offset, 0 impedansi keluaran, bandwidth tak terbatas, dan biaya $ 0. Tidak ada opamp yang ideal, dan parameter ini dan lainnya memiliki kepentingan relatif yang berbeda dalam desain yang berbeda. Inilah sebabnya mengapa ada begitu banyak opamps. Masing-masing dioptimalkan untuk serangkaian pengorbanan yang berbeda. Misalnya, Anda terkadang mendengar bahwa LM324 adalah opamp "jelek". Ini tidak benar sama sekali. Ini adalah opamp superlatif ketika harga adalah prioritas tinggi. Ketika beberapa mV offset, gain 1 MHz * bandwidth, dll, semuanya cukup bagus, semuanya hanya sampah mahal.

Mengenai komentar Anda "Itu membuat saya berpikir saya kehilangan sesuatu yang mendasar, untuk menjelaskan mengapa komponen seperti ini mungkin sesuatu seperti" untuk "putaran":

Anda mungkin mencari konsep analagous dalam elektronik dengan konsep Turing Complete yang ditemukan dalam ilmu komputer atau konsep Kelengkapan Fungsional yang ditemukan dalam aljabar boolean (dan karenanya logika digital).

Sejauh yang saya tahu, tidak ada konsep "kelengkapan" di sirkuit analog di mana semua sirkuit dapat diturunkan dari satu set blok bangunan dasar ...

Ada beberapa aturan tentang rangkaian analog yang akan Anda temui ketika mempelajari Teori Sistem dan khususnya Sistem Invarian Linear-Waktu.

Saya harap ini membantu, tetapi mungkin bukan yang Anda cari.

Ada banyak kasus, baik dalam elektronik analog dan digital, di mana dimungkinkan untuk mendefinisikan (tetapi tidak membangun) komponen yang ideal, dan kemudian merancang sebuah rangkaian yang akan memenuhi persyaratan jika dibangun dengan komponen yang berada dalam toleransi ideal tertentu. Memikirkan tentang desain dengan komponen yang menyederhanakan perilaku ideal seringkali lebih mudah daripada berpikir tentang desain menggunakan komponen dunia nyata dengan perilaku dunia nyata yang lebih rumit.

Dalam banyak kasus akan mungkin memodelkan desain menggunakan komponen dunia nyata, menetapkan toleransi yang diijinkan untuk sinyal pada setiap tahap dalam desain, dan kemudian menunjukkan komponen dunia nyata itu, ketika diberi kombinasi input yang berada dalam toleransi yang ditentukan untuk sinyal-sinyal tersebut, akan menghasilkan output yang berada dalam toleransi yang ditentukan untuk sinyal-sinyal tersebut. Dalam kasus di mana hal ini memungkinkan, penetapan nilai toleransi seperti itu akan sering menghindari kebutuhan untuk analisis yang lebih rinci.

Salah satu alasan mengapa op amp sangat populer adalah karena dalam beberapa hal ada satu "perilaku ideal" yang jelas untuk sebuah op amp, dan mudah untuk menandai penyimpangan tertentu dari perilaku tersebut. Jika penguat diferensial seharusnya memiliki gain input diferensial 10: 1, seseorang harus berurusan dengan kemungkinan bahwa bagian dunia nyata mungkin memiliki gain yang lebih besar daripada ideal atau kurang dari ideal. Karena gain op amp yang ideal tidak terbatas, bagaimanapun, op amp dunia nyata yang dimaksudkan untuk amplifikasi umumnya akan memiliki gain yang lebih rendah [beberapa perangkat, terutama yang dimaksudkan untuk digunakan sebagai pembanding, mungkin memiliki histeresis yang dapat dilihat sebagai keuntungan di luar op amp ideal]. Alasan tentang perangkat dunia nyata yang hanya bisa menyimpang dari ideal dalam satu arah seringkali lebih mudah daripada berpikir tentang perangkat yang dapat menyimpang dalam dua arah.

Isolasi, pencocokan impedansi, penskalaan, konversi level, sumber arus yang besar dibandingkan dengan komponen digital dan pembangkitan sinyal adalah aplikasi umum untuk op-amp.

Pelajari konfigurasi dasar op-amp untuk mengetahui mengapa op-amp sangat populer dalam desain analog, khususnya dalam peran osilator dan pengkondisi sinyal.

Bertahun-tahun yang lalu, saya menggunakan op-amp pembalik dengan penguatan untuk membuat konverter RS-232 / MIL-188C untuk menggunakan kembali beberapa data dari AT&T Model 40 Teletype lama menggunakan PC berbasis 386 yang menjalankan program QuickBasic 4.0 custom.

Mereka sangat diperlukan sebagai isolasi input dan penskalaan ujung depan untuk pemrosesan sinyal digital dan dapat melakukan tugas-tugas bagus seperti konversi dari tegangan ke arus dan atau frekuensi dan kembali.

Saya berpikir bahwa pernyataan "roti dan mentega" terdengar saling melengkapi dengan peran, opamp dapat menjadi perpanjangan sirkuit yang sangat baik, di mana setiap rangkaian memiliki spesialisasi.

Misalnya digunakan sebagai Integrator dan Diferensiator di bidang Kontrol dan Regulasi, yang sebaliknya lebih dikenal sebagai filter High pass dan Low Pass.

Juga dapat dimasukkan ke dalam osilasi stabil, karena output mereka sebagian besar diperkuat oleh gain dari penguat, hanya menggunakan sinyal input kecil Anda dapat mengatur opamp dalam osilasi menggunakan umpan balik positif, contoh terbaik adalah Pemicu Schmitt, yang kemudian dapat digunakan dalam pembatalan kebisingan. Oleh karena itu mereka membentuk sirkuit seperti Bistable dan MonoStable Osciilator yang selanjutnya memberi mereka peran pelengkap dalam 555 timer .

Komparator menggunakan mode tegangan umum, sebenarnya opamp memiliki penguat diferensial bertingkat yang diikuti oleh beban aktif cermin saat ini, pada inputnya yang memberikan spesialisasi untuk digunakan sebagai pembanding yang dapat membandingkan input. Sebagian besar aplikasinya adalah berdasarkan pada sifat ini, pasokan rel Ganda menggerakkan sirkuit segera di dekat tegangan berlawanan.

Sebagai pembatas arus di sirkuit di mana kapasitor digunakan, untuk mencegah mereka dari pemakaian lambat mereka diisolasi oleh opamps ini dengan impedansi input yang tinggi, sehingga mereka mempertahankan muatannya, yang memberi mereka peran pelengkap yang bagus dalam sirkuit Switch and Hold berkecepatan tinggi