왜 아날로그 앰프에서 연산 증폭기가 자주 사용됩니까?

나는 여러 권의 책과 논문에서 다음과 같은 관찰을 읽었다. 그 효과.

내 경험이 그 주장을 동의하거나 반박하기에 충분히 넓지는 않지만, 내가 본 회로에서 분명히 드러납니다.

그것은 내가 근본적인 것을 놓치고 있다고 생각하게 만듭니다. 왜 이런 구성 요소가 프로그래밍의 "for"루프와 같은 것 일지 또는 일단 사용 가능한 기본적인 패턴이 될 수있는 이유를 설명합니다.

연산 증폭기를 기본적이고 다재다능한 패턴의 성취로 만드는 아날로그 전자 기기의 기본 특성은 무엇입니까?

연산 증폭기는 이상적인 차동 증폭기에 매우 가깝습니다. 실제 질문은 앰프의 장점이 무엇입니까? (적어도!) 세 가지 답변이 있습니다.

첫째, 명백한-증폭기를 사용하면 진폭 을 변경할 수 있습니다 를 사용하면 신호 . 작은 신호가있는 경우 (예 : 변환기에서) 증폭기를 사용하면 전압을 유용한 수준으로 올릴 수 있습니다. 증폭기는 또한 신호의 진폭을 감소시킬 수 있으며, 예를 들어 신호를 ADC 범위에 맞추는 데 유용 할 수 있습니다.

증폭기는 또한 버퍼링 가능 신호를 . 입력 측에는 높은 임피던스가 있고 출력 측에는 낮은 임피던스가 있습니다. 이로 인해 약한 소스 신호가 큰 부하로 전달 될 수 있습니다.

마지막으로, 네거티브 피드백을 통해 앰프가 신호 를 필터링 할 수 있습니다 . 소위 능동 필터 (앰프 사용)는 수동 필터 (저항, 커패시터 및 인덕터 만 사용)보다 훨씬 유연하고 강력합니다. 필터링 된 포지티브 피드백이있는 앰프를 사용하여 만든 오실레이터 도 언급해야 합니다.

진폭 제어, 버퍼링 및 필터링은 아날로그 신호에 수행 할 수있는 가장 일반적인 세 ​​가지 작업입니다. 보다 일반적으로, 증폭기는 신호 처리 작업의 기본적인 수학적 설명 인 많은 종류의 전달 함수 를 구현하는 데 사용될 수 있습니다 . 따라서 증폭기는 모든 곳에 있습니다.

왜 연산 증폭기가 필요한가? 내가 말했듯이, op 앰프는 본질적으로 고품질 앰프입니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.

• 매우 높은 차동 이득 (때로는 1,000,000만큼 높음)
• 매우 높은 입력 임피던스 (FET 입력 연산 증폭기의 경우 저주파수에서 테라 옴)
• 매우 높은 공통 모드 제거율 (일반적으로> 1000)

이러한 특성은 증폭기의 동작이 거의 전적으로 피드백 회로에 의해 결정됨을 의미합니다. 피드백은 저항과 같은 수동 부품으로 이루어지며 트랜지스터보다 훨씬 나은 동작을합니다. 전압과 온도에서 간단한 공통 이미 터 증폭기를 시뮬레이션 해보십시오.

집적 회로의 현대적인 개선을 통해 연산 증폭기는 저렴하고 고성능이며 쉽게 사용할 수 있습니다. 극한의 성능 (고출력, 고주파)이 필요하지 않으면 더 이상 이산 트랜지스터 증폭기를 사용해야 할 이유가 없습니다.

연산 증폭기는 3 가지 5 가지 기본 도구 (하나 이상은 아님)입니다.

• 먼저 if else 문과 같은 비교 장치 (if a > b, output = a, else b)입니다.

• 두 번째 는 버퍼 (in = 1, out = 1, refreshed)입니다.

• 셋째 , 승수와 같은 증폭기 (in = 1, out = 10).

• 넷째 , 위상 편이 / 지연 (in = x, out = x + 1).

• 다섯째 , 인버터 (in = x, out = 1/x).

그것들은 매우 다양한 경향이 있으며 필요에 따라 많은 회로에 적응할 수 있습니다.

기본적으로 신호가 아날로그 이산 소자를 통해 처리 될 때 그 진폭 (전압)이 떨어집니다. 연산 증폭기는 아날로그 신호를 버퍼링 및 증폭시켜 결국 읽거나 유용하게 할 수 있습니다.

또한 for 루프는 카운터입니다. 10 년 카운터는 for (i = 0, i < 10, i++)루프 처럼 작동 합니다.

연산 증폭기의 주요 장점 중 일부는

높은 입력 임피던스 : 로 인해 연산 증폭기는 이전 회로를 과도하게로드하지 않습니다. 연산 증폭기 자체는 10 또는 100의 gigohms에 입력 임피던스를 가질 수 있습니다. 연산 증폭기 피드백 회로는 입력 임피던스가 낮을 가능성이 높지만 연산 증폭기의 높은 입력 임피던스는이를 다른 구성 요소에 의해 완전히 설정할 수 있습니다.

낮은 출력 임피던스 : 낮은 출력 임피던스 로 인해 연산 증폭기 회로는 일반적으로 부하에 영향을주지 않고 다른 연산 증폭기 회로 (또는 ADC 또는 ...)를 구동 할 수 있습니다.

고 이득 : 연산 증폭기의 고 이득은 회로의 동작이 연산 증폭기가 아닌 피드백 요소에 의해 지배되도록 네거티브 피드백 회로에서 사용될 수 있습니다. 이것은 의미

1. 피드백 회로에는 전체 회로에서 정밀한 성능을 달성하기 위해 몇 가지 정밀 부품 만 필요한 경우가 많습니다.

2. 회로의 동작은 피드백 회로에 의해 제어되므로 op-amp는 다양한 피드백 요소와 함께 사용되어 증폭, 미분, 적분, 대수 증폭 등과 같은 다양한 기능을 수행 할 수 있습니다. -앰프에는 "유용한 응용 프로그램"이 있습니다.

실제 답변은 다른 사람들이 제공하는 것보다 훨씬 간단하다고 생각합니다 (실제로 사실 임에도 불구하고). op-amps를 사용하면 고급 회로에 필요한 모든 "레고"를 만들 수 있습니다 ( https : //en.wikipedia) 자세한 내용은 .org / wiki / Operational_amplifier # Applications 를 참조하십시오. op-amp를 사용하면 다음을 얻을 수 있습니다 (완전한 목록!) :

• 전압 / 전류 버퍼
• 비교기 (이력 현상이 있더라도)
• 능동 증폭기 (반전 및 비 반전 모두)
• 이상적인 다이오드,
• 능동 필터 (통합 기 / 분 화기 앱 포함)
• 활성 정류기,
• 활성 수학 블록 (예 : 합, diff, 플라이, div)
• 웨이브 신디사이저 (스퀘어, 트라이, 쏘, 심지어 VCO)
• DAC 및 ADC,
• 임피던스 변환기,
• 회 전자,
• ... 그리고 많은 다른 사람들.

이는 필수적인 아날로그 처리에 필요한 모든 것 이상의 것 입니다. 그 중 일부는 디지털 처리에도 적합합니다. 따라서 연산 증폭기 는 빵과 버터입니다.

또한 공통 전압 공급 라인이있는 하나의 작은 패키지와 이들의 작동 특성 (많은 실제 응용에 이상적인 구성 요소를 제외하고 단일 패키지 내부의 연산 증폭기에도 매우 잘 맞음)을 쉽게 얻을 수 있습니다. ) 개별 (다이오드 / BJT / FET) 아날로그 회로 (예 : 바이어 싱, 전압 강하, 온도 보상 등)에 필요한 많은 문제없이 사용할 수 있습니다. 부품 수를 줄이고보다 간단하고 능률적이고 유지 보수가 가능한 회로를 설계 할 수 있습니다. 더 쉬운 문제 해결.

하나의 특정 전자 부품을 골라 "빵과 버터"가 바보라고 부릅니다.이 모든 "가장 중요한"종류의 진술입니다. 예를 들어, 아날로그 회로에서 저항을 세면 넓은 범위에서 opamp보다 많은 수를 찾을 수 있습니다.

또한 상황이 바뀝니다. 진공관이 아날로그 전자 장치의 평신도의 "가장 중요한"또는 "빵과 버터"구성 요소 였고 그다음 트랜지스터 인 시간이있었습니다.

당신은 결코 필요 하지 않습니다 OPAMP를 사용하지만 특정 사양에 회로를 구현하는 가장 효율적인 방법이 될 수 있습니다. 결국, opamp는 트랜지스터로 만들어 지므로 대신 몇 가지 다른 구성 요소가있는 트랜지스터를 사용할 수 있습니다.

opamp의 매력은 공통적이고 쉽게 활용되는 빌딩 블록을 구현한다는 것입니다. 집적 회로의 마법으로 인해 이러한 빌딩 블록은 단일 트랜지스터의 크기와 비용이 될 수 있습니다. 하나의 opamp는 하나의 특정 응용 프로그램에 대해 과도하게 사용될 수 있지만 대량 생산 집적 회로의 큰 활용은 저렴하고 충분히 작아서 트랜지스터가 실제로 몇 개일 때 전체 opamp를 사용하는 것이 일반적으로 저렴하고 작습니다. 필요하다.

프로그래밍 언어에서 FOR 루프와 함께 유추를 사용하려면 실제로이 구성을 사용할 필요가 없습니다. 명시 적 코드를 사용하여 변수를 직접 초기화, 증분 및 확인할 수 있습니다. 때로는 특별한 일을하고 싶을 때 통조림 FOR 구조가 너무 엄격 할 때 그렇게합니다. 그러나 대부분의 경우 FOR 구문에 루프를 사용하는 것이 더 편리하고 오류가 적습니다. opamp와 마찬가지로,이 통조림 높은 레벨 구성의 모든 기능을 각 경우에 사용할 수는 없지만 단순성으로 인해 가치가 있습니다. 예를 들어, 대부분의 언어에서는 증분이 1 이외의 값을 허용하지만 거의 사용하지 않을 수 있습니다.

FOR 구문과 달리 이산 회로의 opamp를 해당 인스턴스에 필요한 기능으로 최적화하는 컴파일러는 없습니다. 그러나, 볼륨 집적 회로 생산의 큰 장점은 이러한 기능을 FOR 루프에있는 몇 가지 추가 명령보다 줄어 듭니다. opamp는 명령어 세트에 구현 된 완전한 기능을 갖춘 FOR 루프라고 생각하면됩니다.이 명령어는 모든 명령어의 사용 여부에 관계없이 동일한 명령어를 사용하고 간단한 경우에도 다른 명령어를 사용해야하는 것보다 적은 명령어를 사용합니다.

Opamps는 "멋진"빌딩 블록을 제공하기 위해 포장 된 트랜지스터 묶음이며, 그 중 하나 또는 몇 개의 트랜지스터 비용으로 제공됩니다. 이는 트랜지스터 등의 모든 바이어 싱을 처리하기 위해 설계 시간을 절약 할뿐만 아니라 트랜지스터 사이의 우수한 정합을 보장하고 이상적인 파라미터에 가까운 파라미터를 측정 및 트리밍 할 수있는 제조 기술을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 두 개의 트랜지스터로 차동 프론트 엔드를 만들 수 있지만 입력 오프셋 전압을 몇 mV로 낮추는 것은 쉬운 일이 아닙니다.

모든 엔지니어링은 특정 시점에서 사용 가능한 빌딩 블록을 사용하는 것을 기반으로하며 opamp는 아날로그 회로에 유용한 빌딩 블록입니다. 이것은 트랜지스터를 사용하는 것과 실제로 다르지 않습니다. 실리콘을 다듬고 도핑하고 자르고 포장하고 디스크리트 트랜지스터로 당연한 것으로 테스트하는 과정이 많이있었습니다. Opamp는 개별 트랜지스터보다 더 통합되어 있지만 사물 체계에서는 여전히 "낮은"수준입니다.

소프트웨어 비유로 돌아가서 이는 기존 서브 루틴을 사용하여 특정 앱의 코드를 작성하는 것과 같습니다. OS 호출의 경우이를 사용할 수 없습니다. 그것은 당신 자신의 실리콘을 정제하는 것과 같습니다. Opamp는 직접 작성할 수있는 편리한 호출과 비슷하지만 대부분의 경우 어리석은 작업입니다. 예를 들어, 정수를 ASCII 10 진수 문자열로 여러 번 변환해야했지만 몇 번이나 해당 코드를 직접 작성 했습니까? 아마도이를 위해 런타임 라이브러리 호출을 사용했거나 심지어 언어에서 사용할 수있는 더 높은 수준의 구문 (C의 printf와 같은)을 통해 암시 적으로 호출 할 수도 있습니다.

이상적인 opamp는 무한 입력 임피던스, 0 오프셋, 0 출력 임피던스, 무한 대역폭을 가지며 비용은 $ 0입니다. 이상적인 opamp는 없으며 이러한 매개 변수와 다른 매개 변수는 다른 디자인에서 서로 다른 중요성을 갖습니다. 이것이 너무 많은 opamp가있는 이유입니다. 각각 다른 트레이드 오프 세트에 최적화되어 있습니다. 예를 들어 LM324가 "크 래피 (crappy)"opamp라는 경우가 있습니다. 이것은 사실이 아닙니다. 가격이 최우선 순위 일 때 최상급의 기회입니다. 몇 mV 오프셋, 1 MHz 게인 * 대역폭 등이 모두 충분할 경우 다른 모든 제품은 고가의 정크입니다.

귀하의 의견에 대하여 "이것이 왜"for "루프와 같은 구성 요소인지 설명하기 위해 근본적인 것이 빠져 있다고 생각합니다."

컴퓨터 과학에서 발견 된 Turing Complete 개념이나 부울 대수학 (및 디지털 논리)에서 발견되는 기능적 완전성 개념에 대한 전자 공학의 분석 개념을 찾고있을 것 입니다.

내가 아는 한 모든 회로가 기본 빌딩 블록 세트에서 파생 될 수있는 아날로그 회로에는 "완전성"개념이 없습니다 ...

시스템 이론, 특히 선형 시간 불변 시스템을 연구 할 때 발생하는 아날로그 회로에 대한 몇 가지 규칙 이 있습니다 .

이것이 도움이되기를 바랍니다.하지만 원하는 것이 아닐 수도 있습니다.

아날로그 및 디지털 전자 장치 모두에서 이상적인 구성 요소를 정의 (구축하지는 않음) 한 다음 특정 허용 오차 범위 내에있는 구성 요소로 구성된 경우 요구 사항을 충족하는 회로를 설계 할 수있는 경우가 많습니다. 이상적인 동작을 단순화 한 컴포넌트가있는 설계에 대한 추론은 실제 동작이 더 복잡한 실제 컴포넌트를 사용하는 설계에 대한 추론보다 종종 쉽습니다.

대부분의 경우 실제 컴포넌트를 사용하여 설계를 모델링하고 설계의 각 단계에서 신호에 허용 오차를 할당 한 다음 지정된 허용 오차 내에있는 입력 조합이 제공된 경우 해당 실제 컴포넌트를 보여줄 수 있습니다. 해당 신호에 대해 해당 신호에 대해 지정된 허용 오차 내에있는 출력을 생성합니다. 이것이 가능한 경우, 허용 오차 값의 할당은 종종 더 자세한 분석이 필요하지 않습니다.

연산 증폭기가 널리 사용되는 이유 중 하나는 어떤 의미에서는 연산 증폭기에 대한 "이상적인 행동"이라는 분명한 의미가 있기 때문에 해당 동작과의 특정 편차를 쉽게 특성화 할 수 있기 때문입니다. 차동 증폭기가 10 : 1의 차동 입력 게인을 가져야한다면 실제 부품이 이상적인 것보다 크거나 이상적인 것보다 작은 게인을 가질 가능성을 처리해야합니다. 그러나 이상적인 연산 증폭기의 이득은 무한하기 때문에, 증폭을위한 실제 연산 증폭기는 일반적으로 낮은 이득을 갖습니다. 일부 장치, 특히 비교기로 사용하기위한 장치는 히스테리시스를 가질 수 있습니다. 이상적인 연산 증폭기]. 한 방향으로 만 이상에서 벗어날 수있는 실제 장치에 대한 추론은 종종 두 가지로 벗어날 수있는 장치에 대한 추론보다 쉽습니다.

절연, 임피던스 정합, 스케일링, 레벨 변환, 디지털 컴포넌트와 비교하여 많은 양의 전류 소싱 및 신호 생성은 연산 증폭기의 일반적인 애플리케이션입니다.

연산 증폭기의 기본 구성을 연구하여 아날로그 설계, 특히 발진기의 역할 및 신호 컨디셔닝에서 왜 인기가 있는지 알아보십시오.

몇 년 전, 나는 인 버팅 연산 증폭기를 이득과 함께 사용하여 RS-232 / MIL-188C 변환기를 만들어 커스텀 QuickBasic 4.0 프로그램을 실행하는 386 기반 PC를 사용하여 오래된 AT & T Model 40 Teletype의 일부 데이터를 재사용했습니다.

디지털 신호 처리를위한 입력 절연 및 스케일링 프런트 엔드로 반드시 필요하며 전압에서 전류로 변환하거나 주파수 및 백으로 변환하는 등의 멋진 작업을 수행 할 수 있습니다.

"빵과 버터"라는 말은 그 역할을 보완하는 것으로 들리며, opamp는 각 회로에 전문성이있는 회로의 매우 훌륭한 확장이 될 수 있습니다.

예를 들어 Integrator 및 Differentiators 로 사용됩니다. , 제어 및 규제 분야에서 , 이는 고역 통과 및 저역 통과 필터로 더 잘 알려져 있습니다.

또한 출력이 증폭기의 게인에 의해 크게 증폭되므로 안정적인 발진을 넣을 수 있습니다. 작은 입력 신호를 사용하면 양의 피드백을 사용하여 발진에서 opamp를 설정할 수 있습니다. 가장 좋은 예는 슈미트 트리거입니다. 따라서 Bistable 및 MonoStable Osciilators와 같은 회로를 형성 하여 555 타이머 에서 보완 역할을 수행합니다. .

비교기는 공통 전압 모드를 사용합니다. 실제로 opamp에는 캐스케이드 된 차동 증폭기 와 전류 미러 활성 부하가 있으며, 입력에서 비교할 수있는 입력을 비교할 수있는 특수 기능을 제공합니다. 이 특성에 따라 이중 레일 공급 장치는 회로를 반대 전압 근처에 즉시 구동합니다.

커패시터가 사용되는 회로의 전류 제한 기로서 느리게 방전되는 것을 방지하기 위해 높은 입력 임피던스로 인해이 opamp에 의해 격리되어 충전을 유지 하므로 고속 스위치 및 홀드 회로 에서 좋은 보완 역할을합니다.