"연산" 증폭기

디지털 전자 기술이 출현하기 훨씬 이전에 컴퓨터는 수치적 양을 나타내기 위해 전압과 전류를 사용하여 전자적으로 계산을 수행하도록 제작되었습니다. 이것은 물리적 프로세스의 시뮬레이션에 특히 유용했습니다. 예를 들어, 가변 전압은 물리적 시스템에서 속도 또는 힘을 나타낼 수 있습니다. 저항성 분압기와 전압 증폭기를 사용하여 이러한 신호에 대해 나누기 및 곱셈의 수학적 연산을 쉽게 수행할 수 있습니다.

커패시터의 전류를 계산하기 위한 기초로서의 미적분 도함수

커패시터와 인덕터의 반응 특성은 미적분 함수와 관련된 변수 시뮬레이션에 적합합니다. 커패시터를 통과하는 전류가 어떻게 전압의 변화율의 함수인지, 그리고 그 변화율이 미적분학에서 도함수로 어떻게 지정되었는지 기억하십시오. ? 음, 커패시터 양단의 전압이 물체의 속도를 나타내도록 만들어진 경우 커패시터를 통과하는 전류는 해당 물체를 가속하거나 감속하는 데 필요한 힘을 나타내고 커패시터의 커패시턴스는 물체의 질량을 나타냅니다.

미적분학 도함수의 아날로그 전자 계산은 기술적으로 미분으로 알려져 있습니다. 엠> , 그리고 커패시터에 인가된 전압과 관련된 커패시터 전류의 자연스러운 함수입니다. 이 회로는 디지털 컴퓨터처럼 비교적 고급 수학 기능을 수행하기 위해 "프로그래밍"이 필요하지 않습니다.

전자 회로는 복잡한 물리적 시스템에 비해 생성이 매우 쉽고 저렴하므로 이러한 종류의 아날로그 전자 시뮬레이션은 기계 시스템의 연구 및 개발에 널리 사용되었습니다. 하지만 사실적인 시뮬레이션을 위해서는 이러한 초기 컴퓨터에서 고정확도와 구성이 쉬운 증폭기 회로가 필요했습니다.

단일 종단 증폭기에 비해 차동의 장점

아날로그 컴퓨터 설계 과정에서 극도로 높은 전압 이득을 가진 차동 증폭기가 맞춤 설계된 이득을 가진 단일 종단 증폭기보다 정확도 및 구성 가능성에 대한 이러한 요구 사항을 더 잘 충족한다는 사실을 발견했습니다. 고이득 차동 증폭기의 입력 및 출력에 연결된 간단한 구성 요소를 사용하면 증폭기 자체의 내부 회로를 조정하거나 수정하지 않고도 회로 전체에서 거의 모든 이득과 기능을 얻을 수 있습니다. 이 고이득 차동 증폭기는 연산 증폭기로 알려지게 되었습니다. , 또는 연산 증폭기는 아날로그 컴퓨터의 수학 연산에 적용되기 때문입니다.

연산 증폭기의 일부 기능

인기 있는 모델 741과 같은 최신 연산 증폭기는 고성능의 저렴한 집적 회로입니다. 입력 임피던스는 상당히 높으며, 입력은 741의 경우 0.5마이크로암페어(최대) 범위의 전류를 사용하고 전계 효과 입력 트랜지스터를 사용하는 연산 증폭기의 경우 훨씬 적습니다. 출력 임피던스는 일반적으로 모델 741의 경우 약 75Ω으로 매우 낮으며 많은 모델에는 출력 단락 보호 기능이 내장되어 있어 내부 회로에 해를 끼치지 않고 출력을 접지로 직접 단락할 수 있습니다. 연산 증폭기의 내부 트랜지스터 단계 간의 직접 결합을 통해 AC와 마찬가지로 DC 신호를 증폭할 수 있습니다(특정 최대 전압 상승 시간 제한까지). 고전력 기능이 필요하지 않는 한, 그러한 성능에 부합하도록 유사한 개별 트랜지스터 증폭기 회로를 설계하는 데는 훨씬 더 많은 비용과 시간이 소요됩니다. 이러한 이유로 연산 증폭기는 많은 응용 분야에서 사용되지 않는 개별 트랜지스터 신호 증폭기를 제외하고는 거의 없습니다.

다음 다이어그램은 8핀 DIP(D 일반 나 nline P 패키지) 집적 회로:

인기 있는 모델 TL082 및 1458을 포함하여 일부 연산 증폭기 모델은 패키지에 2개 제공됩니다. 이들은 "이중" 장치라고 하며 일반적으로 다음 핀 연결과 함께 8핀 DIP 패키지에도 들어 있습니다.

연산 증폭기는 일반적으로 14핀 DIP 배열로 4개 패키지로 제공됩니다. 불행히도 핀 할당은 "듀얼" 또는 단일 장치의 경우와 같이 이러한 "쿼드" 연산 증폭기의 표준이 아닙니다. 자세한 내용은 제조업체 데이터시트를 참조하십시오.

실제 연산 증폭기 전압 이득은 200,000 이상 범위에 있으므로 그 자체로는 아날로그 차동 증폭기로 거의 쓸모가 없습니다. 전압 이득이 있는 연산 증폭기의 경우(A_V ) 200,000이고 최대 출력 전압 스윙이 +15V/-15V인 경우 75μV(마이크로볼트)의 차동 입력 전압만 있으면 포화 또는 차단 상태가 됩니다! 이득을 합리적인 수준으로 낮추기 위해 외부 부품을 사용하는 방법을 살펴보기 전에 "베어" 연산 증폭기 자체에 대한 애플리케이션을 조사해 보겠습니다.

비교기

하나의 애플리케이션을 비교기라고 합니다. . 모든 실용적인 목적을 위해 (+) 입력이 (-) 입력보다 더 포지티브하면 연산 증폭기의 출력이 완전히 양으로 포화되고 (+) 입력이 덜 양이면 완전히 음으로 포화된다고 말할 수 있습니다. (-) 입력보다 즉, 연산 증폭기의 매우 높은 전압 이득은 두 전압을 비교하고 한 입력이 다른 입력을 초과할 때 출력 전압 상태를 변경하는 장치로 유용합니다.

위의 회로에서 우리는 입력 전압을 전위차계에 의해 설정된 기준 전압과 비교하는 비교기로 연결된 연산 증폭기를 가지고 있습니다(R₁ ). V_in인 경우 R₁에 의해 설정된 전압 아래로 떨어짐 , 연산 증폭기의 출력은 +V로 포화되어 LED가 켜집니다. 그렇지 않고 V_in이면 기준 전압보다 높으면 LED가 꺼진 상태로 유지됩니다. Vin이 측정 기기에서 생성된 전압 신호인 경우 이 비교기 회로는 R₁에 의해 설정된 트립 포인트와 함께 "낮음" 경보로 기능할 수 있습니다. . LED 대신 연산 증폭기 출력은 릴레이, 트랜지스터, SCR 또는 솔레노이드 밸브와 같은 부하로 전원을 전환할 수 있는 기타 장치를 구동하여 낮은 경보 발생 시 조치를 취할 수 있습니다.

구형파 변환기

표시된 비교기 회로의 또 다른 애플리케이션은 구형파 변환기입니다. 반전(-) 입력에 인가되는 입력 전압이 안정적인 DC 전압이 아닌 AC 사인파라고 가정합니다. 이 경우 입력 전압이 전위차계에서 생성된 기준 전압과 같을 때마다 출력 전압은 반대되는 포화 상태 사이에서 전환됩니다. 결과는 구형파가 됩니다.

전위차계 설정을 조정하면 비반전(+) 입력에 적용되는 기준 전압이 변경되며, 사인파가 교차하는 지점을 변경하고 켜짐/꺼짐 시간 또는 듀티 사이클을 변경합니다. 구형파:

AC 입력 전압이 특히 사인파일 필요는 없다는 것이 분명해야 합니다. 이 회로가 동일한 기능을 수행하도록 합니다. 입력 전압은 삼각파, 톱니파 또는 양에서 음으로, 다시 양으로 부드럽게 경사지는 다른 종류의 파동일 수 있습니다. 이러한 종류의 비교기 회로는 다양한 듀티 사이클의 구형파를 생성하는 데 매우 유용합니다. 이 기술은 때때로 펄스 폭 변조라고도 합니다. , 또는 PWM(가변 또는 변조 제어 신호에 따른 파형, 이 경우 전위차계에 의해 생성된 신호).

바그래프 드라이버

또 다른 비교기 응용 ​​프로그램은 막대 그래프 드라이버의 응용 프로그램입니다. 비교기로 연결된 여러 연산 증폭기가 있고 각각 반전 입력에 연결된 자체 기준 전압이 있지만 각각이 비반전 입력에서 동일한 전압 신호를 모니터링하는 경우 일반적으로 다음과 같은 막대 그래프 스타일 미터를 구축할 수 있습니다. 스테레오 튜너와 그래픽 이퀄라이저에서 볼 수 있습니다. 신호 전압(무선 신호 강도 또는 오디오 사운드 레벨을 나타냄)이 증가함에 따라 각 비교기는 순서대로 "켜지고" 전원을 해당 LED에 보냅니다. 각 비교기가 다른 수준의 오디오 사운드에서 "켜짐"되면 조명되는 LED의 수는 신호의 강도를 나타냅니다.

위의 회로에서 LED1은 입력 전압이 증가함에 따라 가장 먼저 점등됩니다. 긍정적인 방향으로. 입력 전압이 계속 증가함에 따라 모든 LED가 켜질 때까지 다른 LED가 차례로 켜집니다.

이와 동일한 기술이 일부 아날로그-디지털 신호 변환기, 즉 플래시 변환기에 사용됩니다. , 아날로그 신호 양을 디지털 숫자를 나타내는 일련의 온/오프 전압으로 변환합니다.

검토:

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삼각형 모양은 증폭기 회로의 일반적인 기호로, 넓은 쪽은 입력을 나타내고 좁은 쪽은 출력을 나타냅니다.

달리 지정하지 않는 한, 모두 증폭기 회로의 전압은 공통 접지 를 참조합니다. 일반적으로 전원 공급 장치의 한 단자에 연결됩니다. 이런 식으로 우리는 전압이 항상 두 지점 사이에서 측정된다는 것을 인식하면서 단일 와이어에 "켜져 있는" 특정 양의 전압에 대해 말할 수 있습니다.

차동 증폭기 전압 차이 를 증폭시키는 것입니다. 두 신호 입력 사이. 이러한 회로에서 하나의 입력은 출력 전압을 입력 신호의 동일한 극성으로 구동하는 경향이 있는 반면 다른 입력은 반대입니다. 결과적으로 첫 번째 입력은 비반전 이라고 합니다. (+) 입력이고 두 번째는 반전 이라고 합니다. (-) 입력.

연산 증폭기 (또는 줄여서 연산 증폭기)는 매우 높은 전압 이득(A_V =200,000 이상). 그 이름은 아날로그 컴퓨터 회로(수학적 연산 수행)에서 원래 사용된 것에서 따왔습니다.

연산 증폭기는 일반적으로 입력 임피던스가 매우 높고 출력 임피던스가 상당히 낮습니다.

때때로 연산 증폭기는 신호 비교기로 사용됩니다. , 어떤 입력(반전 또는 비반전)이 가장 큰 전압을 갖는지에 따라 완전 차단 또는 포화 모드에서 작동합니다. 비교기는 "보다 큼" 신호 조건을 감지하는 데 유용합니다(하나를 서로 비교).

하나의 비교기 애플리케이션을 펄스 폭 변조기라고 합니다. , 사인파 AC 신호를 DC 기준 전압과 비교하여 만들어집니다. DC 기준 전압이 조정되면 비교기의 구형파 출력이 듀티 사이클(양수 대 음수 시간)을 변경합니다. 따라서 DC 기준 전압은 제어 또는 변조합니다. 출력 전압의 펄스 폭.

관련 워크시트:

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기본 연산 증폭기 워크시트