מבוא למגברים תפעוליים: 7 שלבים

2025 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2025-01-23 14:46

במדריך זה, אני אתן מבוא למגבר התפעולי, אחד המכשירים האנלוגיים השימושיים ביותר. ניתן להגדיר מכשיר זה כמגבר שאינו הפוך או הפוך, משווה, מגבר מתח, מגבר סיכום, מגבר מכשור, חיץ, פילטר פעיל, מתנד גשר וינה ועוד יישומים רבים אחרים. ה- opamp מגיע בתצורות שונות, כגון מגבר 8 פינים יחיד LM741 או מגבר מרובע אופני LM324 14 פינים המוצג למעלה. ישנם גם סוגים המגיעים בגרסאות הר השטח.

שלב 1: מהו מגבר תפעולי?

המגבר המבצעי הידוע גם בקיצור מגבר אופ, הוא מגבר מתח בעל רווח גבוה מצמיד DC, המשולב בשבב IC. יש להם שתי כניסות (קלט דיפרנציאלי) ויציאה אחת. הם שימשו כאבני בניין באלקטרוניקה אנלוגית מאז שיצאו המכשירים הראשונים בסוף שנות השישים. אחד היופי של מכשירים אלה הוא שהם פישטו מאוד את העיצוב האלקטרוני מעצם סטנדרטיזציה שלהם. עיצוב מגברים עם רכיבים נפרדים כלל שיפורים רבים בגלל ההבדלים בין מכשירים פעילים. אם מגברים כולם בנויים מאותו סיליקון, כולם יכולים להיות דומים ובעלי אותם מאפיינים. בעת עיצוב עם מגברים תפעוליים, ניתן להשיג רווח ספציפי למכשיר על ידי התקנת שני נגדים חיצוניים בעלי יחס התנגדות ספציפי. לדוגמה, אם רוצים רווח מתח של 100, ניתן להכניס לנגד 100k ונגד 1k למעגל כדי להשיג יחס של 100. שימוש באסטרטגיה זו, הרווח זהה בכל פעם. מגבר ה- op הפופולרי ביותר בכל הזמנים הוא ה- 741 שקיים מאז תחילת שנות ה -70 ושימש דורות של חובבים בכל דבר, החל ממגברי שמע ועד ספקי כוח. התעשייה 741 לא הייתה בשימוש על ידי התעשייה במשך שנים רבות מכיוון שפותחו מגברי אופציה טובים יותר, אך עדיין יש להם קהל בקרב חובבים וקל להשיג אותם. המכשירים הראשונים יצאו בסגנון אריזה כפולה בעלת 8 פינים או פחית מתכת עגולה. מאוחר יותר, התקני הרכבה על פני השטח הפכו לזמינים. 741 ושאר מגברי האופק האחרים שלו השתמשו בטרנזיסטורים דו קוטביים עם מכשירים המשתמשים בכניסות טרנזיסטור של אפקט שדה שיצאו מאוחר יותר. כניסות טרנזיסטור אפקט שדה החלו לשמש בגלל הצורך להיות בעל עכבת כניסה גדולה יותר וניקוז זרם נמוך יותר.

שלב 2: המגבר הלא הפוך

המגבר הבלתי הפיך הוא המעגל הראשון שנכסה. בתרשים לעיל, מגבר ה- op מחובר כאשר הכניסה עוברת לקלט החיובי כאשר הנגד המשוב נכנס לקלט השלילי. היחס בין Rf ל- Rg קובע את הרווח. במקרה של המעגל הנ"ל, עליית המתח היא 10. התרשים באמצע המגבלות ה"עולם האמיתי "של מגבר ה- OP 741 כאשר גל מרובע בגודל 10 קילוהרץ מוזנת לתוך הכניסה אך יוצא כצורת גל משולשת עקב מהירות ההחלפה המוגבלת של המכשיר. כאשר הקלט יורד לגל מרובע של 1 קילוהרץ הפלט משתפר ונראה יותר כמו גל ריבוע אמיתי. מדידת יכולתו של המגבר העקבי לעקוב אחר שינויי המשרעת של אות הכניסה נקראת "קצב הנשמה" ונמדדת ב וולט למיקרו שניות. 741 יש דירוג מאוד מאולף ב -5 וולט למיקרו שניות. למגברי מהירות מהירים יש דירוג גבוה עד 5000 וולט למיקרו-שנייה, אם כי אופייני כמו TL081 יהיה דירוג ממוצע של 13 וולט למיקרו-שנייה.

שלב 3: המגבר ההפוך

ניתן להגדיר את opamp בצורה כזו שניתן להפוך צורת גל שלילית הולכת של 1 וולט ולהגביר אותה כדי לתת צורת גל חיובית של 10 וולט. שימושים לתצורה זו יכולים להיות בכל מקום בו יש צורך בשינוי פאזה כגון בשלבי הנהג של מגברי טרנזיסטור בדידים.

שלב 4: שימוש במגבר אופ כמיר מרובע לגל סינוס

המעגל הנ ל ישנה גל מרובע של 1000 הרץ לגל סינוס של 1000 הרץ. הוא עושה זאת על ידי סינון כל רכיבי התדרים (הרמוניות) מעל ומתחת ליסוד, שהוא גל סינוס. במקום להשתמש בנגדים במעגל המשוב, אנו משתמשים ברכיבים סלקטיביים של תדרים (קבלים) המספקים משוב שלילי לביטול התדרים הלא רצויים. התרשים האמצעי מציג את המעגל המדומה בפועל ואת צורת הגל שנוצרה. התרשים השלישי מציג את תגובת התדר של המעגל. השם הטכני של מעגל מסוג זה הוא מסנן פס פס פעיל. היא מאפשרת רק להקה צרה מאוד של תדרים לעבור מבלי להיחלש.

שלב 5: שימוש במגבר אופ כמשווה

ישנם שבבים ייעודיים שהם משווים טובים יותר, אך לפעמים אולי אין לך אחד בהישג יד, כך שתמיד כדאי לדעת כיצד להכין משווה מאופamp. סקירה מהירה של מה זה משווה, זה בעצם אופמפ שהוקם כמגבר ללא משוב, ומאפשר למגבר לפעול ברווח המקסימלי שלו. כאשר קלט אחד קשור למתח ספציפי כגון 3 וולט המוצג בתרשים המעגל ייתן פלט שהוא כמעט מתח הרכבת המרבי כאשר שתי הכניסות נמצאות באותו מתח. במקרה של המעגל הנ ל, גל סינוס של 1 קילוהרץ נותן פלט כשהוא עולה מעל 3 וולט ומתחלף שוב כאשר גל הסינוס יורד מתחת ל -3 וולט. משתמשים בדרך כלל במתווים (ADC) ובמתנדים הרפיה.

שלב 6: בניית מגבר סיכום עם Opamp

מגבר הסיכום לעיל מקבל שני אותות של 1 קילוהרץ, אחד מתוך שיא של 10 mV לשיא ואחד אחר של 20 mV לשיא. התפוקה המתקבלת היא שיא לשיא של 60 mV. מכיוון שמדובר במגבר הפוך, הוא מוציא אות של שלב הפוך.

מגברי סיכום משמשים במיקסרי אודיו שבהם יש להוסיף כניסות שונות. על ידי הזנת אותות לפוטנציומטרים, ניתן לגוון את האותות בכדי לתת את הפלט הרצוי.

שלב 7: מיקסר אודיו בעל שלושה כניסות

ניתן להשתמש במעגל זה כדי לערבב שני מכשירים ומסלול קולי, ניתן להוסיף כניסות נוספות לפי הצורך. ניתן להתאים כל רמת קלט באופן עצמאי בעזרת הפוטנציומטרים.