En el següent article discutim els principals paràmetres de l'amplificador operacional i els circuits d'aplicació bàsic de l'amplificador operacional relacionats amb equacions, per resoldre els seus valors de components específics.
Els amplificadors operacionals (amplificadors operacionals) són un tipus especialitzat de circuit integrat que inclou un amplificador d'alt guany acoblat directament amb característiques de resposta global ajustades per una retroalimentació.
L'amplificador operatiu deriva el seu nom del fet que pot executar una àmplia gamma de càlculs matemàtics. A causa de la seva resposta, un amplificador operatiu també es coneix com a circuit integrat lineal i és el component bàsic de molts sistemes analògics.
Un amplificador operacional té un guany extraordinàriament alt (possiblement a prop de l'infinit), que es pot ajustar mitjançant una retroalimentació. L'addició de condensadors o inductors a la xarxa de retroalimentació pot donar lloc a un guany que canvia amb la freqüència, afectant l'estat operatiu global del circuit integrat.
Com es mostra a la figura anterior, l'amplificador operacional fonamental és un dispositiu de tres terminals que té dues entrades i una sortida. Els terminals d'entrada es classifiquen com a 'invertidors' o 'no inversors'.
Paràmetres de l'amplificador operacional
Quan es subministra amb voltatges d'entrada iguals, la sortida de l'amplificador operacional ideal, o 'amplificador operacional', és zero o '0 volts'.
VIN 1 = VIN 2 dóna VOUT = 0
Els amplificadors operacionals pràctics tenen una entrada imperfectament equilibrada, cosa que fa que flueixin corrents de polarització desiguals pels terminals d'entrada. Per tal d'equilibrar la sortida de l'amplificador operacional, s'ha de proporcionar una tensió de compensació d'entrada entre els dos terminals d'entrada.
1) Corrent de polarització d'entrada
Quan la sortida està equilibrada, o quan V FORA = 0, el corrent de polarització d'entrada (I B ) és igual a la meitat dels corrents individuals totals que entren a les dues connexions d'entrada. Sovint és un nombre molt petit; per exemple, jo B = 100 nA és un valor normal.
2) Corrent de compensació d'entrada
La diferència entre cada corrent individual que arriba als terminals d'entrada es coneix com a corrent de compensació d'entrada (I això ). De nou, sovint té un valor extremadament baix; per exemple, un valor comú és I això = 10 nA.
3) Tensió de compensació d'entrada
Per mantenir l'amplificador operacional equilibrat, un voltatge de compensació d'entrada V això s'ha d'aplicar a través del terminal d'entrada. Normalment el valor de V això és = 1 mV.
Valors de I això i V això tots dos poden variar amb la temperatura, i aquesta variació s'anomena I això deriva i V això deriva, respectivament.
4) Relació de rebuig de la font d'alimentació (PSRR)
La relació entre el canvi en la tensió de compensació d'entrada i el canvi corresponent en la tensió d'alimentació es coneix com a relació de rebuig de la font d'alimentació o PSRR. Sovint es troba en el rang de 10 a 20 uV/V.
Els paràmetres addicionals per als amplificadors operacionals que es podrien esmentar són:
5) Guany de llaç obert/Guany de llaç tancat
El guany de llaç obert es refereix al guany d'un amplificador operacional sense circuit de retroalimentació, mentre que el guany de llaç tancat es refereix al guany d'un amplificador operacional amb un circuit de retroalimentació. Generalment es representa com A d .
6) Relació de rebuig en mode comú (CMRR)
Aquesta és la relació entre el senyal de diferència i el senyal de mode comú i serveix com a mesura del rendiment d'un amplificador diferencial. Utilitzem decibels (dB) per expressar aquesta relació.
7) Velocitat de canvi
Slew rate és la velocitat a la qual canvia la tensió de sortida d'un amplificador en condicions de gran senyal. Es representa mitjançant la unitat V/us.
Circuits d'aplicacions bàsics d'amplificador operacional
En els següents paràgrafs coneixerem diversos circuits bàsics d'amplificadors operacionals interessants. Cadascun dels dissenys bàsics s'explica amb fórmules per resoldre els seus valors i característiques dels components.
AMPLIFICADOR O BUFFER
El circuit per a un amplificador inversor, o un inversor, es pot veure a la figura 1, anterior. El guany del circuit ve donat per:
Apagat = - R2/R1
Tingueu en compte que el guany és negatiu, cosa que indica que el circuit funciona com a seguidor de voltatge inversor de fase, si les dues resistències són iguals (és a dir, R1 = R2). La sortida seria idèntica a l'entrada, amb la polaritat invertida.
En realitat, les resistències es poden eliminar per obtenir un guany unitari i substituir-les per cables de pont directe, tal com es mostra a la figura 2 següent.
Això és possible perquè R1 = R2 = 0 en aquest circuit. Normalment, R3 s'elimina del circuit seguidor de voltatge inversor.
La sortida de l'amplificador operacional amplificarà el senyal d'entrada si R1 és inferior a R2. Per exemple, si R1 és 2,2 K i R1 és 22 K, el guany es podria expressar com:
Apagat = - 22.000/2.200 = -10
El símbol negatiu indica inversió de fase. S'inverteixen les polaritats d'entrada i sortida.
En fer que R1 sigui més gran que R2, el mateix circuit també pot atenuar (disminuir la força) el senyal d'entrada. Per exemple, si R1 és 120 K i R2 és 47 K, el guany del circuit seria aproximadament:
Apagat = 47.000/120.000 = - 0,4
De nou, la polaritat de la sortida és la inversa de la de l'entrada. Tot i que el valor de R3 no és especialment important, hauria de ser aproximadament igual a la combinació paral·lela de R1 i R2. El qual és:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
Per demostrar-ho, considereu el nostre exemple anterior, on R1 = 2,2 K i R2 = 22 K. El valor de R3 en aquesta situació hauria de ser aproximadament:
R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48.400.000/24.200 = 2000 Ω
Podem triar el valor de resistència estàndard més proper per a R3 perquè el valor precís no és necessari. En aquest cas es podria utilitzar una resistència de 1,8 K o 2,2 K.
La inversió de fase creada pel circuit de la figura 2 pot no ser acceptable en diverses situacions. Per utilitzar l'amplificador operacional com a amplificador no inversor (o com un simple buffer), connecteu-lo tal com es mostra a la figura 3 següent.
El guany en aquest circuit s'expressa de la següent manera:
Desactivat = 1 + R2/R1
La sortida i l'entrada tenen la mateixa polaritat i estan en fase.
Tingueu en compte que el guany ha de ser sempre com a mínim 1 (unitat). No és possible atenuar (reduir) senyals utilitzant un circuit no inversor.
El guany del circuit serà comparativament més fort si el valor R2 és significativament més gran que R1. Per exemple, si R1 = 10 K i R2 = 47 K, el guany de l'amplificador operatiu serà el que es mostra a continuació:
Desactivat = 1 + 470.000/10.000 = 1 + 47 = 48
Tanmateix, si R1 és significativament més gran que R2, el guany només serà una mica més que la unitat. Per exemple, si R1 = 100 K i R2 = 22 K, el guany seria:
Desactivat = 1 + 22.000/100.000 = 1 + 0,22 = 1,22
En cas que les dues resistències siguin idèntiques (R1 = R2), el guany sempre seria 2. Per convèncer-vos d'això, proveu l'equació del guany en alguns escenaris.
Una situació específica és quan ambdues resistències es posen a 0. En altres paraules, com es veu a la figura 4 següent, s'utilitzen connexions directes en lloc de les resistències.
El guany és exactament un en aquest cas. Això s'ajusta a la fórmula de guany:
Apagat = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1
L'entrada i la sortida són idèntiques. Les aplicacions d'aquest circuit de seguiment de tensió no inversor inclouen la concordança d'impedància, l'aïllament i la memòria intermèdia.
ADDER (amplificador sumador)
Es podrien afegir una sèrie de voltatges d'entrada mitjançant un amplificador operacional. Com es mostra a la figura 5 a continuació, els senyals d'entrada V1, V2,... Vn s'apliquen a l'amplificador operacional mitjançant resistències R1, R2,... Rn.
A continuació, aquests senyals es combinen per produir el senyal de sortida, que és igual a la suma dels senyals d'entrada. La fórmula següent es pot utilitzar per calcular el rendiment real de l'amplificador operatiu com a sumador:
VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))
Vegeu el símbol negatiu. Això vol dir que la sortida s'ha invertit (la polaritat s'inverteix). En altres paraules, aquest circuit és un sumador inversor.
El circuit es pot canviar per funcionar com un sumador no inversor canviant les connexions a les entrades inversores i no inversores de l'amplificador operatiu, tal com es mostra a la figura 6 següent.
L'equació de sortida es podria simplificar assumint que totes les resistències d'entrada tenen valors idèntics.
VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
La figura 7 anterior mostra el circuit bàsic d'un amplificador diferencial. Els valors dels components s'estableixen de manera que R1 = R2 i R3 = R4. Per tant, el rendiment del circuit es pot calcular mitjançant la fórmula següent:
VOUT = VIN 2 - VIN 1
Només sempre que l'amplificador operacional pugui acceptar que les entrades 1 i 2 tinguin una impedància diferent (l'entrada 1 té una impedància de R1 i l'entrada 2 una impedància de R1 més R3).
SUMATOR/RESTATADOR
La figura 8 anterior mostra la configuració d'un circuit sumador/restador d'amplificador operacional. En el cas que R1 i R2 tinguin els mateixos valors i R3 i R4 també s'estableixin als mateixos valors, aleshores:
VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)
En altres paraules, Vout = V3 + V4 és el total de les entrades V3 i V4 mentre que és la resta de les entrades V1 i V2. Els valors per a R1, R2, R3 i R4 es seleccionen per coincidir amb les característiques de l'amplificador operacional. R5 hauria de ser igual a R3 i R4, i R6 hauria de ser igual a R1 i R2.
MULTIPLICADOR
Es poden fer operacions de multiplicació senzilles amb el circuit que es veu a la figura 9 anterior. Tingueu en compte que aquest és el mateix circuit que a la figura 1. Per aconseguir un guany consistent (i posteriorment una multiplicació de la tensió d'entrada en la relació R2/R1) i resultats precisos, resistències de precisió amb els valors prescrits per a R1 i R2. s'hauria d'utilitzar. En particular, la fase de sortida s'inverteix per aquest circuit. La tensió a la sortida serà igual a:
VOUT = - (VIN x desactivat)
on Av és el guany, determinat per R1 i R2. VOUT i VIN són les tensions de sortida i d'entrada, respectivament.
Com es veu a la figura 10 anterior, la constant de multiplicació es pot alterar si R2 és una resistència variable (potenciómetre). Al voltant de l'eix de control podeu muntar un dial de calibratge amb marques per a diversos guanys comuns. La constant de multiplicació es pot llegir directament des d'aquest dial mitjançant una lectura calibrada.
INTEGRADOR
Un amplificador operatiu, com a mínim, funcionarà teòricament com a integrador quan l'entrada inversora s'acobla amb la sortida a través d'un condensador.
Com s'indica a la figura 11 anterior, s'ha de connectar una resistència paral·lela a través d'aquest condensador per tal de mantenir l'estabilitat de CC. Aquest circuit implementa la següent relació per integrar el senyal d'entrada:
El valor de R2 s'ha de seleccionar perquè coincideixi amb els paràmetres de l'amplificador operacional, de manera que:
VOUT = R2/R1 x VIN
DIFERENCIACIÓ
El circuit d'amplificador operacional diferenciador inclou un condensador a la línia d'entrada que es connecta a l'entrada inversora i una resistència que connecta aquesta entrada a la sortida. Tanmateix, aquest circuit té uns límits clars, per tant, una configuració preferible seria posar en paral·lel la resistència i el condensador, tal com es mostra a la figura 12 anterior.
L'equació següent determina el rendiment d'aquest circuit:
VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt
AMPLIFICADORS DE REGISTRE
El circuit fonamental (Fig. 13 anterior) utilitza un transistor NPN i un amplificador operatiu per generar una sortida proporcional al registre de l'entrada:
VOUT = (- k registre 10 ) DIV/V O
El circuit 'invertit', que funciona com a amplificador anti-log fonamental, es mostra al diagrama inferior. Normalment, el condensador té un valor baix (per exemple, 20 pF).
AMPLIADOR D'ÀUDIO
Un amplificador operacional és essencialment un amplificador de corrent continu, però també es pot aplicar per a aplicacions de corrent alterna. A la figura 14 anterior es mostra un amplificador d'àudio senzill.
MEZCLADOR D'AUDIO
En aquest circuit es mostra una modificació de l'amplificador d'àudio (Fig. 15 anterior). Podeu veure com s'assembla al circuit sumador a la figura 5. Els diferents senyals d'entrada es barregen o es combinen. El potenciòmetre d'entrada de cada senyal d'entrada permet ajustar el nivell. Així, l'usuari pot ajustar les proporcions relatives dels diferents senyals d'entrada a la sortida.
DIVISOR DE SENYAL
El circuit divisor de senyal que es veu a la figura 16 anterior és just el contrari d'un mesclador. Un sol senyal de sortida es divideix en diverses sortides idèntiques que alimenten diverses entrades. Les múltiples línies de senyal es separen entre si mitjançant aquest circuit. Per ajustar el nivell necessari, cada línia de sortida inclou un potenciòmetre independent.
CONVERSOR DE TENSIÓ A CORRENT
El circuit presentat a la figura 17 anterior farà que la impedància de càrrega R2 i R1 experimentin el mateix flux de corrent.
El valor d'aquest corrent seria proporcional a la tensió del senyal d'entrada i independent de la càrrega.
Tanmateix, a causa de l'alta resistència d'entrada proporcionada pel terminal no inversor, el corrent serà de valor relativament baix. Aquest corrent té un valor que és directament proporcional a VIN/R1.
CONVERSOR DE CORRENT A TENSIÓ
Si la tensió de sortida és igual a IIN x R2 i s'utilitza el disseny (Fig. 18 anterior), el corrent del senyal d'entrada pot fluir directament a través de la resistència de retroalimentació R2.
Per dir-ho d'una altra manera, el corrent d'entrada es transforma en una tensió de sortida proporcional.
El circuit de polarització creat a l'entrada inversora estableix un límit inferior al flux de corrent, que impedeix que qualsevol corrent passi per R2. Per eliminar el 'soroll', es pot afegir un condensador a aquest circuit tal com es mostra a la figura.
FONT ACTUAL
La figura 19 anterior mostra com es pot utilitzar un amplificador operacional com a font de corrent. Els valors de la resistència es poden calcular mitjançant les equacions següents:
R1 = R2
R3 = R4 + R5
El corrent de sortida es pot avaluar mitjançant la fórmula següent:
Sortida = (R3 x VIN) / (R1 x R5)
MULTIVIBRATOR
Podeu adaptar un amplificador operacional per utilitzar-lo com a multivibrador. La figura 20 anterior mostra dos circuits fonamentals. El disseny de la part superior esquerra és un multivibrador de funcionament lliure (astable), la freqüència del qual està controlada per:
Al diagrama inferior dret es pot veure un circuit multivibrador monoestable que es pot activar mitjançant una entrada de pols d'ona quadrada. Els valors dels components proporcionats són per a un amplificador operacional CA741.
GENERADOR D'ONES QUADRADES
La figura 21 de dalt representa un circuit generador d'ona quadrada funcional centrat al voltant d'un amplificador operacional. Aquest circuit generador d'ones quadrades podria ser el més senzill. Només es necessiten tres resistències externes i un condensador a més del propi amplificador operacional.
Els dos elements principals que determinen la constant de temps del circuit (freqüència de sortida) són la resistència R1 i el condensador C1. Tanmateix, la connexió de retroalimentació positiva basada en R2 i R3 també té un impacte en la freqüència de sortida. Tot i que les equacions solen ser una mica complicades, es poden simplificar per a relacions R3/R2 particulars. Per il·lustració:
Si R3/R2 ≈ 1,0 aleshores F ≈ 0,5/(R1/C1)
o,
Si R3/R2 ≈ 10 aleshores F ≈ 5/(R1/C1)
El mètode més pràctic és emprar una d'aquestes proporcions estàndard i canviar els valors de R1 i C1 per aconseguir la freqüència requerida. Per a R2 i R3, es poden utilitzar valors convencionals. Per exemple, la relació R3/R2 serà 10 si R2 = 10K i R3 = 100K, així:
F = 5/(R1/C1)
En la majoria dels casos, ja serem conscients de la freqüència requerida i només caldrà triar els valors de components adequats. El mètode més senzill és triar primer un valor C1 que sembli raonable i després reorganitzar l'equació per trobar R1:
R1 = 5/(F x C1)
Vegem un exemple típic de freqüència de 1200 Hz que estem buscant. Si C1 està connectat a un condensador de 0,22 uF, llavors R1 hauria de tenir el valor que es mostra a la fórmula següent:
R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω
Es pot utilitzar una resistència típica de 18K a la majoria d'aplicacions. Es pot afegir un potenciòmetre en sèrie amb R1 per augmentar la utilitat i l'adaptabilitat d'aquest circuit, tal com es mostra a la figura 22 següent. Això fa possible ajustar manualment la freqüència de sortida.
Per a aquest circuit, s'utilitzen els mateixos càlculs, però el valor de R1 es canvia perquè coincideixi amb la combinació en sèrie de la resistència fixa R1a i el valor ajustat del potenciòmetre R1b:
R1 = R1a + R1b
La resistència fixa s'insereix per assegurar-se que el valor de R1 mai cau a zero. El rang de freqüències de sortida ve determinat pel valor fix de R1a i la resistència més alta de R1b.
GENERADOR D'AMPLADA DE POLLS VARIABLE
Una ona quadrada és totalment simètrica. El cicle de treball del senyal d'ona quadrada es defineix com la relació entre el temps d'alt nivell i el temps de cicle total. Les ones quadrades tenen un cicle de treball 1:2 per definició.
Amb només dos components més, el generador d'ones quadrades de la secció anterior es pot transformar en un generador d'ones rectangulars. La figura 23 anterior mostra el circuit actualitzat.
El díode D1 restringeix el pas de corrent a través de R4 en semicicles negatius. R1 i C1 formen la constant de temps expressada en l'equació següent:
T1 = 5/(2C1 x R1)
Tanmateix, en semicicles positius, el díode es permet conduir i la combinació paral·lela de R1 i R4 juntament amb C1 defineix la constant de temps, tal com es mostra al càlcul següent:
T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))
La durada total del cicle és només el total de les dues constants de temps de mig cicle:
Tt = T1 + T2
La freqüència de sortida és la inversa de la constant de temps total de tot el cicle:
F = 1/Tt
Aquí el cicle de treball no serà igual a 1:2 perquè la constant de temps per a les seccions de nivell alt i baix del cicle serà diferent. Com a resultat, es produiran formes d'ona asimètriques. És possible fer que R1 o R4 siguin ajustables, o fins i tot tots dos, però tingueu en compte que fer-ho canviaria tant la freqüència de sortida com el cicle de treball.
OSCIL·LADOR D'ONA SINOSO
L'ona sinusoïdal, que es mostra a la figura 24 a continuació, és el més bàsic de tots els senyals de ca.
No hi ha absolutament cap contingut harmònic en aquest senyal extremadament pur. Només hi ha una freqüència fonamental en una ona sinusoïdal. De fet, crear una ona sinusoïdal completament pura i sense distorsions és bastant difícil. Afortunadament, utilitzant un circuit oscil·lador construït al voltant d'un amplificador operatiu, podem apropar-nos bastant a una forma d'ona òptima.
La figura 25 anterior mostra un circuit oscil·lador d'ona sinusoïdal convencional que incorpora un amplificador operacional. Un circuit de doble T que serveix com a filtre de rebuig de banda (o osca) serveix com a xarxa de retroalimentació. El condensador C1 i les resistències R1 i R2 formen una T. C2, C3, R3 i R4 formen l'altra T. L'esquema la té invertida. Els valors dels components han de tenir les relacions següents perquè aquest circuit funcioni correctament:
La fórmula següent determina la freqüència de sortida:
F = 1/(6,28 x R1 x C2)
En canviar el valor de R4, es podria ajustar una mica l'ajustament de la xarxa de retroalimentació twin-T. Normalment, aquest podria ser un petit potenciòmetre de retallador. El potenciòmetre s'ajusta a la seva resistència més alta i després es redueix gradualment fins que el circuit es troba al límit de l'oscil·lació. L'ona sinusoïdal de sortida es podria corrompre si la resistència s'ajusta massa baixa.
SCHMITT TRIGGER
Tècnicament parlant, un disparador de Schmitt es pot referir com a comparador regeneratiu. La seva funció principal és transformar una tensió d'entrada que va canviant lentament en un senyal de sortida, a una tensió d'entrada determinada.
Per dir-ho d'una altra manera, té una propietat de 'reacció' anomenada histèresi que funciona com un 'disparador' de tensió. L'amplificador operacional es converteix en el bloc bàsic de l'operació d'activació de Schmitt (vegeu la figura 26 anterior). Els factors següents determinen la tensió d'activació o d'activació:
EN viatge = (V fora x R1) / (-R1 + R2)
En aquest tipus de circuit, la histèresi és el doble de la tensió d'encesa.
A la figura 27 següent, es representa un altre circuit de disparador de Schmitt. En aquest circuit, es diu que la sortida s''activa' quan l'entrada de CC arriba al voltant d'una cinquena part de la tensió d'alimentació.
La tensió d'alimentació pot estar entre 6 i 15 volts, per tant, depenent de la tensió d'alimentació escollida, el disparador es pot configurar per funcionar entre 1,2 i 3 volts. Si cal, el punt d'activació real també es podria alterar modificant el valor de R4.
La sortida serà la mateixa que la tensió d'alimentació tan bon punt s'activa. Si la sortida està connectada a una bombeta o LED incandescent (a través d'una resistència de balast en sèrie), la làmpada (o LED) s'il·luminarà una vegada que la tensió d'entrada arribi al valor d'activació, indicant que aquest nivell de tensió precís s'ha assolit a l'entrada.
Embolicant
Així doncs, aquests eren uns quants circuits bàsics d'amplificador operacional amb els seus paràmetres explicats. Espero que hàgiu entès totes les característiques i fórmules relacionades amb un amplificador operacional.
Si teniu algun altre disseny bàsic de circuits d'amplificador operacional que creieu que s'ha d'incloure a l'article anterior, no dubteu a mencionar-lo a través dels vostres comentaris a continuació.
