Què són els amplificadors operacionals?
Els amplificadors operatius són els components bàsics de Circuits electrònics analògics . Són dispositius lineals amb totes les propietats d’un amplificador de corrent continu. Podem utilitzar resistències o condensadors externs per a que l’Omp Amp tingui moltes maneres diferents de fer-los diferents formes d’amplificar, com ara amplificador inversor, amplificador sense inversió, seguidor de tensió, comparador, amplificador diferencial, amplificador sumador, integrador, etc. dual, quad, etc. Els OPAMP com CA3130, CA3140, TL0 71, LM311, etc. tenen un rendiment excel·lent amb un voltatge i un corrent d'entrada molt baixos. L’Op Amp ideal té tres terminals importants a més d’altres terminals. Els terminals d’entrada són entrada inversa i entrada no inversora. El tercer terminal és la sortida que pot enfonsar-se i generar corrent i tensió. El senyal de sortida és el guany dels amplificadors multiplicat pel valor del senyal d’entrada.
5 personatges ideals per a un amplificador operatiu:
1. Obriu el guany de bucle
El guany de bucle obert és el guany de l’ampli operatiu sense retroalimentació positiva o negativa. Un amplificador OP ideal hauria de tenir un guany de bucle obert infinit, però normalment oscil·la entre 20.000 i 2, 00000.
2. Impedància d'entrada
És la proporció de la tensió d'entrada al corrent d'entrada. Ha de ser infinit sense cap fuita de corrent des del subministrament a les entrades. Però hi haurà algunes fuites de corrent d'amper Pico a la majoria dels amplificadors operatius.
3. Impedància de sortida
L’ampli operatiu ideal hauria de tenir impedància de sortida nul·la sense cap resistència interna. De manera que pot subministrar corrent complet a la càrrega connectada a la sortida.
4. Amplada de banda
L’ampli operatiu ideal hauria de tenir una resposta de freqüència infinita de manera que pugui amplificar qualsevol freqüència des de senyals de CC fins a les freqüències de CA més altes. Però la majoria dels amplificadors operatius tenen un ample de banda limitat.
5. Desplaçament
La sortida de l’ampli operatiu ha de ser zero quan la diferència de tensió entre les entrades és nul·la. Però en la majoria dels amplificadors operatius, la sortida no serà nul·la quan està apagada, però hi haurà un minut de tensió.
Configuració del pin OPAMP:
En un amplificador operatiu típic hi haurà 8 pins. Aquests són
Pin1: desplaçament nul
Pin2: inversió de l'entrada INV
Pin3 - Entrada no inversora No INV
Pin4: terra: subministrament negatiu
Pin5: desplaçament nul
Pin6: sortida
Pin7: subministrament positiu
Pin8: estroboscòpic
4 tipus de guanys en OPAMP:
Guany de tensió: tensió d’entrada i sortida de tensió
Guany actual: corrent d’entrada i sortida actual
Transconductància: tensió d'entrada i sortida de corrent
Resistència trans - Corrent d'entrada i sortida de tensió
Funcionament d'un amplificador operacional:
Aquí hem utilitzat un amplificador operacional de LM358. Normalment s’ha de donar una entrada no inversora a una polarització i l’entrada inversora és l’amplificador real connectat a una retroalimentació de 60k resister des de la sortida a l’entrada. I un resistent 10k es connecta en sèrie amb un condensador i es dóna una font d’ona sinusoïdal d’1V al circuit, ara veurem com el guany es regirà per R2 / R1 = 60k / 10k = 6 guany, llavors la sortida serà de 6V . Si canviem el guany per 40, la sortida és de 4V d’ona sinusoïdal.
Vídeo sobre el funcionament de l'amplificador operacional
Normalment, es tracta d’un amplificador de doble font d’alimentació, que es configura fàcilment a una sola font d’alimentació mitjançant l’ús d’una xarxa resister. En aquest cas, la resistència R3 i R4 col·loca una tensió de la meitat de la tensió d’alimentació a través de l’entrada que no inverteix, cosa que provoca que la tensió de sortida sigui també la meitat de la tensió d’alimentació formant una mena de resistències de tensió de polarització R3 i R4 que poden ser de qualsevol valor D'1k a 100k, però en tots els casos haurien de ser iguals. S'ha afegit un condensador addicional de 1 F a l'entrada que no inverteix per reduir el soroll provocat per la configuració. Per a aquesta configuració es requereix l’ús de condensadors d’acoblament per a entrada i sortida.
3 aplicacions OPAMP:
1. Amplificació
El senyal de sortida amplificat de l'Op Amp és la diferència entre els dos senyals d'entrada.
El diagrama que es mostra més amunt és la connexió simple Op Amp. Si les dues entrades es subministren amb el mateix voltatge, l'Op Amp prendrà la diferència entre les dues tensions i serà 0. L'amplificador operatiu multiplicarà això amb el seu guany 1.000.000, de manera que el voltatge de sortida és 0. Quan es produeixi 2 volts donat a una entrada i 1 volt a l’altra, l’Op Amp pren la seva diferència i es multiplica amb el guany. És a dir, 1 volti x 1.000.000. Però aquest guany és molt alt, de manera que per reduir el guany, la retroalimentació de la sortida a l'entrada es fa generalment a través d'una resistència.
Amplificador d'inversió:
El circuit que es mostra més amunt és un amplificador inversor amb l'entrada sense inversió connectada a terra. Dues resistències R1 i R2 estan connectades al circuit de manera que R1 alimenta el senyal d'entrada mentre R2 retorna la sortida a l'entrada d'inversió. Aquí, quan el senyal d'entrada sigui positiu, la sortida serà negativa i viceversa. El canvi de tensió a la sortida en relació amb l’entrada depèn de la proporció de les resistències R1 i R2. R1 se selecciona com a 1K i R2 com a 10K. Si l’entrada rep 1 volt, llavors hi haurà 1 mA de corrent a través de R1 i la sortida haurà de convertir-se en 10 volts per subministrar 1 mA de corrent a través de R2 i mantenir la tensió zero a l’entrada d’inversió. Per tant, el guany de tensió és R2 / R1. És a dir, 10K / 1K = 10
Amplificador sense inversió:
El circuit que es mostra més amunt és un amplificador sense inversió. Aquí l’entrada que no inverteix rep el senyal mentre que l’entrada inversora està connectada entre R2 i R1. Quan el senyal d’entrada es mou positiu o negatiu, la sortida estarà en fase i manté la tensió a l’entrada d’inversió igual que la de l’entrada sense inversió. El guany de tensió en aquest cas serà sempre superior a 1 (1 + R2 / R1).
2. Seguidor de tensió
El circuit anterior és un seguidor de tensió. Aquí proporciona una impedància d’entrada elevada i una baixa impedància de sortida. Quan canvia la tensió d’entrada, la sortida i l’entrada inversora canviaran per igual.
3. Comparador
L’amplificador operacional compara la tensió aplicada en una entrada amb la tensió aplicada en l’altra entrada. Qualsevol diferència entre els voltatges sempre que sigui petita fa que l’amplificador operatiu es saturi. Quan les tensions subministrades a les dues entrades tenen la mateixa magnitud i la mateixa polaritat, la sortida de l'amplificador operacional és de 0 volts.
Un comparador produeix tensions de sortida limitades que poden interactuar fàcilment amb la lògica digital, tot i que cal verificar la compatibilitat.
Vídeo sobre l'amplificador operacional com a diagrama de circuits de comparació
Aquí tenim un amplificador operatiu que s’utilitza com a comparador amb els terminals d’inversió i no d’inversió i que hi ha connectat algun divisor i mesurador de potencial i un voltímetre a la sortida i Dut a la sortida. La fórmula bàsica per al comparador és que quan '+' és més que el '–'llavors la sortida és alta (una), en cas contrari la sortida és zero. Quan la tensió de l'entrada negativa és inferior a la tensió de referència, la sortida és alta i quan l'entrada negativa supera la tensió del positiu, la sortida passa a ser baixa.
3 Requisits per a OPAMP:
1. Nul·litat de compensació
La majoria de l'OPAMP té una tensió de desplaçament a la sortida, fins i tot si les tensions d'entrada són les mateixes. Per fer la sortida a tensió zero, s’utilitza el mètode de nul·la compensació. En la majoria dels amplificadors operatius hi ha un petit desplaçament a causa de la seva propietat inherent i resulta dels desajustos en la disposició de biaix d’entrada. Per tant, hi ha disponible una petita tensió de sortida a la sortida d’alguns amplificadors operatius encara que el senyal d’entrada sigui zero. Aquest inconvenient es pot corregir proporcionant una petita tensió de desplaçament a les entrades. Això es coneix com a tensió de compensació d’entrada. Per eliminar o anul·lar la compensació, la majoria dels amplificadors operatius tenen dos pins per habilitar la nul·litat de la compensació. Per a això, s'hauria de connectar un pot o un valor predefinit amb un valor típic de 100K entre els pins 1 i 5 amb el seu netejador a terra. Ajustant la configuració predeterminada, la sortida es pot configurar a zero tensió.
2. Strobing o compensació de fase
Els amplificadors opcionals es poden tornar inestables de vegades i, per fer-los estables per a totes les bandes de freqüència, normalment es connecta una tapa entre el pin Strobe 8 i el pin1. Normalment s’afegeix un condensador de disc de 47pF compensació de fase de manera que l'OmpAmp es mantindrà estable. Això és molt important si l'OmpAmp s'utilitza com a amplificador sensible.
3. Comentaris
Com ja sabeu, l’Op-Amp té un nivell d’amplificació molt elevat normalment aproximadament 1.000,00 vegades. Suposem que l'Op-Amp té 10.000 guanys, aleshores l'Op-Amp amplificarà la diferència de voltatge a la seva entrada no inversora (V +) i l'entrada inversora (V-). Per tant, la tensió de sortida V és
10.000 x (V + - V-)
Al diagrama, el senyal s’aplica a l’entrada no inversora i a l’entrada inversora es connecta a la sortida. Així doncs, V + = V in i V- = Vout. Per tant Vout = 10.000 x (Vin - Vout). Per tant, el voltatge de sortida és gairebé igual al voltatge d’entrada.
Ara vegem com funcionen els comentaris. Simplement afegir una resistència entre l'entrada i la sortida d'inversió reduirà considerablement el guany. Prenent una fracció de la tensió de sortida a l’entrada inversora es pot reduir l’amplificació considerablement.
Segons l'equació anterior, V out = 10.000 x (V + - V-). Però aquí s’afegeix una resistència de retroalimentació. Així doncs, aquí V + és Vin i V- és R1.R1 + R2 x V fora. Per tant, V out és 10.000 x (Vin - R1.R1 + R2xVout). Així que V out = R1 + R2.R1x Vin
Comentaris negatius:
Aquí la sortida de l'Op-Amp està connectada a la seva entrada d'inversió (-), de manera que la sortida es retroalimenta a l'entrada per arribar a un equilibri. Així, el senyal d’entrada a l’entrada sense inversió (+) es reflectirà a la sortida. L’amplificador operatiu amb retroalimentació negativa conduirà la seva sortida al nivell necessari i, per tant, la diferència de tensió entre les seves entrades inversores i no inversores serà gairebé nul·la.
Resposta positiva:
Aquí el voltatge de sortida es retroalimenta a l'entrada sense inversió (+). El senyal d'entrada s'introdueix a l'entrada d'inversió. En el disseny de retroalimentació positiva, si l’entrada inversora està connectada a terra, la tensió de sortida de l’amplificador operacional dependrà de la magnitud i la polaritat de la tensió a l’entrada no inversora. Quan el voltatge d'entrada és positiu, la sortida de l'Op-Amp serà positiva i aquest voltatge positiu s'alimentarà a l'entrada no inversora, resultant en una sortida totalment positiva. Si el voltatge d'entrada és negatiu, la condició s'invertirà.
Una aplicació d'amplificadors operacionals: preamplificador d'àudio
Filtres i preamplificadors:
Els amplificadors de potència vindran després dels preamplificadors i abans dels altaveus. Els reproductors de CD i DVD moderns no necessiten preamplificadors. Necessiten control de volum i selectors de fonts. Mitjançant l’ús de controls de commutació i volum passiu podem evitar els preamplificadors.
Anem a fer un breu resum sobre els amplificadors de potència d'àudio
L’amplificador de potència és un component que pot accionar els altaveus convertint el senyal de baix nivell en un senyal gran. La feina dels amplificadors de potència és produir un voltatge i un corrent relativament elevats. Normalment, el rang de guany de tensió és d'entre 20 i 30. Els amplificadors de potència tenen una resistència de sortida molt baixa.
Especificacions de l'amplificador de potència d'àudio
- Potència màxima de sortida:
El voltatge de sortida és independent de la càrrega, tant per a senyals petits com per a grans. La tensió donada aplicada a la càrrega provoca el doble de corrent. Per tant, es lliurarà el doble de potència. La potència nominal és la potència d’ona sinusoïdal mitjana contínua de tal manera que la potència es pot mesurar emprant una ona sinusoïdal el voltatge RMS del qual es mesura a llarg termini.
- Resposta de freqüència:
La resposta de freqüència ha d’estendre la banda d’àudio completa de 20 Hz a 20 KHz. La tolerància a la resposta en freqüència és de ± 3db. La forma convencional d’especificar l’amplada de banda és que un amplificador baixa en 3db des del 0db nominal.
- Soroll:
Els amplificadors de potència haurien de produir poc soroll quan els amplificadors de potència s’utilitzen amb freqüències altes. El paràmetre de soroll pot ser ponderat o no ponderat. El soroll no ponderat s’especificarà a una amplada de banda de 20 KHz. En funció de la sensibilitat de l’oïda, es tindrà en compte l’especificació del soroll ponderat. La mesura del soroll ponderat tendeix a atenuar el soroll a freqüències més altes, de manera que la mesura del soroll ponderat és bastant millor que la mesura del soroll no ponderat.
- Distorsió:
La distorsió harmònica total és la distorsió comuna que normalment s’especifica a diferents freqüències. Això s’especificarà a un nivell de potència que es proporciona amb la impedància de càrrega de conducció de l’amplificador de potència.
