În articolul următor vom discuta principalii parametri ai amplificatorului operațional și circuitele aplicației de bază ale amplificatorului operațional aferente cu ecuații, pentru rezolvarea valorilor componentelor specifice ale acestora.
Op-amp-urile (amplificatoare operaționale) sunt un tip specializat de circuit integrat care include un amplificator cuplat direct, cu câștig ridicat, cu caracteristici de răspuns generale ajustate printr-un feedback.
Op-amp-ul își trage numele de la faptul că poate executa o gamă largă de calcule matematice. Datorită răspunsului său, un amplificator operațional este cunoscut și ca circuit integrat liniar și este componenta de bază a multor sisteme analogice.
Un amplificator operațional are un câștig extraordinar de mare (posibil aproape de infinit), care poate fi ajustat printr-un feedback. Adăugarea de condensatoare sau inductori la rețeaua de feedback poate duce la un câștig care se modifică cu frecvența, afectând starea generală de funcționare a circuitului integrat.
După cum se arată în figura de mai sus, amplificatorul operațional fundamental este un dispozitiv cu trei terminale care are două intrări și o ieșire. Terminalele de intrare sunt clasificate ca „inversoare” sau „neinversoare”.
Parametrii amplificatorului operațional
Când este alimentat cu tensiuni de intrare egale, ieșirea amplificatorului operațional ideal, sau „amplificator operațional”, este zero sau „0 volți”.
VIN 1 = VIN 2 dă VOUT = 0
Amplificatoarele operaționale practice au o intrare echilibrată imperfect, ceea ce determină curgerea curenților de polarizare inegale prin bornele de intrare. Pentru a echilibra ieșirea amplificatorului operațional, trebuie furnizată o tensiune de decalaj de intrare între cele două terminale de intrare.
1) Curent de polarizare de intrare
Când ieșirea este echilibrată sau când V OUT = 0, curentul de polarizare de intrare (I B ) este egal cu jumătate din totalul curenților individuali care intră în cele două conexiuni de intrare. Este adesea un număr foarte mic; de exemplu, eu B = 100 nA este o valoare normală.
2) Curent de compensare de intrare
Diferența dintre fiecare curent individual care ajunge la bornele de intrare este cunoscută ca curent de compensare de intrare (I acest ). Din nou, este adesea de valoare extrem de scăzută; de exemplu, o valoare comună este I acest = 10 nA.
3) Tensiune offset de intrare
Pentru a menține amplificatorul operațional echilibrat, o tensiune de compensare de intrare V acest trebuie aplicat peste terminalul de intrare. De obicei, valoarea lui V acest este = 1 mV.
Valorile lui I acest și V acest ambele pot varia în funcție de temperatură, iar această variație este denumită I acest deriva si V acest drift, respectiv.
4) Raportul de respingere a sursei de alimentare (PSRR)
Raportul dintre modificarea tensiunii de compensare de intrare și modificarea corespunzătoare a tensiunii de alimentare este cunoscut ca raport de respingere a sursei de alimentare sau PSRR. Acesta este adesea în intervalul de la 10 la 20 uV/V.
Parametrii suplimentari pentru amplificatoarele operaționale care ar putea fi menționați sunt:
5) Câștig în buclă deschisă/ Câștig în buclă închisă
Câștigul în buclă deschisă se referă la câștigul unui amplificator operațional fără un circuit de feedback, în timp ce câștigul în buclă închisă se referă la câștigul unui amplificator operațional cu un circuit de feedback. Este în general reprezentat ca A d .
6) Raportul de respingere în modul comun (CMRR)
Acesta este raportul dintre semnalul de diferență și semnalul de mod comun și servește ca măsură a performanței unui amplificator diferenţial. Folosim decibeli (dB) pentru a exprima acest raport.
7) Slew Rate
Slew rate este rata la care tensiunea de ieșire a unui amplificator se modifică în condiții de semnal mare. Este reprezentat folosind unitatea V/us.
Circuite de aplicare de bază a amplificatorului operațional
În paragrafele următoare vom afla despre câteva circuite de bază interesante pentru amplificatoare operaționale. Fiecare dintre modelele de bază sunt explicate cu formule pentru a-și rezolva valorile și caracteristicile componentelor.
AMPLIFICATOR SAU TAMPON
Circuitul pentru un amplificator inversor sau un invertor poate fi văzut în Figura 1 de mai sus. Câștigul circuitului este dat de:
Oprit = - R2/R1
Rețineți că câștigul este unul negativ, ceea ce indică faptul că circuitul funcționează ca un adept de tensiune cu inversarea fazei, dacă cele două rezistențe sunt egale (adică, R1 = R2). Ieșirea ar fi identică cu intrarea, cu polaritatea inversată.
În realitate, rezistențele pot fi îndepărtate pentru câștig unitar și înlocuite cu fire jumper directe, așa cum se arată în Fig. 2 de mai jos.
Acest lucru este posibil deoarece R1 = R2 = 0 în acest circuit. De obicei, R3 este îndepărtat din circuitul de urmărire a tensiunii inversoare.
Ieșirea amplificatorului operațional va amplifica semnalul de intrare dacă R1 este mai mic decât R2. De exemplu, dacă R1 este 2,2 K și R1 este 22 K, câștigul ar putea fi exprimat astfel:
Oprit = - 22.000/2.200 = -10
Simbolul negativ indică inversarea de fază. Polaritățile de intrare și de ieșire sunt inversate.
Făcând R1 mai mare decât R2, același circuit poate, de asemenea, atenua (scădea puterea) semnalului de intrare. De exemplu, dacă R1 este 120 K și R2 este 47 K, câștigul circuitului ar fi aproximativ:
Oprit = 47.000/120.000 = - 0,4
Din nou, polaritatea ieșirii este inversa celei de intrare. Deși valoarea lui R3 nu este deosebit de importantă, ar trebui să fie aproximativ egală cu combinația paralelă a lui R1 și R2. Care este:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
Pentru a demonstra acest lucru, luați în considerare exemplul nostru anterior, unde R1 = 2,2 K și R2 = 22 K. Valoarea lui R3 în această situație ar trebui să fie aproximativ:
R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48.400.000/24.200 = 2000 Ω
Putem alege cea mai apropiată valoare standard de rezistență pentru R3 deoarece valoarea exactă nu este necesară. În acest caz, ar putea fi folosit un rezistor de 1,8 K sau 2,2 K.
Inversarea de fază creată de circuitul din Fig. 2 poate să nu fie acceptabilă în mai multe situații. Pentru a utiliza amplificatorul operațional ca amplificator non-inversător (sau ca un simplu buffer), conectați-l așa cum este ilustrat în Fig. 3 de mai jos.
Câștigul din acest circuit este exprimat după cum urmează:
Oprit = 1 + R2/R1
Ieșirea și intrarea au aceeași polaritate și sunt în fază.
Rețineți că câștigul trebuie să fie întotdeauna la minim 1 (unitate). Nu este posibilă atenuarea (reducerea) semnalelor utilizând un circuit neinversător.
Câștigul circuitului va fi comparativ mai puternic dacă valoarea R2 este semnificativ mai mare decât R1. De exemplu, dacă R1 = 10 K și R2 = 47 K, câștigul amplificatorului operațional va fi așa cum se arată mai jos:
Oprit = 1 + 470.000/10.000 = 1 + 47 = 48
Cu toate acestea, dacă R1 este semnificativ mai mare decât R2, câștigul va fi doar ceva mai mare decât unitatea. De exemplu, dacă R1 = 100 K și R2 = 22 K, câștigul ar fi:
Oprit = 1 + 22.000/100.000 = 1 + 0,22 = 1,22
În cazul în care cele două rezistențe sunt identice (R1 = R2), câștigul ar fi întotdeauna 2. Pentru a vă convinge de acest lucru, încercați ecuația câștigului în câteva scenarii.
O situație specifică este atunci când ambele rezistențe sunt setate la 0. Cu alte cuvinte, așa cum se vede în Fig. 4 de mai jos, conexiunile directe sunt utilizate în locul rezistențelor.
Câștigul este exact unul în acest caz. Aceasta este conform formulei de câștig:
Oprit = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1
Intrarea și ieșirea sunt identice. Aplicațiile pentru acest circuit de urmărire a tensiunii fără inversare includ potrivirea impedanței, izolarea și tamponul.
ADDER (amplificator sumator)
Un număr de tensiuni de intrare ar putea fi adăugate folosind un amplificator operațional. După cum este ilustrat în Fig. 5 de mai jos, semnalele de intrare V1, V2,... Vn sunt aplicate amplificatorului operațional prin intermediul rezistențelor R1, R2,... Rn.
Aceste semnale sunt apoi combinate pentru a produce semnalul de ieșire, care este egal cu suma semnalelor de intrare. Următoarea formulă poate fi utilizată pentru a calcula performanța reală a amplificatorului operațional ca sumător:
VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))
Vezi simbolul negativ. Aceasta înseamnă că ieșirea a fost inversată (polaritatea este inversată). Cu alte cuvinte, acest circuit este un sumator inversor.
Circuitul poate fi schimbat pentru a funcționa ca un sumator neinversător prin comutarea conexiunilor la intrările inversoare și neinversoare ale amplificatorului operațional, așa cum este ilustrat în Fig. 6 de mai jos.
Ecuația de ieșire ar putea fi simplificată presupunând că toate rezistențele de intrare au valori identice.
VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)
AMPLIFICATOR DIFERENȚIAL
Fig. 7 de mai sus prezintă circuitul de bază al unui amplificator diferenţial. Valorile componentelor sunt setate astfel încât R1 = R2 și R3 = R4. Prin urmare, performanța circuitului poate fi calculată folosind următoarea formulă:
VOUT = VIN 2 - VIN 1
Doar atâta timp cât amplificatorul operațional poate accepta că intrările 1 și 2 au impedanțe diferite (intrarea 1 are o impedanță de R1 și intrarea 2 are o impedanță de R1 plus R3).
ADUMATOR/SUBTRACTOR
Figura 8 de mai sus prezintă configurația pentru un circuit de adunare/scădere a amplificatorului operațional. În cazul în care R1 și R2 au valori identice și R3 și R4 sunt de asemenea setate la aceleași valori, atunci:
VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)
Cu alte cuvinte, Vout = V3 + V4 este totalul intrărilor V3 și V4, în timp ce este scăderea intrărilor V1 și V2. Valorile pentru R1, R2, R3 și R4 sunt selectate pentru a se potrivi cu caracteristicile amplificatorului operațional. R5 ar trebui să fie egal cu R3 și R4, iar R6 ar trebui să fie egal cu R1 și R2.
MULTIPLICATOR
Operațiile simple de înmulțire pot fi făcute cu circuitul văzut în Fig. 9 de mai sus. Rețineți că acesta este același circuit ca în Fig. 1. Pentru a obține un câștig consistent (și ulterior o multiplicare a tensiunii de intrare în raportul R2/R1) și rezultate precise, rezistențe de precizie cu valorile prescrise pentru R1 și R2 ar trebui folosit. În special, faza de ieșire este inversată de acest circuit. Tensiunea la ieșire va fi egală cu:
VOUT = - (VIN x Off)
unde Av este câștigul, determinat de R1 și R2. VOUT și VIN sunt tensiunile de ieșire și, respectiv, de intrare.
După cum se vede în Fig. 10 de mai sus, constanta de multiplicare poate fi modificată dacă R2 este o rezistență variabilă (potențiometru). În jurul arborelui de control puteți monta un cadran de calibrare cu semne pentru diferite câștiguri comune. Constanta de multiplicare poate fi citită direct de pe acest cadran folosind o citire calibrată.
INTEGRATOR
Un amplificator operațional va funcționa, cel puțin, teoretic ca un integrator atunci când intrarea de inversare este cuplată cu ieșirea printr-un condensator.
După cum este indicat în Fig. 11 de mai sus, un rezistor paralel trebuie conectat peste acest condensator pentru a menține stabilitatea DC. Acest circuit implementează următoarea relație pentru a integra semnalul de intrare:
Valoarea lui R2 trebuie selectată pentru a se potrivi cu parametrii amplificatorului operațional, astfel încât:
VOUT = R2/R1 x VIN
DIFERENTIATOR
Circuitul de amplificator operațional diferențiator include un condensator în linia de intrare care se conectează la intrarea de inversare și un rezistor care conectează această intrare la ieșire. Cu toate acestea, acest circuit are limite clare, prin urmare, o configurație preferabilă ar fi aceea de a pune în paralel rezistența și condensatorul, așa cum este ilustrat în Fig. 12 de mai sus.
Următoarea ecuație determină cât de bine funcționează acest circuit:
VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt
AMPLIFICATOARE DE JURNI
Circuitul fundamental (Fig. 13 de mai sus) folosește un tranzistor NPN și un amplificator operațional pentru a genera o ieșire proporțională cu logul de intrare:
VOUT = (- k log 10 ) VIN/RI O
Circuitul „inversat”, funcționând ca un amplificator anti-log fundamental, este reprezentat în diagrama de jos. De obicei, condensatorul este de valoare scăzută (de exemplu, 20 pF).
AUDIO AMP
Un amplificator operațional este în esență un amplificator de curent continuu, dar poate fi aplicat și pentru aplicații de curent alternativ. Un amplificator audio simplu este prezentat în Figura 14 de mai sus.
MIXER AUDIO
O modificare a amplificatorului audio este prezentată în acest circuit (Fig. 15 de mai sus). Puteți vedea cum seamănă cu circuitul de adunare în Fig. 5. Diferitele semnale de intrare sunt amestecate sau îmbinate. Potențiometrul de intrare al fiecărui semnal de intrare permite reglarea nivelului. Proporțiile relative ale diferitelor semnale de intrare în ieșire pot fi astfel ajustate de utilizator.
DISTRIBUTOR DE SEMNAL
Circuitul divizor de semnal văzut în Fig. 16 de mai sus este exact opusul unui mixer. Un singur semnal de ieșire este împărțit în mai multe ieșiri identice care alimentează diverse intrări. Liniile multiple de semnal sunt separate una de alta folosind acest circuit. Pentru a regla nivelul necesar, fiecare linie de ieșire include un potențiometru separat.
CONVERTOR DE TENSIUNE LA CURENT
Circuitul prezentat în Fig. 17 de mai sus va face ca impedanța de sarcină R2 și R1 să experimenteze același flux de curent.
Valoarea acestui curent ar fi proporțională cu tensiunea semnalului de intrare și independentă de sarcină.
Cu toate acestea, datorită rezistenței mari de intrare furnizată de terminalul neinversător, curentul va fi de valoare relativ scăzută. Acest curent are o valoare care este direct proporțională cu VIN/R1.
CONVERTOR DE CURENT LA TENSIUNE
Dacă tensiunea de ieșire este egală cu IIN x R2 și este utilizat designul (Fig. 18 de mai sus), curentul semnalului de intrare poate circula direct prin rezistorul de feedback R2.
Cu alte cuvinte, curentul de intrare este transformat într-o tensiune de ieșire proporțională.
Circuitul de polarizare creat la intrarea de inversare stabilește o limită inferioară a fluxului de curent, care împiedică trecerea curentului prin R2. Pentru a elimina „zgomotul”, un condensator poate fi adăugat la acest circuit, așa cum este ilustrat în figură.
SURSA ACTUALA
Figura 19 de mai sus arată cum un amplificator operațional poate fi folosit ca o sursă de curent. Valorile rezistoarelor pot fi calculate folosind următoarele ecuații:
R1 = R2
R3 = R4 + R5
Curentul de ieșire poate fi evaluat folosind următoarea formulă:
Ieșire = (R3 x VIN) / (R1 x R5)
MULTIVIBRATOR
Puteți adapta un amplificator operațional pentru a fi utilizat ca multivibrator. Fig. 20 de mai sus prezintă două circuite fundamentale. Designul din stânga sus este un multivibrator care rulează liber (astable), a cărui frecvență este controlată de:
Un circuit multivibrator monostabil care poate fi activat printr-o intrare de impuls cu undă pătrată poate fi văzut în diagrama din dreapta jos. Valorile componente furnizate sunt pentru un amplificator operațional CA741.
GENERATOR DE UNDE PĂTRATE
Fig. 21 de mai sus prezintă un circuit generator de unde pătrate funcțional centrat în jurul unui amplificator operațional. Acest circuit generator de unde pătrate ar putea fi cel mai simplu. Sunt necesare doar trei rezistențe externe și un condensator în plus față de amplificatorul operațional în sine.
Cele două elemente principale care determină constanta de timp a circuitului (frecvența de ieșire) sunt rezistența R1 și condensatorul C1. Cu toate acestea, conexiunea de feedback pozitiv bazată pe R2 și R3 are, de asemenea, un impact asupra frecvenței de ieșire. Deși ecuațiile sunt adesea oarecum complicate, ele pot fi simplificate pentru anumite rapoarte R3/R2. Pentru ilustrare:
Dacă R3/R2 ≈ 1,0 atunci F ≈ 0,5/(R1/C1)
sau,
Dacă R3/R2 ≈ 10 atunci F ≈ 5/(R1/C1)
Cea mai practică metodă este de a folosi unul dintre aceste rapoarte standard și de a modifica valorile lui R1 și C1 pentru a obține frecvența necesară. Pentru R2 şi R3, pot fi folosite valori convenţionale. De exemplu, raportul R3/R2 va fi 10 dacă R2 = 10K și R3 = 100K, astfel:
F = 5/(R1/C1)
În cele mai multe cazuri, vom fi deja conștienți de frecvența necesară și va trebui doar să alegem valorile adecvate ale componentelor. Cea mai simplă metodă este să alegeți mai întâi o valoare C1 care pare rezonabilă și apoi să rearanjați ecuația pentru a găsi R1:
R1 = 5/(F x C1)
Să ne uităm la un exemplu tipic de frecvență de 1200 Hz pe care îl căutăm. Dacă C1 este conectat la un condensator de 0,22 uF, atunci R1 ar trebui să aibă valoarea descrisă în următoarea formulă:
R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω
Un rezistor tipic de 18K poate fi folosit în majoritatea aplicațiilor. Un potențiometru poate fi adăugat în serie cu R1 pentru a crește utilitatea și adaptabilitatea acestui circuit, așa cum este ilustrat în Fig. 22 de mai jos. Acest lucru face posibilă reglarea manuală a frecvenței de ieșire.
Pentru acest circuit, se folosesc aceleași calcule, totuși valoarea lui R1 este modificată pentru a se potrivi cu combinația de serie a rezistenței fixe R1a și valoarea ajustată a potențiometrului R1b:
R1 = R1a + R1b
Rezistorul fix este introdus pentru a se asigura că valoarea lui R1 nu scade niciodată la zero. Gama de frecvențe de ieșire este determinată de valoarea fixă a lui R1a și cea mai mare rezistență a lui R1b.
GENERATOR DE LĂȚIME DE IMPULS VARIABILĂ
O undă pătrată este total simetrică. Ciclul de lucru al semnalului cu undă pătrată este definit ca raportul dintre timpul de nivel înalt și timpul ciclului total. Undele pătrate au un ciclu de lucru 1:2 prin definiție.
Cu doar două componente, generatorul de unde pătrate din secțiunea anterioară poate fi transformat într-un generator de unde dreptunghiulare. Fig. 23 de mai sus prezintă circuitul actualizat.
Dioda D1 restricționează trecerea curentului prin R4 pe semicicluri negative. R1 și C1 alcătuiesc constanta de timp așa cum este exprimată în următoarea ecuație:
T1 = 5/(2C1 x R1)
Cu toate acestea, în semiciclurile pozitive, dioda este lăsată să conducă, iar combinația paralelă a R1 și R4 împreună cu C1 definește constanta de timp, așa cum se arată în următorul calcul:
T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))
Lungimea totală a ciclului este doar totalul celor două constante de timp pe jumătate de ciclu:
Tt = T1 + T2
Frecvența de ieșire este inversul constantei de timp totale a întregului ciclu:
F = 1/Tt
Aici, ciclul de lucru nu va fi egal cu 1:2, deoarece constanta de timp pentru secțiunile de nivel înalt și scăzut ale ciclului va diferi. Ca rezultat vor fi produse forme de undă asimetrice. Este posibil să faceți reglabil R1 sau R4, sau chiar ambele, dar rețineți că acest lucru ar schimba atât frecvența de ieșire, cât și ciclul de lucru.
OSCILATOR DE UNDA SINOZUSIVĂ
Unda sinusoidală, care este prezentată în Fig. 24 de mai jos, este cel mai elementar dintre toate semnalele de curent alternativ.
Nu există absolut niciun conținut armonic în acest semnal extrem de pur. Există doar o frecvență fundamentală într-o undă sinusoidală. De fapt, crearea unei undă sinusoidală complet pură, fără distorsiuni este destul de dificilă. Din fericire, folosind un circuit oscilator construit în jurul unui amplificator operațional, putem ajunge destul de aproape de o formă de undă optimă.
Fig. 25 de mai sus ilustrează un circuit oscilator cu undă sinusoidală convențională care încorporează un amplificator operațional. Un circuit twin-T care servește ca filtru de respingere a benzii (sau crestătură) servește drept rețea de feedback. Condensatorul C1 și rezistențele R1 și R2 alcătuiesc un T. C2, C3, R3 și R4 alcătuiesc celălalt T. Schema îl are inversat. Valorile componentelor trebuie să aibă următoarele relații pentru ca acest circuit să funcționeze corect:
Următoarea formulă determină frecvența de ieșire:
F = 1/(6,28 x R1 x C2)
Prin schimbarea valorii lui R4, reglarea rețelei de feedback twin-T ar putea fi oarecum modificată. De obicei, acesta ar putea fi un potențiometru de tuns mic. Potențiometrul este setat la cea mai mare rezistență și apoi redus treptat până când circuitul se află în pragul oscilației. Unda sinusoidală de ieșire poate fi coruptă dacă rezistența este ajustată prea scăzut.
SCHMITT TRIGGER
Tehnic vorbind, un declanșator Schmitt poate fi denumit un comparator regenerativ. Funcția sa principală este de a transforma o tensiune de intrare care se schimbă lent într-un semnal de ieșire, la o anumită tensiune de intrare.
Pentru a spune altfel, are o proprietate de „retractie” numită histerezis, care funcționează ca un „declanșator” de tensiune. Amplificatorul operațional devine elementul de bază pentru operația de declanșare Schmitt (vezi Fig. 26 de mai sus). Următorii factori determină tensiunea de declanșare sau de declanșare:
ÎN excursie = (V afară x R1) / (-R1 + R2)
În acest tip de circuit, histerezisul este dublu față de tensiunea de declanșare.
În Fig. 27 de mai jos, este reprezentat un alt circuit de declanșare Schmitt. În acest circuit, se spune că ieșirea este „declanșată” atunci când intrarea de curent continuu atinge aproximativ o cincime din tensiunea de alimentare.
Tensiunea de alimentare poate fi între 6 și 15 volți, prin urmare, în funcție de tensiunea de alimentare aleasă, declanșatorul poate fi setat să funcționeze la 1,2 până la 3 volți. Dacă este necesar, punctul de declanșare real ar putea fi modificat și prin modificarea valorii lui R4.
Ieșirea va fi aceeași cu tensiunea de alimentare imediat ce este declanșată. Dacă ieșirea este atașată la un bec incandescent sau LED (printr-un rezistor de balast în serie), lampa (sau LED-ul) se va aprinde odată ce tensiunea de intrare atinge valoarea de declanșare, indicând faptul că acest nivel precis de tensiune a fost atins la intrare.
Încheierea
Deci acestea au fost câteva circuite de bază pentru amplificatoare operaționale cu parametrii explicați. Sper că ați înțeles toate caracteristicile și formulele legate de un amplificator operațional.
Dacă aveți orice alt design de bază de circuit de amplificator operațional care credeți că trebuie inclus în articolul de mai sus, vă rugăm să nu ezitați să le menționați prin comentariile dvs. de mai jos.
