Gli amplificatori operazionali sono uno dei componenti principali dei moderni dispositivi elettronici analogici. Grazie alla semplicità dei calcoli e agli eccellenti parametri, gli amplificatori operazionali sono facili da usare. Sono anche chiamati amplificatori differenziali perché sono in grado di amplificare la differenza di tensioni di ingresso.
Particolarmente popolare è l'uso di amplificatori operazionali nella tecnologia audio per migliorare il suono degli altoparlanti musicali.
Designazione sui diagrammi
Di solito cinque pin escono dalla custodia dell'amplificatore, di cui due pin sono ingressi, uno è un'uscita, gli altri due sono alimentazione.
Principio operativo
Ci sono due regole per capire come funziona un amplificatore operazionale:
- L'uscita dell'amplificatore operazionale tende a zero la differenza di tensione agli ingressi.
- Gli ingressi dell'amplificatore non assorbono corrente.
Il primo input è contrassegnato con "+", è chiamato non invertente. Il secondo ingresso è contrassegnato con un segno "-", è considerato invertente.
Gli ingressi dell'amplificatore hanno un'elevata resistenza chiamata impedenza. Ciò consente di consumare corrente agli ingressi di diversi nanoampere. All'ingresso, viene stimata l'entità delle sollecitazioni. A seconda di questa stima, l'amplificatore emette un segnale amplificato.
Di grande importanza è il guadagno, che a volte raggiunge il milione. Ciò significa che se all'ingresso viene applicato almeno 1 millivolt, la tensione di uscita sarà uguale alla tensione di alimentazione dell'amplificatore. Pertanto, gli operazionali non vengono utilizzati senza feedback.
Gli ingressi dell'amplificatore funzionano secondo il seguente principio: se la tensione all'ingresso non invertente è superiore alla tensione dell'ingresso invertente, l'uscita sarà la tensione più positiva. Nella situazione opposta, l'output sarà il valore negativo più grande.
La tensione negativa e positiva all'uscita dell'amplificatore operazionale è possibile grazie all'uso di un alimentatore che ha una tensione bipolare divisa.
Potenza dell'amplificatore operazionale
Se prendi una batteria da penna, allora ha due poli: positivo e negativo. Se il polo negativo è considerato come punto di riferimento zero, il polo positivo mostrerà +1,5 V. Questo può essere visto dal collegato.
Prendi due elementi e collegali in serie, quindi si ottiene l'immagine seguente.
Se prendiamo il polo negativo della batteria inferiore come punto zero e misuriamo la tensione al polo positivo della batteria superiore, il dispositivo mostrerà +10 volt.
Se prendiamo il punto medio tra le batterie come zero, otteniamo una sorgente di tensione bipolare, poiché esiste una tensione di polarità positiva e negativa, rispettivamente pari a +5 volt e -5 volt.
Esistono semplici schemi a blocchi di alimentazione divisa utilizzati nei progetti di radioamatori.
L'alimentazione viene fornita al circuito dalla rete domestica. Il trasformatore riduce la corrente a 30 volt. L'avvolgimento secondario nel mezzo ha un ramo, con l'aiuto del quale si ottengono +15 V e -15 V della tensione rettificata in uscita.
Varietà
Esistono diversi circuiti di amplificatori operazionali che vale la pena considerare in dettaglio.
Amplificatore invertente
Questo schema è il principale. Una caratteristica di questo circuito è che gli operazionali sono caratterizzati, oltre all'amplificazione, da un cambio di fase. La lettera "k" sta per il parametro di guadagno. Il grafico mostra l'influenza dell'amplificatore in questo circuito.
Il colore blu rappresenta il segnale di ingresso e il colore rosso rappresenta il segnale di uscita. Il guadagno in questo caso è: k = 2. L'ampiezza del segnale in uscita è 2 volte maggiore del segnale in ingresso. L'uscita dell'amplificatore è invertita, da cui il nome. Gli amplificatori operazionali invertenti hanno un circuito semplice:
Tali amplificatori operazionali sono diventati popolari grazie al loro design semplice. Per calcolare il guadagno si usa la formula:
Questo mostra che il guadagno dell'opamp non dipende dalla resistenza R3, quindi puoi farne a meno. Qui è usato per la protezione.
Amplificatori operazionali non invertenti
Questo schema è simile al precedente, la differenza è l'assenza di inversione (inversione) del segnale. Ciò significa che la fase del segnale è preservata. Il grafico mostra un segnale amplificato.
Anche il guadagno dell'amplificatore non invertente è pari a: k = 2. All'ingresso viene applicato un segnale a forma di sinusoide, all'uscita è cambiata solo la sua ampiezza.
Questo circuito non è meno semplice del precedente, ha due resistenze. All'ingresso, il segnale viene applicato all'uscita positiva. Per calcolare il guadagno, è necessario utilizzare la formula:
Da esso si può vedere che il guadagno non è mai inferiore all'unità, poiché il segnale non viene soppresso.
schema di sottrazione
Questo circuito permette di creare una differenza tra due segnali di ingresso, che possono essere amplificati. Il grafico mostra il principio di funzionamento del circuito differenziale.
Tale circuito amplificatore è anche chiamato circuito di sottrazione.
Ha un design più complesso, in contrasto con gli schemi precedentemente discussi. Per calcolare la tensione di uscita, utilizzare la formula:
Il lato sinistro dell'espressione (R3/R1) determina il guadagno e il lato destro (Ua - Ub) è la differenza di tensione.
Schema di aggiunta
Tale circuito è chiamato amplificatore integrato. È l'opposto dello schema di sottrazione. La sua caratteristica è la capacità di elaborare più di due segnali. Tutti i mixer audio funzionano secondo questo principio.
Questo diagramma mostra la possibilità di sommare più segnali. Per calcolare la tensione si usa la formula:
Circuito integratore
Se aggiungi un condensatore nel feedback al circuito, ottieni un integratore. Questo è un altro dispositivo che utilizza amplificatori operazionali.
Il circuito integratore è simile a un amplificatore invertente, con capacità aggiunta al feedback. Ciò porta alla dipendenza del sistema dalla frequenza del segnale in ingresso.
L'integratore è caratterizzato da una caratteristica interessante della transizione tra i segnali: prima un segnale rettangolare viene convertito in uno triangolare, poi diventa sinusoidale. Il calcolo del fattore di amplificazione viene effettuato secondo la formula:
In questa formula, la variabile ω = 2 π f aumenta con l'aumentare della frequenza, quindi, maggiore è la frequenza, minore è il guadagno. Pertanto, l'integratore può agire come un filtro passa basso attivo.
circuito differenziatore
In questo schema, la situazione è ribaltata. Una capacità è collegata all'ingresso e una resistenza è collegata al feedback.
A giudicare dal nome dello schema, il suo principio di funzionamento sta nella differenza. Maggiore è la velocità di variazione del segnale, maggiore è il valore del guadagno. Questo parametro permette di creare filtri attivi per le alte frequenze.
Il guadagno per il differenziatore è calcolato dalla formula:
Questa espressione è l'opposto dell'espressione dell'integratore. Il guadagno aumenta in direzione negativa con l'aumentare della frequenza.
comparatore analogico
Il dispositivo comparatore confronta due valori di tensione e trasforma il segnale in un valore di uscita basso o alto, a seconda dello stato della tensione. Questo sistema include elettronica digitale e analogica.
Una caratteristica di questo sistema è la mancanza di feedback nella versione principale. Ciò significa che la resistenza del loop è molto alta.
Un segnale viene applicato all'ingresso positivo e la tensione principale, impostata da un potenziometro, viene applicata all'ingresso negativo. A causa della mancanza di feedback, il guadagno tende all'infinito.
Quando la tensione di ingresso supera il valore della tensione di riferimento principale, in uscita si ottiene la tensione massima, che è uguale alla tensione di alimentazione positiva. Se la tensione di ingresso è inferiore al riferimento, il valore di uscita sarà una tensione negativa uguale alla tensione di alimentazione.
C'è un difetto significativo nel circuito del comparatore analogico. Quando i valori di tensione ai due ingressi si avvicinano, la tensione di uscita può variare frequentemente, il che di solito porta a salti e malfunzionamenti del relè. Ciò potrebbe causare il malfunzionamento dell'apparecchiatura. Per risolvere questo problema viene utilizzato un circuito con isteresi.
Comparatore analogico con isteresi
La figura mostra un diagramma dell'azione del circuito c, che è simile al circuito precedente. La differenza è che lo spegnimento e l'accensione non avvengono alla stessa tensione.
La direzione delle frecce sul grafico indica la direzione in cui si muove l'isteresi. Osservando il grafico da sinistra verso destra, si può notare che il passaggio ad un livello inferiore avviene alla tensione Uph, e spostandosi da destra verso sinistra la tensione di uscita raggiungerà un livello più alto alla tensione Upl.
Questo principio di funzionamento porta al fatto che a parità di valori delle tensioni di ingresso, lo stato in uscita non cambia, poiché la modifica richiede una differenza di tensione significativa.
Tale funzionamento del circuito porta ad una certa inerzia del sistema, ma è più sicuro, a differenza del circuito senza isteresi. Tipicamente, questo principio di funzionamento viene utilizzato nei dispositivi di riscaldamento con termostato: stufe, ferri da stiro, ecc. La figura mostra un circuito amplificatore con isteresi.
Le sollecitazioni sono calcolate in base alle seguenti dipendenze:
Ripetitori di tensione
Gli amplificatori operazionali sono spesso utilizzati nei circuiti inseguitori di tensione. La caratteristica principale di questi dispositivi è che non amplificano o attenuano il segnale, ovvero il guadagno in questo caso è pari a uno. Questa caratteristica è dovuta al fatto che il circuito di retroazione ha una resistenza pari a zero.
Tali sistemi di inseguitori di tensione vengono spesso utilizzati come buffer per aumentare la corrente di carico e le prestazioni del dispositivo. Poiché la corrente di ingresso è prossima allo zero e la corrente di uscita dipende dal tipo di amplificatore, è possibile scaricare sorgenti di segnale deboli, ad esempio alcuni sensori.
È stato dimostrato che quando si utilizza un amplificatore operazionale in vari circuiti di commutazione, il guadagno dello stadio su un amplificatore operazionale (amplificatore operazionale) dipende solo dalla profondità del feedback. Pertanto, nelle formule per determinare il guadagno di un particolare circuito, il guadagno dell'amplificatore operazionale "nudo" stesso, per così dire, non viene utilizzato. Questo è solo l'enorme coefficiente indicato nei libri di riferimento.
Quindi è del tutto appropriato porre la domanda: "Se il risultato finale (guadagno) non dipende da questo enorme coefficiente di "riferimento", allora qual è la differenza tra un amplificatore operazionale con un guadagno di diverse migliaia di volte e con il stesso amplificatore operazionale, ma con un guadagno di diverse centinaia di migliaia e persino milioni?
La risposta è abbastanza semplice. In entrambi i casi il risultato sarà lo stesso, il guadagno della cascata sarà determinato dagli elementi OOS, ma nel secondo caso (amplificatore operazionale ad alto guadagno) il circuito lavora in modo più stabile, più preciso, la velocità di tale circuiti è molto più alto. Non per niente gli amplificatori operazionali si dividono in amplificatori operazionali per uso generale e amplificatori ad alta precisione e precisione.
Come già accennato, gli amplificatori “operativi” in questione hanno ricevuto il loro nome in quel lontano periodo, quando erano utilizzati principalmente per eseguire operazioni matematiche in computer analogici (AVM). Queste erano le operazioni di addizione, sottrazione, moltiplicazione, divisione, quadratura e molte altre funzioni.
Questi amplificatori operazionali antidiluviani sono stati eseguiti su tubi a vuoto, successivamente su transistor discreti e altri componenti radio. Naturalmente, le dimensioni anche degli amplificatori operazionali a transistor erano abbastanza grandi da poter essere utilizzati in progetti amatoriali.
E solo dopo che, grazie ai risultati dell'elettronica integrata, gli amplificatori operazionali sono diventati delle dimensioni di un normale transistor a bassa potenza, l'uso di queste parti in apparecchiature domestiche e circuiti amatoriali è diventato giustificato.
A proposito, i moderni amplificatori operazionali, anche di qualità piuttosto elevata, hanno un prezzo leggermente superiore a due o tre transistor. Questa affermazione riguarda OU di uso generale. Gli amplificatori di precisione possono costare un po' di più.
Per quanto riguarda i circuiti dell'amplificatore operazionale, vale la pena notare subito che sono tutti progettati per essere alimentati da una fonte di alimentazione bipolare. Questa modalità è la più "familiare" per l'amplificatore operazionale, consentendo di amplificare non solo i segnali di tensione CA, come una sinusoide, ma anche i segnali CC o semplicemente la tensione.
Eppure, molto spesso, l'alimentazione dei circuiti sull'amplificatore operazionale è prodotta da una sorgente unipolare. È vero, in questo caso non è possibile aumentare la tensione costante. Ma capita spesso che questo semplicemente non sia necessario. Gli schemi con potenza unipolare saranno discussi in seguito, ma per ora continuiamo sui circuiti di commutazione dell'amplificatore operazionale con potenza bipolare.
La tensione di alimentazione della maggior parte degli amplificatori operazionali è molto spesso entro ± 15 V. Ma questo non significa affatto che questa tensione non possa essere ridotta un po' (più alta non è consigliata). Molti amplificatori operazionali funzionano in modo molto stabile a partire da ± 3 V e alcuni modelli anche ± 1,5 V. Questa possibilità è indicata nella documentazione tecnica (DataSheet).
Seguace di tensione
È il dispositivo più semplice in termini di circuiti su un amplificatore operazionale, il suo circuito è mostrato nella Figura 1.
Figura 1. Circuito inseguitore di tensione dell'amplificatore operazionale
È facile vedere che per creare un circuito del genere non era necessario un singolo dettaglio, ad eccezione dell'amplificatore operazionale vero e proprio. È vero, la figura non mostra la connessione di alimentazione, ma si trova sempre un tale design dei circuiti. L'unica cosa che vorrei notare è che tra i terminali di alimentazione dell'amplificatore operazionale (ad esempio, per l'amplificatore operazionale KR140UD708, questi sono i pin 7 e 4) e un filo comune dovrebbe essere collegato con una capacità di 0,01 . .. 0,5 μF.
Il loro scopo è rendere più stabile il funzionamento dell'amplificatore operazionale, per eliminare l'autoeccitazione del circuito nei circuiti di alimentazione. I condensatori devono essere collegati il più vicino possibile ai pin di alimentazione del microcircuito. A volte un condensatore è collegato in base a un gruppo di diversi microcircuiti. Gli stessi condensatori possono essere visti su schede con microcircuiti digitali, il loro scopo è lo stesso.
Il guadagno del ripetitore è uguale a uno o, per dirla in altro modo, non c'è alcun guadagno. Allora perché è necessario un tale schema? Qui è del tutto appropriato ricordare che esiste un circuito a transistor, un inseguitore di emettitore, il cui scopo principale è abbinare cascate con diverse impedenze di ingresso. Tali cascate (ripetitori) sono anche chiamate buffer.
L'impedenza di ingresso del follower sull'amplificatore operazionale viene calcolata come il prodotto dell'impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale e del suo guadagno. Ad esempio, per il citato UD708, l'impedenza di ingresso è di circa 0,5 MΩ, il guadagno è di almeno 30.000 e forse di più. Se questi numeri vengono moltiplicati, la resistenza di ingresso è 15 GΩ, che è paragonabile alla resistenza di un isolamento di qualità non molto elevata, come la carta. È improbabile che un risultato così elevato possa essere ottenuto con un inseguitore di emettitore convenzionale.
Affinché le descrizioni non siano in dubbio, di seguito verranno fornite figure che mostrano il funzionamento di tutti i circuiti descritti nel programma del simulatore Multisim. Naturalmente, tutti questi circuiti possono essere assemblati su breadboard, ma sullo schermo del monitor non si ottengono risultati peggiori.
In realtà, qui è anche un po' meglio: non devi arrampicarti da qualche parte su uno scaffale per cambiare un resistore o un microcircuito. Qui tutto, anche gli strumenti di misura, è nel programma e si “accede” con l'ausilio di un mouse o di una tastiera.
La figura 2 mostra un circuito ripetitore realizzato nel programma Multisim.
Figura 2.
Lo studio dello schema è abbastanza semplice. Un segnale sinusoidale con una frequenza di 1KHz e un'ampiezza di 2V viene applicato all'ingresso del ripetitore dal generatore di funzioni, come mostrato in Figura 3.
Figura 3
Il segnale all'ingresso e all'uscita del ripetitore viene osservato da un oscilloscopio: il segnale in ingresso viene visualizzato come un raggio blu, il raggio in uscita è rosso.
Figura 4
E perché, si chiederà il lettore attento, il segnale in uscita (rosso) è il doppio del blu in ingresso? Tutto è molto semplice: con la stessa sensibilità dei canali dell'oscilloscopio, entrambe le sinusoidi con la stessa ampiezza e fase si fondono in una, si nascondono l'una dietro l'altra.
Per vederli entrambi contemporaneamente, ho dovuto ridurre la sensibilità di uno dei canali, in questo caso quello di ingresso. Di conseguenza, l'onda sinusoidale blu è diventata esattamente la metà delle dimensioni dello schermo e ha smesso di nascondersi dietro quella rossa. Anche se, per ottenere un risultato simile, puoi semplicemente spostare i raggi con i controlli dell'oscilloscopio, lasciando la stessa sensibilità dei canali.
Entrambe le sinusoidi si trovano simmetricamente rispetto all'asse del tempo, il che indica che la componente costante del segnale è zero. Ma cosa succede se al segnale di ingresso viene aggiunta una piccola componente costante? Il generatore virtuale consente di spostare la sinusoide lungo l'asse Y. Proviamo a spostarla verso l'alto di 500 mV.
Figura 5
Ciò che ne è venuto fuori è mostrato nella Figura 6.
Figura 6
È evidente che le sinusoidi di ingresso e di uscita sono aumentate di mezzo volt, senza cambiare affatto. Ciò indica che il ripetitore ha trasmesso accuratamente la componente CC del segnale. Ma molto spesso cercano di sbarazzarsi di questo componente costante, renderlo uguale a zero, il che consente di evitare l'uso di elementi del circuito come condensatori di isolamento interstadio.
Un ripetitore è, ovviamente, buono e persino bello: non era necessario un singolo dettaglio aggiuntivo (sebbene ci siano circuiti ripetitori con piccole "aggiunte"), ma non hanno ottenuto alcuna amplificazione. Qual è l'amplificatore allora? Per ottenere un amplificatore è sufficiente aggiungere solo alcuni dettagli, come fare questo verrà descritto più avanti.
Amplificatore invertente
Affinché l'amplificatore operazionale risulti essere un amplificatore invertente, è sufficiente aggiungere solo due resistori. Ciò che ne è venuto fuori è mostrato nella Figura 7.
Figura 7. Schema di un amplificatore invertente
Il guadagno di un tale amplificatore è calcolato dalla formula K=-(R2/R1). Il segno meno non significa che l'amplificatore si è rivelato cattivo, ma solo che il segnale di uscita sarà in fase opposta all'ingresso. Non c'è da stupirsi che l'amplificatore si chiami invertente. Qui sarebbe opportuno ricordare un transistor collegato secondo un circuito con OE. Anche qui il segnale di uscita al collettore del transistor è in antifase con il segnale di ingresso applicato alla base.
È qui che vale la pena ricordare quanto sforzo devi fare per ottenere una sinusoide pulita e non distorta sul collettore del transistor. È necessario selezionare di conseguenza la polarizzazione in base al transistor. Questo di solito è abbastanza difficile, a seconda di molti parametri.
Quando si utilizza un amplificatore operazionale, è sufficiente calcolare semplicemente la resistenza dei resistori secondo la formula e ottenere il guadagno dato. Si scopre che la configurazione di un circuito di amplificazione operazionale è molto più semplice rispetto alla configurazione di più stadi a transistor. Pertanto, non si dovrebbe aver paura che lo schema non funzioni, non funzionerà.
Figura 8
Qui tutto è come nelle figure precedenti: il segnale di ingresso è mostrato in blu, è dopo l'amplificatore in rosso. Tutto corrisponde alla formula K=-(R2/R1). Il segnale di uscita è sfasato rispetto al segnale di ingresso (che corrisponde al segno meno nella formula) e l'ampiezza del segnale di uscita è esattamente il doppio del segnale di ingresso. Il che vale anche per il rapporto (R2/R1)=(20/10)=2. Per rendere il guadagno, ad esempio, 10, è sufficiente aumentare la resistenza del resistore R2 a 100KΩ.
In effetti, il circuito dell'amplificatore invertente può essere leggermente più complicato, tale opzione è mostrata in Figura 9.
Figura 9
Qui è apparsa una nuova parte: il resistore R3 (piuttosto, è semplicemente scomparso dal circuito precedente). Il suo scopo è quello di compensare le correnti di ingresso di un vero amplificatore operazionale al fine di ridurre l'instabilità di temperatura della componente CC all'uscita. Il valore di questa resistenza viene scelto secondo la formula R3=R1*R2/(R1+R2).
I moderni amplificatori operazionali altamente stabili consentono di collegare un ingresso non invertente a un filo comune direttamente senza resistore R3. Sebbene la presenza di questo elemento non faccia nulla di male, ma nell'attuale scala di produzione, quando risparmiano su tutto, preferiscono non installare questo resistore.
Le formule per il calcolo dell'amplificatore invertente sono mostrate in Figura 10. Perché in figura? Sì, solo per chiarezza, in una riga di testo non sembrerebbero così familiari e comprensibili, non sarebbero così evidenti.
Figura 10.
Il fattore di amplificazione è stato menzionato in precedenza. Qui, solo le resistenze di ingresso e di uscita di un amplificatore non invertente meritano attenzione. Tutto sembra essere chiaro con la resistenza di ingresso: risulta essere uguale alla resistenza del resistore R1, ma la resistenza di uscita dovrà essere calcolata utilizzando la formula mostrata in Figura 11.
La lettera K” indica il coefficiente di riferimento dell'OC. Qui, per favore, calcola a cosa sarà uguale l'impedenza di uscita. Risulterà essere una cifra piuttosto piccola, anche per un amplificatore operazionale medio di tipo UD7 con il suo K "pari a non più di 30.000. In questo caso, questo è un bene: dopotutto, minore è l'impedenza di uscita della cascata (questo vale non solo per le cascate di amplificatori operazionali), più potente è il carico, in un ragionevole , ovviamente, entro i limiti, puoi collegarti a questa cascata.
Un'osservazione separata dovrebbe essere fatta sull'unità al denominatore della formula per il calcolo della resistenza di uscita. Supponiamo che il rapporto R2 / R1 sia, ad esempio, 100. È questo rapporto che si otterrà nel caso di un guadagno dell'amplificatore invertente di 100. Si scopre che se questa unità viene scartata, nulla cambierà molto. In realtà, questo non è vero.
Supponiamo che la resistenza del resistore R2 sia zero, come nel caso del follower. Quindi, senza unità, l'intero denominatore diventa zero e la resistenza di uscita sarà lo stesso zero. E se in seguito questo zero risulta essere da qualche parte nel denominatore della formula, come si ordina di dividere per esso? Pertanto, è semplicemente impossibile sbarazzarsi di questa unità apparentemente insignificante.
In un articolo, anche abbastanza grande, non puoi scrivere tutto. Pertanto, tutto ciò che non si adattava al prossimo articolo dovrà essere raccontato. Ci sarà una descrizione di un amplificatore non invertente, un amplificatore differenziale, un amplificatore a singola alimentazione. Verrà inoltre fornita una descrizione di semplici circuiti per il controllo dell'amplificatore operazionale.
Ha aperto una serie di articoli sugli elementi costitutivi della moderna elettronica analogica: gli amplificatori operazionali. È stata data la definizione degli amplificatori operazionali e di alcuni parametri, nonché la classificazione degli amplificatori operazionali. Questo articolo rivelerà un tale concetto come un amplificatore operazionale ideale e verranno forniti gli schemi principali per l'accensione di un amplificatore operazionale.
Amplificatore operazionale ideale e sue proprietà
Poiché il nostro mondo non è l'ideale, non esistono amplificatori operazionali ideali. Tuttavia, i parametri dei moderni amplificatori operazionali sono a un livello abbastanza alto, quindi l'analisi dei circuiti con amplificatori operazionali ideali fornisce risultati molto vicini ai veri amplificatori.
Per comprendere il funzionamento dei circuiti con amplificatori operazionali, vengono introdotte una serie di ipotesi che portano i veri amplificatori operazionali ad amplificatori ideali. Ci sono solo cinque di queste ipotesi:
- Si presume che la corrente che scorre attraverso gli ingressi dell'amplificatore operazionale sia zero.
- Si presume che il guadagno dell'amplificatore operazionale sia infinitamente grande, ovvero la tensione di uscita dell'amplificatore può raggiungere qualsiasi valore, ma in realtà è limitato dalla tensione di alimentazione.
- La differenza di tensione tra gli ingressi di un amplificatore operazionale ideale è zero, ovvero se una delle uscite è collegata a terra, la seconda uscita ha lo stesso potenziale. Ne consegue anche che l'impedenza di ingresso di un amplificatore ideale è infinita.
- L'impedenza di uscita di un amplificatore operazionale ideale è zero.
- La risposta in frequenza di un amplificatore operazionale ideale è piatta, ovvero il guadagno è indipendente dalla frequenza del segnale di ingresso.
La vicinanza dei parametri di un vero amplificatore operazionale all'ideale determina la precisione con cui questo amplificatore operazionale può funzionare, oltre a scoprire il valore di un particolare amplificatore operazionale, fare rapidamente e correttamente la scelta di un amplificatore operazionale adatto.
Sulla base delle ipotesi di cui sopra, diventa possibile analizzare e derivare relazioni per i principali circuiti di commutazione dell'amplificatore operazionale.
Circuiti di base per l'accensione di un amplificatore operazionale
Come accennato nell'articolo precedente, gli amplificatori operazionali funzionano solo con feedback, il cui tipo determina se l'amplificatore operazionale funziona in modalità lineare o in modalità saturazione. Il feedback dall'uscita di un amplificatore operazionale al suo ingresso invertente si traduce in genere in un funzionamento lineare dell'amplificatore operazionale, mentre il feedback dall'uscita dell'amplificatore operazionale al suo ingresso non invertente o il funzionamento ad anello aperto provoca la saturazione dell'amplificatore .
Amplificatore non invertente
Un amplificatore non invertente è caratterizzato dal fatto che il segnale di ingresso viene applicato all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale. Questo schema elettrico è mostrato di seguito.
Il funzionamento di questo circuito è spiegato come segue, tenendo conto delle caratteristiche di un amplificatore operazionale ideale. Il segnale viene inviato a un amplificatore con impedenza di ingresso infinita e la tensione all'ingresso non invertente è la stessa della tensione all'ingresso invertente. La corrente all'uscita dell'amplificatore operazionale crea una tensione attraverso il resistore R2 uguale alla tensione di ingresso.
Pertanto, i parametri principali di questo schema sono descritti dalla seguente relazione
Da qui si ricava la relazione per il guadagno di un amplificatore non invertente
Pertanto, possiamo concludere che il guadagno è influenzato solo dai rating delle componenti passive.
Va notato un caso speciale in cui il resistore R2 è molto più grande di R1 (R2 >> R1), quindi il guadagno tenderà all'unità. In questo caso, il circuito dell'amplificatore non invertente diventa un buffer analogico o un op-follower unitario con un'impedenza di ingresso molto elevata e un'impedenza di uscita praticamente nulla. Ciò fornisce un efficace disaccoppiamento di input e output.
Amplificatore invertente
Un amplificatore invertente è caratterizzato dal fatto che l'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale è collegato a massa (cioè collegato a un pin di alimentazione comune). In un amplificatore operazionale ideale, la differenza di tensione tra gli ingressi dell'amplificatore è zero. Pertanto, il circuito di retroazione deve garantire che anche la tensione all'ingresso invertente sia uguale a zero. Il circuito dell'amplificatore invertente è mostrato di seguito.
Il funzionamento del circuito è spiegato come segue. La corrente che scorre attraverso l'uscita invertente in un amplificatore operazionale ideale è zero, quindi le correnti che fluiscono attraverso i resistori R1 e R2 sono uguali tra loro e opposte in direzione, quindi la relazione principale sarà
Quindi il guadagno di questo circuito sarà uguale a
Il segno meno in questa formula indica che il segnale all'uscita del circuito è invertito rispetto al segnale di ingresso.
Integratore
L'integratore consente di implementare un circuito in cui la variazione della tensione di uscita è proporzionale al segnale di ingresso. Il diagramma dell'integratore di amplificatori operazionali più semplice è mostrato di seguito.
Integratore di amplificatori operazionali.
Questo circuito implementa l'operazione di integrazione sul segnale di ingresso. Ho già considerato schemi di integrazione per vari segnali utilizzando integratori. L'integratore implementa una modifica simile nel segnale di ingresso, ma presenta numerosi vantaggi rispetto all'integrazione delle catene. In primo luogo, i circuiti RC e RL attenuano significativamente il segnale di ingresso e, in secondo luogo, hanno un'impedenza di uscita elevata.
Pertanto, le principali relazioni calcolate dell'integratore sono simili ai circuiti integrati RC e RL e la tensione di uscita sarà
Gli integratori sono ampiamente utilizzati in molti dispositivi analogici come filtri attivi e sistemi di controllo automatico.
Differenziatore
Il differenziatore è l'opposto dell'integratore, ovvero il segnale di uscita è proporzionale alla velocità di variazione del segnale di ingresso. Di seguito è mostrato il circuito del differenziatore più semplice.
Il differenziatore attua l'operazione di differenziazione sul segnale di ingresso ed è simile all'azione dei differenziatori, inoltre ha parametri migliori rispetto alle catene RC e RL: praticamente non attenua il segnale di ingresso e ha un'impedenza di uscita molto più bassa. I principali rapporti calcolati e la risposta ai vari impulsi sono simili alle catene di differenziazione.
La tensione di uscita sarà
Un circuito di amplificazione operazionale che ha trovato impiego è il convertitore logaritmico. Questo circuito utilizza la proprietà o transistor bipolare. Il diagramma del convertitore logaritmico più semplice è presentato di seguito.
Questo circuito viene utilizzato principalmente come compressore di segnale per aumentare la gamma dinamica, nonché per eseguire funzioni matematiche.
Considera il principio di funzionamento del convertitore logaritmico. Come sapete, la corrente che scorre attraverso il diodo è descritta dalla seguente espressione
dove I O è la corrente inversa del diodo,
e è il numero e, la base del logaritmo naturale, e ≈ 2,72,
q è la carica dell'elettrone,
U è la tensione ai capi del diodo,
k è la costante di Boltzmann,
T è la temperatura in gradi Kelvin.
Durante il calcolo, puoi prendere I O ≈ 10-9 A, kT / q = 25 mV. Pertanto, la corrente di ingresso di questo circuito sarà
quindi la tensione di uscita
Il convertitore logaritmico più semplice non viene praticamente utilizzato, poiché presenta una serie di gravi inconvenienti:
- Alta sensibilità alla temperatura.
- Il diodo non fornisce una precisione di conversione sufficiente, poiché la relazione tra la caduta di tensione e la corrente del diodo non è del tutto logaritmica.
Di conseguenza, al posto dei diodi, vengono utilizzati nella commutazione dei diodi o con una base collegata a terra.
Il circuito del convertitore esponenziale si ottiene dal convertitore logaritmico cambiando la posizione del diodo e del resistore nel circuito. E il funzionamento di un tale circuito, così come un convertitore logaritmico, si basa sulla relazione logaritmica tra la caduta di tensione attraverso il diodo e la corrente che scorre attraverso il diodo. Il circuito del convertitore esponenziale è mostrato di seguito
Il funzionamento del circuito è descritto da espressioni ben note
Quindi la tensione di uscita sarà
Oltre a un convertitore logaritmico, viene utilizzato raramente il convertitore esponenziale più semplice con un diodo in ingresso, per i motivi sopra descritti, quindi, al posto dei diodi in ingresso, vengono utilizzati transistor bipolari in una connessione a diodo o con una base comune .
Amplificatori di potenza. Circuiti lineari sul sistema operativo.
L'amplificatore operazionale è ampiamente utilizzato nei dispositivi elettronici analogici. Conviene considerare le funzioni implementate dalla CO con OOS se rappresentiamo la CO come un modello ideale, in cui:
- La resistenza di ingresso dell'amplificatore operazionale è uguale all'infinito, le correnti degli elettrodi di ingresso sono uguali a zero (Rin > ∞, i+ = i- = 0).
- L'impedenza di uscita dell'amplificatore operazionale è zero, cioè l'amplificatore operazionale sul lato di ingresso è una sorgente di tensione ideale (Rout = 0).
- Il guadagno di tensione (guadagno di tensione del segnale differenziale) è infinito e il segnale differenziale in modalità guadagno è zero (non è consentito cortocircuitare i pin dell'amplificatore operazionale).
- In modalità saturazione, la tensione di uscita è uguale in grandezza alla tensione di alimentazione e il segno è determinato dalla polarità della tensione di ingresso. È utile prestare attenzione al fatto che in modalità saturazione il segnale differenziale non può sempre essere considerato uguale a zero.
- Il segnale di modo comune non agisce sull'amplificatore operazionale.
- La tensione di offset zero è zero.
Amplificatore invertente op-amp
Il circuito di un amplificatore invertente coperto da una retroazione di tensione parallela è mostrato nelle figure:
L'OOS viene implementato collegando l'uscita dell'amplificatore all'ingresso con il resistore R2.
All'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale, le correnti vengono sommate. Poiché la corrente di ingresso dell'amplificatore operazionale i- \u003d 0, quindi i1 \u003d i2. Poiché i1 = Uin /R1 e i2 = -Uout /R2, allora . Ku = = -R2/R1. Il segno "-" indica che il segno della tensione di ingresso è invertito.
Nella figura (b), un resistore R3 è incluso nel circuito di ingresso non invertente per ridurre l'influenza delle correnti di ingresso dell'amplificatore operazionale, la cui resistenza è determinata dall'espressione:
L'impedenza di ingresso dell'amplificatore alle basse frequenze è di circa Rin.os = ≈ R1
L'impedenza di uscita Rout.os = significativamente inferiore a Rout dell'amplificatore operazionale stesso.
Amplificatore op-amp non invertente
Il circuito di un amplificatore non invertente coperto da una retroazione di tensione in serie è mostrato in figura:
OOS è implementato utilizzando resistori R1, R2.
Utilizzando le ipotesi precedentemente accettate per il modello ideale, otteniamo
Impedenza di ingresso: Rin.os → ∞
Impedenza di uscita: Rout.os = → 0
Lo svantaggio dell'amplificazione è la presenza di un segnale di modo comune agli ingressi, pari a Uin.
Seguace di tensione dell'amplificatore operazionale
Il circuito inseguitore ottenuto dal circuito dell'amplificatore non invertente, con R1 → ∞, R2 → 0, è mostrato in figura:
Coefficiente β = 1, Ku.os = K/1+K ≈ 1, cioè la tensione all'ingresso e all'uscita dell'amplificatore operazionale sono uguali: Uin \u003d Uout .
Sommatore di tensione dell'amplificatore operazionale (sommatore invertente)
Nella figura è mostrato un circuito amplificatore invertente con circuiti di ingresso aggiuntivi:
Considerando che i+ = i- = 0, ioc = - Uout /Ros = Uin1 /R1 + Uin2 /R2 + ... + Uinn /Rn, otteniamo: Uout = -Ros (Uin1 /R1 + Uin2 /R2 + .. .+Uin /Rn)
Se Ros = R1 = R2 = ... = Rn, allora Uout = - (Uin1 + Uin2 + ... + Uinn).
Il sistema operativo funziona in modalità lineare.
Per ridurre l'influenza delle correnti di ingresso dell'amplificatore operazionale, un resistore Re è incluso nel circuito di ingresso non invertente (mostrato in linea tratteggiata nella figura) con resistenza: Re = R1//R2//…//Rn //Roc.
Amplificatore sottrattivo dell'amplificatore operazionale
Il circuito dell'amplificatore con ingresso differenziale è mostrato in figura:
L'amplificatore è una combinazione di amplificatori invertenti e non invertenti. Nel caso in esame, la tensione di uscita è determinata dall'espressione:
Uout = Uin2 R3/(R3+R4) (1+R2/R1) - Uin1 R2/R1
Con R1 = R2 = R3 = R4: Uout = Uin2 - Uin1 - es. dipende dalla differenza tra i segnali di ingresso.
Amplificatore integrato sull'amplificatore operazionale
Il circuito integratore, in cui è installato un condensatore nel circuito OOS, è mostrato in figura:
Si immetta un impulso rettangolare Uin in ingresso. All'intervallo t1...t2, l'ampiezza Uin è uguale a U. Poiché la corrente di ingresso dell'amplificatore operazionale è zero, allora |iin | = |-ic |, iin = Uin /R1, ic = C dUout /dt.
Uin /R1 = C dUout /dt o 
dove Uout (0) è la tensione in uscita (condensatore C) al momento dell'inizio dell'integrazione (all'istante t1).
τ = R1 C è la costante di tempo di integrazione, cioè il tempo durante il quale Uout cambierà del valore ΔUout = U.
Pertanto, la tensione di uscita nell'intervallo t1...t2 cambia linearmente e rappresenta l'integrale della tensione di ingresso. La costante di tempo deve essere tale che fino alla fine dell'integrazione Uout< Eпит .
Amplificatore differenziale
Scambiando R1 e C1 nell'integrale, otteniamo un circuito amplificatore differenziante:
Per analogia con l'amplificatore integratore, scriviamo:
Ic = C dUin /dt, IR2 = -Uout /R
Perché |ic | = |-IR2 |, quindi Uout = - CR dUin /dt
τ = CR è la costante di differenziazione.
L'uso di amplificatori operazionali è lungi dall'essere esaurito dagli schemi di cui sopra.
Filtri attivi
In elettronica, un dispositivo è ampiamente utilizzato per isolare un segnale utile da più segnali di ingresso con un'attenuazione simultanea dei segnali di interferenza attraverso l'uso di filtri.
I filtri si dividono in non passivi, realizzati sulla base di condensatori, induttori e resistori, e attivi basati su transistor e amplificatori operazionali.
Nell'elettronica dell'informazione, i filtri attivi sono comunemente usati. Il termine "attivo" è spiegato dall'inclusione nel circuito RLC: un filtro a elemento attivo (da un transistor o da un amplificatore operazionale) per compensare le perdite sugli elementi passivi.
Un filtro è un dispositivo che trasmette i segnali nella banda passante e li ritarda nel resto della gamma di frequenze.
Per tipo di risposta in frequenza, i filtri sono suddivisi in filtri passa-basso (LPF) e in filtri passa-alto (HPF), filtri passa-banda e filtri notch.
Il diagramma del filtro passa basso più semplice e la sua risposta in frequenza sono mostrati in figura:
Nella larghezza di banda 0 - fc, il segnale utile passa attraverso il filtro passa-basso senza distorsioni.
Fc - fz - fascia di transizione,
fз - ∞ – stopband,
fс – frequenza di taglio,
fz è la frequenza di ritardo.
L'HPF trasmette segnali ad alta frequenza e ritarda i segnali a bassa frequenza.
Il filtro passa-banda fa passare i segnali di una banda di frequenza situata in una parte interna dell'asse di frequenza.
Il circuito del filtro è chiamato ponte di Vienna. Alla frequenza f0 =
Il ponte di Vienna ha un fattore di trasmissione di β = 1/3. Per R1 = R2 = R e C1 = C2 = C
Il filtro notch non trasmette i segnali che si trovano in una determinata banda di frequenza e trasmette i segnali con altre frequenze.
Il circuito del filtro è chiamato doppio ponte a T single-ended.
Dove R1 = R2 = R3 = R, C1 = C2 = C3 = C.
Ad esempio, si consideri un filtro passa basso attivo bipolare (in base al numero di condensatori).
Il sistema operativo funziona in modalità lineare. Quando si calcola, viene fornito fc. Il guadagno in banda passante deve soddisfare la condizione: K0 ≤ 3.
Se prendiamo C1 \u003d C2 \u003d C, R1 \u003d R2 \u003d R, quindi C \u003d 10 / fc, dove fc è in Hz, C è in μF,
Per ottenere una variazione più rapida del guadagno lontano dalla banda passante, tali circuiti sono collegati in serie.
Scambiando i resistori R1, R2 e i condensatori C1, C2, otteniamo l'HPF.
Amplificatori selettivi
Gli amplificatori selettivi consentono di amplificare i segnali in un intervallo di frequenza limitato, evidenziando i segnali utili e attenuando tutti gli altri. Ciò si ottiene utilizzando filtri speciali nel circuito di feedback dell'amplificatore. Lo schema dell'amplificatore selettivo con doppio ponte a T nel circuito di feedback negativo è mostrato in figura:
Il guadagno del filtro (curva 3) diminuisce da 0 a 1. La risposta in frequenza dell'amplificatore è illustrata dalla curva 1. Alla frequenza quasi risonante, il guadagno del filtro nel circuito di feedback negativo è zero, Uout è massimo. Alle frequenze a sinistra ea destra di f0, il guadagno del filtro tende all'unità e Uout = Uin. Pertanto, il filtro estrae la larghezza di banda Δf e l'amplificatore esegue l'operazione di amplificazione analogica.
Oscillatori armonici
Vari tipi di generatori di segnali sono utilizzati nei sistemi di controllo. Un generatore di armoniche è un dispositivo che crea una tensione sinusoidale alternata.
Lo schema a blocchi di un tale generatore è mostrato nella figura:
Non c'è segnale in ingresso. Uout \u003d K · Uos.
Per il verificarsi di oscillazioni sinusoidali, la condizione di autoeccitazione deve essere soddisfatta per una sola frequenza:
K · γ = 1 – equilibrio delle ampiezze,
φ + ψ = 2πn – equilibrio di fase,
dove K è il guadagno dell'amplificatore,
γ è il coefficiente di trasferimento del collegamento di feedback positivo,
φ - sfasamento per l'amplificatore,
ψ - sfasamento per il circuito di retroazione,
n = 0, 1, ...
I principali generatori di segnali sinusoidali sono i filtri, come il ponte di Vienna. Nella figura è mostrato un generatore basato su op-amp contenente un ponte Wien:
Il generatore genera un segnale sinusoidale con una frequenza.
Alla frequenza f0, il guadagno del filtro è β = 1/3. L'amplificatore deve avere un guadagno K ≥ 3, che è impostato dai resistori R1 e R2. Un problema importante è la stabilizzazione dell'ampiezza Uout, che è assicurata mantenendo il resistore R3 e i diodi zener VD1 e VD2. A Uout basso, la tensione su VD1 e VD2 è inferiore alla tensione di stabilizzazione e R3 non viene deviato dai diodi zener. In questo caso, K > 3 e Uout aumentano. Quando la tensione sui diodi zener è uguale alla tensione di stabilizzazione, l'uno o l'altro diodo zener si apre e una coppia di diodi zener devia la resistenza R3. Il guadagno diventa uguale e la tensione Uout inizia a diminuire, il guadagno torna ad essere maggiore di 3 e Uout torna a diminuire, ma nella direzione opposta. In questo modo, i diodi zener prevengono la saturazione.
Quando si utilizza questo generatore, è opportuno collegare il carico attraverso uno stadio buffer.
Materiale per la preparazione alla certificazione
