Cosa sono gli amplificatori operazionali?
Gli amplificatori operazionali sono gli elementi costitutivi di base di Circuiti elettronici analogici . Sono dispositivi lineari con tutte le proprietà di un amplificatore CC. Possiamo usare resistori o condensatori esterni per l'amplificatore operazionale in molti modi diversi per renderli diverse forme di amplificazione come amplificatore invertente, amplificatore non invertente, seguitore di tensione, comparatore, amplificatore differenziale, amplificatore sommatore, integratore ecc. Gli OPAMP possono essere singoli, dual, quad ecc. OPAMP come CA3130, CA3140, TL0 71, LM311 ecc. hanno prestazioni eccellenti con corrente e tensione di ingresso molto basse. L'amplificatore operazionale ideale ha tre terminali importanti oltre ad altri terminali. I terminali di ingresso sono ingresso invertente e ingresso non invertente. Il terzo terminale è l'uscita che può assorbire e generare corrente e tensione. Il segnale di uscita è il guadagno degli amplificatori moltiplicato per il valore del segnale di ingresso.
5 personaggi ideali di un amplificatore operazionale:
1. Guadagno ad anello aperto
Il guadagno ad anello aperto è il guadagno dell'amplificatore operazionale senza feedback positivo o negativo. Un amplificatore operazionale ideale dovrebbe avere un guadagno ad anello aperto infinito ma in genere è compreso tra 20.000 e 2, 00000.
2. Impedenza di ingresso
È il rapporto tra la tensione di ingresso e la corrente di ingresso. Dovrebbe essere infinito senza alcuna dispersione di corrente dall'alimentazione agli ingressi. Ma ci saranno alcune perdite di corrente di Pico ampere nella maggior parte degli amplificatori operazionali.
3. Impedenza di uscita
L'amplificatore operazionale ideale dovrebbe avere un'impedenza di uscita pari a zero senza alcuna resistenza interna. In modo che possa fornire piena corrente al carico collegato all'uscita.
4. Larghezza di banda
L'amplificatore operazionale ideale dovrebbe avere una risposta in frequenza infinita in modo da poter amplificare qualsiasi frequenza dai segnali CC alle frequenze CA più alte. Ma la maggior parte degli amplificatori operazionali ha una larghezza di banda limitata.
5. Offset
L'uscita dell'amplificatore operazionale dovrebbe essere zero quando la differenza di tensione tra gli ingressi è zero. Ma nella maggior parte degli amplificatori operazionali, l'uscita non sarà zero quando è spento ma ci sarà un minuto di tensione da esso.
Configurazione pin OPAMP:
In un tipico amplificatore operazionale ci saranno 8 pin. Questi sono
Pin1 - Offset Null
Pin2 - Ingresso invertente INV
Pin3 - Ingresso non invertente Non-INV
Pin4 - Terra - Alimentazione negativa
Pin5 - Offset Null
Pin6 - Uscita
Pin7 - Alimentazione positiva
Pin8 - Strobo
4 tipi di guadagno in OPAMP:
Guadagno di tensione - Ingresso e uscita di tensione
Guadagno di corrente - Corrente in entrata e Corrente in uscita
Transconduttanza - Ingresso tensione e uscita corrente
Resistenza trans: ingresso corrente e uscita tensione
Funzionamento di un amplificatore operazionale:
Qui abbiamo usato un amplificatore operazionale di LM358. Solitamente si deve dare un ingresso non invertente ad un biasing e l'ingresso invertente è il vero amplificatore collegato a questo ad un feedback di 60k resistivo dall'uscita all'ingresso. E una resistenza da 10k è collegata in serie con un condensatore e viene fornita un'alimentazione di onda sinusoidale da 1V al circuito, ora vedremo come il guadagno sarà governato da R2 / R1 = 60k / 10k = 6 guadagno, quindi l'uscita è 6V . Se cambiamo il guadagno di 40, l'uscita è 4V di onda sinusoidale.
Video sul funzionamento dell'amplificatore operazionale
Normalmente, è un amplificatore a doppia alimentazione, facilmente configurabile per un unico alimentatore mediante l'uso di una rete di resistenze. In questo, i resistori R3 e R4 posizionano una tensione di metà della tensione di alimentazione attraverso l'ingresso non invertente che fa sì che la tensione di uscita sia anche la metà della tensione di alimentazione formando una sorta di tensione di polarizzazione resistori R3 e R4 possono essere qualsiasi valore da Da 1k a 100k ma in tutti i casi dovrebbero essere uguali. Un ulteriore condensatore da 1 F è stato aggiunto all'ingresso non invertente per ridurre il rumore causato dalla configurazione. Per questa configurazione è richiesto l'uso di condensatori di accoppiamento per ingresso e uscita.
3 applicazioni OPAMP:
1. Amplificazione
Il segnale di uscita amplificato dall'amplificatore operazionale è la differenza tra i due segnali di ingresso.
Il diagramma mostrato sopra è la connessione semplice dell'amplificatore operazionale. Se entrambi gli ingressi sono alimentati con la stessa tensione, l'amplificatore operazionale prenderà la differenza tra le due tensioni e sarà 0. L'amplificatore operazionale la moltiplicherà per il suo guadagno 1.000.000 in modo che la tensione di uscita sia 0. Quando 2 volt sono dato a un ingresso e 1 volt nell'altro, l'amplificatore operazionale prenderà la sua differenza e moltiplicherà con il guadagno. Questo è 1 volt x 1.000.000. Ma questo guadagno è molto alto, quindi per ridurre il guadagno, il feedback dall'uscita all'ingresso viene solitamente effettuato tramite un resistore.
Amplificatore invertente:
Il circuito mostrato sopra è un amplificatore invertente con l'ingresso non invertente collegato a terra. Due resistori R1 e R2 sono collegati nel circuito in modo tale che R1 alimenta il segnale di ingresso mentre R2 restituisce l'uscita all'ingresso invertente. Qui quando il segnale in ingresso è positivo l'uscita sarà negativa e viceversa. La variazione di tensione in uscita rispetto all'ingresso dipende dal rapporto tra i resistori R1 e R2. R1 è selezionato come 1K e R2 come 10K. Se l'ingresso riceve 1 volt, ci sarà una corrente di 1 mA attraverso R1 e l'uscita dovrà diventare - 10 volt per fornire una corrente di 1 mA attraverso R2 e mantenere la tensione zero all'ingresso invertente. Pertanto il guadagno di tensione è R2 / R1. Questo è 10K / 1K = 10
Amplificatore non invertente:
Il circuito mostrato sopra è un amplificatore non invertente. Qui l'ingresso non invertente riceve il segnale mentre l'ingresso invertente è collegato tra R2 e R1. Quando il segnale di ingresso si sposta in positivo o in negativo, l'uscita sarà in fase e manterrà la tensione sull'ingresso invertente uguale a quella dell'ingresso non invertente. Il guadagno di tensione in questo caso sarà sempre maggiore di 1 quindi (1 + R2 / R1).
Due. Inseguitore di tensione
Il circuito sopra è un seguace di tensione. Qui fornisce alta impedenza di ingresso, bassa impedenza di uscita. Quando la tensione di ingresso cambia, l'uscita e l'ingresso invertente cambieranno allo stesso modo.
3. Comparatore
L'amplificatore operazionale confronta la tensione applicata su un ingresso con la tensione applicata sull'altro ingresso. Qualsiasi differenza tra le tensioni, se è piccola, porta l'amplificatore operazionale in saturazione. Quando le tensioni fornite a entrambi gli ingressi sono della stessa grandezza e della stessa polarità, l'uscita dell'amplificatore operazionale è 0Volt.
Un comparatore produce tensioni di uscita limitate che possono facilmente interfacciarsi con la logica digitale, anche se la compatibilità deve essere verificata.
Video sull'amplificatore operazionale come diagramma del circuito del comparatore
Qui abbiamo un amplificatore operazionale usato come comparatore con i terminali invertenti e non invertenti e collegato ad essi un divisore di potenziale e un misuratore e un voltmetro in uscita e LED a L'output. La formula di base per il comparatore è che quando '+' è maggiore di '-' allora l'uscita è alta (uno), altrimenti l'uscita è zero. Quando la tensione sull'ingresso negativo è inferiore alla tensione di riferimento, l'uscita è alta e quando l'ingresso negativo supera la tensione sul positivo, l'uscita va a bassa.
3 Requisiti per OPAMP:
1. Annullamento offset
La maggior parte dell'OPAMP ha una tensione di offset in uscita anche se le tensioni di ingresso sono le stesse. Per portare l'uscita a tensione zero, viene utilizzato il metodo di annullamento dell'offset. Nella maggior parte degli amplificatori operazionali c'è un piccolo offset a causa della loro proprietà intrinseca e risulta dalle discrepanze nella disposizione del bias di ingresso. Quindi una piccola tensione di uscita è disponibile all'uscita di alcuni amplificatori operazionali anche se il segnale di ingresso è zero. Questo inconveniente può essere risolto fornendo una piccola tensione di offset agli ingressi. Questo è noto come tensione di offset in ingresso. Per rimuovere o annullare l'offset, la maggior parte degli amplificatori operazionali ha due pin per abilitare l'annullamento dell'offset. Per questo, un Pot o Preset con un valore tipico di 100K dovrebbe essere collegato tra i pin 1 e 5 con il suo Wiper a terra. Regolando il preset, l'uscita può essere impostata a tensione zero.
Due. Stroboscopico o compensazione di fase
A volte gli amplificatori operazionali possono diventare instabili e per renderli stabili per tutte le bande di frequenza viene solitamente collegato un Cap tra il pin 8 e il pin 1 dello Strobe. Di solito viene aggiunto un condensatore a disco da 47pF compensazione di fase in modo che l'OpAmp rimanga stabile. Questo è molto importante se l'OpAmp viene utilizzato come amplificatore sensibile.
3. Risposta
Come sapete, l'Op-Amp ha un livello di amplificazione molto alto in genere circa 1.000,00 volte. Supponiamo che l'amplificatore operazionale abbia 10.000 guadagno, quindi l'amplificatore operazionale amplificherà la differenza di tensione nel suo ingresso non invertente (V +) e nell'ingresso invertente (V-). Quindi la tensione di uscita V out è
10.000 x (V + - V-)
Nel diagramma, il segnale viene applicato all'ingresso Non invertente e in Ingresso invertente è collegato all'uscita. Quindi V + = V in e V- = Vout. Quindi Vout = 10.000 x (Vin - Vout). Quindi la tensione di uscita è quasi uguale alla tensione di ingresso.
Ora vediamo come funziona il Feedback. La semplice aggiunta di un resistore tra l'ingresso invertente e l'uscita ridurrà considerevolmente il guadagno. Portando una frazione della tensione di uscita all'ingresso invertente è possibile ridurre notevolmente l'amplificazione.
Secondo l'equazione precedente, V out = 10.000 x (V + - V-). Ma qui viene aggiunto un resistore di feedback. Quindi qui V + è Vin e V- è R1.R1 + R2 x V out. Pertanto V out è 10.000 x (Vin - R1.R1 + R2xVout). Quindi V out = R1 + R2.R1x Vin
Feedback negativo:
Qui l'uscita dell'amplificatore operazionale è collegata al suo ingresso invertente (-), quindi l'uscita viene rimandata all'ingresso in modo da raggiungere un equilibrio. Pertanto il segnale in ingresso all'ingresso Non Invertente (+) verrà riflesso all'uscita. L'amplificatore operazionale con il feedback negativo porterà la sua uscita al livello necessario e quindi la differenza di tensione tra i suoi ingressi invertenti e non invertenti sarà quasi zero.
Riscontro positivo:
Qui la tensione di uscita viene ricondotta all'ingresso non invertente (+). Il segnale di ingresso viene inviato all'ingresso invertente. Nella progettazione con feedback positivo, se l'ingresso invertente è collegato a terra, la tensione di uscita dall'amplificatore operazionale dipenderà dall'ampiezza e dalla polarità della tensione sull'ingresso non invertente. Quando la tensione di ingresso è positiva, l'uscita dell'amplificatore operazionale sarà positiva e questa tensione positiva verrà inviata all'ingresso non invertente risultando in un'uscita completamente positiva. Se la tensione di ingresso è negativa, la condizione verrà invertita.
Un'applicazione di amplificatori operazionali - Preamplificatore audio
Filtri e preamplificatori:
Gli amplificatori di potenza verranno dopo i preamplificatori e prima degli altoparlanti. I moderni lettori CD e DVD non necessitano di preamplificatori. Hanno bisogno di controllo del volume e selettori di sorgente. Usando i controlli di commutazione e il volume passivo possiamo evitare i preamplificatori.
Facciamo un breve sugli amplificatori di potenza audio
L'amplificatore di potenza è un componente che può pilotare gli altoparlanti convertendo il segnale di basso livello in un segnale di grandi dimensioni. Il compito degli amplificatori di potenza è produrre tensione e corrente relativamente elevate. Comunemente la gamma del guadagno di tensione è compresa tra 20 e 30. Gli amplificatori di potenza hanno una resistenza di uscita molto bassa.
Specifiche dell'amplificatore di potenza audio
- Potenza massima in uscita:
La tensione di uscita è indipendente dal carico, sia per i segnali piccoli che per quelli grandi. La tensione data applicata al carico causa il doppio della quantità di corrente. Quindi verrà erogata il doppio della quantità di energia. La potenza nominale è la potenza media continua dell'onda sinusoidale tale che la potenza può essere misurata impiegando un'onda sinusoidale la cui tensione RMS viene misurata a lungo termine.
- Risposta in frequenza:
La risposta in frequenza deve estendere la banda audio completa da 20 Hz a 20 KHz. La tolleranza alla risposta in frequenza è ± 3db. Il modo convenzionale di specificare la larghezza di banda è che un amplificatore sia inferiore di 3db rispetto allo 0db nominale.
- Rumore:
Gli amplificatori di potenza dovrebbero produrre un basso rumore quando gli amplificatori di potenza utilizzano le alte frequenze. Il parametro del rumore può essere ponderato o non ponderato. Il rumore non ponderato verrà specificato su una larghezza di banda di 20 KHz. In base alla sensibilità dell'orecchio, verrà presa in considerazione la specifica ponderata del rumore. La misurazione ponderata del rumore tende ad attenuare il rumore a frequenze più elevate, quindi la misurazione ponderata del rumore è decisamente migliore della misurazione non ponderata del rumore.
- Distorsione:
La distorsione armonica totale è la distorsione comune solitamente specificata a frequenze diverse. Questo sarà specificato a un livello di potenza che è dato con l'amplificatore di potenza che pilota l'impedenza di carico.
