Nel seguente articolo discutiamo i principali parametri dell'amplificatore operazionale e i relativi circuiti applicativi di base dell'amplificatore operazionale con equazioni, per risolvere i loro valori dei componenti specifici.
Gli amplificatori operazionali (amplificatori operazionali) sono un tipo specializzato di circuito integrato che include un amplificatore ad alto guadagno ad accoppiamento diretto con caratteristiche di risposta complessive regolate da un feedback.
L'amplificatore operazionale prende il nome dal fatto che può eseguire un'ampia gamma di calcoli matematici. A causa della sua risposta, un amplificatore operazionale è anche noto come circuito integrato lineare ed è il componente principale di molti sistemi analogici.
Un amplificatore operazionale è dotato di un guadagno straordinariamente alto (possibilmente vicino all'infinito), che può essere regolato tramite un feedback. L'aggiunta di condensatori o induttori alla rete di feedback potrebbe comportare un guadagno che cambia con la frequenza, influenzando lo stato operativo generale del circuito integrato.
Come mostrato nella figura sopra, l'amplificatore operazionale fondamentale è un dispositivo a tre terminali con due ingressi e un'uscita. I terminali di ingresso sono classificati come 'invertenti' o 'non invertenti'.
Parametri dell'amplificatore operazionale
Quando viene fornito con tensioni di ingresso uguali, l'uscita dell'amplificatore operazionale ideale, o 'amplificatore operazionale', è zero o '0 volt'.
VIN 1 = VIN 2 dà VOUT = 0
I pratici amplificatori operazionali hanno un ingresso non perfettamente bilanciato, causando il flusso di correnti di polarizzazione irregolari attraverso i terminali di ingresso. Per bilanciare l'uscita dell'amplificatore operazionale, è necessario fornire una tensione di offset in ingresso tra i due terminali di ingresso.
1) Corrente di polarizzazione in ingresso
Quando l'uscita è bilanciata, o quando V FUORI = 0, la corrente di polarizzazione in ingresso (I B ) è pari alla metà delle correnti individuali totali che entrano nei due collegamenti di ingresso. È spesso un numero molto piccolo; per esempio, io B = 100 nA è un valore normale.
2) Ingresso offset corrente
La differenza tra ogni singola corrente che raggiunge i terminali di ingresso è nota come corrente di offset in ingresso (I questo ). Di nuovo, è spesso di valore estremamente basso; ad esempio, un valore comune è I questo = 10 nA.
3) Tensione di offset in ingresso
Per mantenere bilanciato l'amplificatore operazionale, una tensione di offset in ingresso V questo deve essere applicato attraverso il terminale di ingresso. Di solito il valore di V questo è = 1 mV.
I valori di I questo e V questo entrambi possono variare con la temperatura e questa variazione è indicata come I questo deriva e V questo deriva, rispettivamente.
4) Rapporto di rifiuto dell'alimentatore (PSRR)
Il rapporto tra la variazione della tensione di offset in ingresso e la corrispondente variazione della tensione di alimentazione è noto come rapporto di reiezione dell'alimentazione o PSRR. Questo è spesso nell'intervallo da 10 a 20 uV/V.
Ulteriori parametri per amplificatori operazionali che potrebbero essere menzionati sono:
5) Guadagno ad anello aperto/guadagno ad anello chiuso
Il guadagno ad anello aperto si riferisce al guadagno di un amplificatore operazionale senza un circuito di feedback, mentre il guadagno ad anello chiuso si riferisce al guadagno di un amplificatore operazionale con un circuito di feedback. È generalmente rappresentato come A d .
6) Rapporto di reiezione di modo comune (CMRR)
Questo è il rapporto tra il segnale differenziale e il segnale di modo comune e serve come misura delle prestazioni di un amplificatore differenziale. Usiamo Decibel (dB) per esprimere questo rapporto.
7) Velocità di variazione
La velocità di variazione è la velocità con cui la tensione di uscita di un amplificatore cambia in condizioni di segnale elevato. Viene rappresentato utilizzando l'unità V/us.
Circuiti applicativi di base dell'amplificatore operazionale
Nei paragrafi seguenti impareremo a conoscere diversi circuiti di base di amplificatori operazionali interessanti. Ciascuno dei progetti di base viene spiegato con formule per risolvere i valori e le caratteristiche dei componenti.
AMPLIFICATORE O BUFFER
Il circuito per un amplificatore invertente, o un inverter, può essere visto nella Figura 1, sopra. Il guadagno del circuito è dato da:
Spento = - R2/R1
Si noti che il guadagno è negativo, indicando che il circuito funziona come un inseguitore di tensione a inversione di fase, se le due resistenze sono uguali (cioè, R1 = R2). L'uscita sarebbe identica all'ingresso, con la polarità invertita.
In realtà, le resistenze possono essere rimosse per il guadagno unitario e sostituite da cavi di collegamento diretto, come mostrato in Fig. 2 sotto.
Questo è possibile perché R1 = R2 = 0 in questo circuito. Tipicamente, R3 viene rimosso dal circuito inseguitore di tensione invertente.
L'uscita dell'amplificatore operazionale amplificherà il segnale di ingresso se R1 è inferiore a R2. Ad esempio, se R1 è 2,2 K e R1 è 22 K, il guadagno potrebbe essere espresso come:
Spento = - 22.000/2.200 = -10
Il simbolo negativo indica l'inversione di fase. Le polarità di ingresso e di uscita sono invertite.
Rendendo R1 più grande di R2, lo stesso circuito può anche attenuare (diminuire la forza del) segnale di ingresso. Ad esempio, se R1 è 120 K e R2 è 47 K, il guadagno del circuito sarebbe approssimativamente:
Spento = 47.000/120.000 = - 0,4
Anche in questo caso, la polarità dell'uscita è l'inversa di quella dell'ingresso. Sebbene il valore di R3 non sia particolarmente importante, dovrebbe essere circa uguale alla combinazione parallela di R1 e R2. Che è:
R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)
Per dimostrarlo, considera il nostro esempio precedente, dove R1 = 2,2 K e R2 = 22 K. Il valore di R3 in questa situazione dovrebbe essere approssimativamente:
R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48.400.000/24.200 = 2000 Ω
Possiamo scegliere il valore di resistenza standard più vicino per R3 perché il valore preciso non è necessario. In questo caso è possibile utilizzare un resistore da 1,8 K o 2,2 K.
L'inversione di fase creata dal circuito di Fig. 2 potrebbe non essere accettabile in diverse situazioni. Per utilizzare l'amplificatore operazionale come amplificatore non invertente (o come un semplice buffer), collegarlo come illustrato nella Fig. 3 di seguito.
Il guadagno in questo circuito è espresso come segue:
Spento = 1 + R2/R1
L'uscita e l'ingresso hanno la stessa polarità e sono in fase.
Tieni presente che il guadagno deve essere sempre al minimo 1 (unità). Non è possibile attenuare (ridurre) i segnali utilizzando un circuito non invertente.
Il guadagno del circuito sarà relativamente più forte se il valore di R2 è significativamente maggiore di R1. Ad esempio, se R1 = 10 K e R2 = 47 K, il guadagno dell'amplificatore operazionale sarà il seguente:
Spento = 1 + 470.000/10.000 = 1 + 47 = 48
Tuttavia, se R1 è significativamente maggiore di R2, il guadagno sarà solo leggermente superiore all'unità. Ad esempio, se R1 = 100 K e R2 = 22 K, il guadagno sarebbe:
Spento = 1 + 22.000/100.000 = 1 + 0,22 = 1,22
Nel caso in cui le due resistenze siano identiche (R1 = R2), il guadagno sarebbe sempre 2. Per convincerti di questo, prova l'equazione del guadagno in alcuni scenari.
Una situazione specifica è quando entrambe le resistenze sono impostate a 0. In altre parole, come mostrato nella Fig. 4 di seguito, vengono utilizzate connessioni dirette al posto delle resistenze.
Il guadagno è esattamente uno in questo caso. Questo è conforme alla formula del guadagno:
Spento = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1
L'ingresso e l'uscita sono identici. Le applicazioni per questo circuito inseguitore di tensione non invertente includono adattamento di impedenza, isolamento e buffer.
ADDER (amplificatore sommatore)
È possibile aggiungere un certo numero di tensioni di ingresso utilizzando un amplificatore operazionale. Come illustrato nella Fig. 5 di seguito, i segnali di ingresso V1, V2,... Vn vengono applicati all'amplificatore operazionale tramite i resistori R1, R2,... Rn.
Questi segnali vengono quindi combinati per produrre il segnale di uscita, che è uguale alla somma dei segnali di ingresso. La seguente formula può essere utilizzata per calcolare le prestazioni reali dell'amplificatore operazionale come sommatore:
VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))
Vedi il simbolo negativo. Ciò significa che l'uscita è stata invertita (la polarità è invertita). In altre parole, questo circuito è un sommatore invertente.
Il circuito può essere modificato per funzionare come sommatore non invertente commutando le connessioni agli ingressi invertenti e non invertenti dell'amplificatore operazionale, come illustrato nella Fig. 6 di seguito.
L'equazione di uscita potrebbe essere semplificata assumendo che tutti i resistori di ingresso abbiano valori identici.
VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)
AMPLIFICATORE DIFFERENZIALE
La Fig. 7 sopra raffigura il circuito di base di un amplificatore differenziale. I valori dei componenti sono impostati in modo che R1 = R2 e R3 = R4. Pertanto, le prestazioni del circuito possono essere calcolate utilizzando la seguente formula:
VOUT = VIN 2 - VIN 1
Solo finché l'amplificatore operazionale può accettare che gli ingressi 1 e 2 abbiano impedenza diversa (l'ingresso 1 ha un'impedenza di R1 e l'ingresso 2 ha un'impedenza di R1 più R3).
ASSOCIATORE/SOTTRATORE
La figura 8 sopra illustra la configurazione per un circuito sommatore/sottrazione di amplificatori operazionali. Nel caso in cui R1 e R2 abbiano gli stessi valori e anche R3 e R4 siano impostati sugli stessi valori, allora:
VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)
In altre parole, Vout = V3 + V4 è il totale degli ingressi V3 e V4 mentre è la sottrazione degli ingressi V1 e V2. I valori per R1, R2, R3 e R4 sono selezionati per corrispondere alle caratteristiche dell'amplificatore operazionale. R5 dovrebbe essere uguale a R3 e R4 e R6 dovrebbe essere uguale a R1 e R2.
MOLTIPLICATORE
Semplici operazioni di moltiplicazione possono essere eseguite con il circuito mostrato in Fig. 9 sopra. Tieni presente che questo è lo stesso circuito di Fig. 1. Per ottenere un guadagno coerente (e quindi una moltiplicazione della tensione di ingresso nel rapporto R2/R1) e risultati precisi, resistori di precisione con i valori prescritti per R1 e R2 dovrebbe essere usato. In particolare, la fase di uscita è invertita da questo circuito. La tensione in uscita sarà pari a:
VOUT = - (VIN x Spento)
dove Av è il guadagno, come determinato da R1 e R2. VOUT e VIN sono rispettivamente le tensioni di uscita e di ingresso.
Come si vede in Fig. 10 sopra, la costante di moltiplicazione può essere modificata se R2 è una resistenza variabile (potenziometro). Intorno all'albero di controllo è possibile montare un quadrante di calibrazione con segni per vari guadagni comuni. La costante di moltiplicazione può essere letta direttamente da questo quadrante utilizzando una lettura calibrata.
INTEGRATORE
Un amplificatore operazionale, almeno, funzionerà teoricamente come integratore quando l'ingresso invertente è accoppiato con l'uscita tramite un condensatore.
Come indicato nella Fig. 11 sopra, un resistore parallelo deve essere collegato attraverso questo condensatore per mantenere la stabilità CC. Questo circuito implementa la seguente relazione per integrare il segnale di ingresso:
Il valore di R2 deve essere selezionato in modo che corrisponda ai parametri dell'amplificatore operazionale, in modo tale che:
VOUT = R2/R1 x VIN
DIFFERENZIATORE
Il circuito dell'amplificatore operazionale del differenziatore include un condensatore nella linea di ingresso che si collega all'ingresso invertente e un resistore che collega questo ingresso all'uscita. Tuttavia, questo circuito ha limiti chiari, quindi una configurazione preferibile sarebbe quella di mettere in parallelo il resistore e il condensatore come illustrato nella Fig. 12 sopra.
La seguente equazione determina le prestazioni di questo circuito:
VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt
AMPLIFICATORI LOG
Il circuito fondamentale (Fig. 13 sopra) impiega un transistor NPN e un amplificatore operazionale per generare un'uscita proporzionale al log dell'ingresso:
VOUT = (- k log 10 ) VEN/VEN o
Il circuito 'invertito', che funge da amplificatore anti-log fondamentale, è rappresentato nel diagramma in basso. Tipicamente, il condensatore è di valore basso (es. 20 pF).
AMPLIFICATORE AUDIO
Un amplificatore operazionale è essenzialmente un amplificatore CC ma può essere applicato anche per applicazioni CA. Un semplice amplificatore audio è mostrato nella Figura 14 sopra.
MIXER AUDIO
In questo circuito è mostrata una modifica dell'amplificatore audio (Fig. 15 sopra). Puoi vedere come assomiglia al circuito sommatore in Fig. 5. I diversi segnali di ingresso vengono miscelati o uniti. Il potenziometro di ingresso di ciascun segnale di ingresso consente la regolazione del livello. Le proporzioni relative dei diversi segnali di ingresso nell'uscita possono quindi essere regolate dall'utente.
SEPARATORE DI SEGNALE
Il circuito divisore di segnale visto in Fig. 16 sopra è esattamente l'opposto di un mixer. Un singolo segnale di uscita è suddiviso in più uscite identiche che alimentano vari ingressi. Le linee di segnale multiple sono separate l'una dall'altra utilizzando questo circuito. Per regolare il livello richiesto, ogni linea di uscita include un potenziometro separato.
CONVERTITORE DA TENSIONE A CORRENTE
Il circuito presentato in Fig. 17 sopra farà sì che l'impedenza di carico R2 e R1 subisca lo stesso flusso di corrente.
Il valore di questa corrente sarebbe proporzionale alla tensione del segnale di ingresso e indipendente dal carico.
Tuttavia, a causa dell'elevata resistenza di ingresso fornita dal terminale non invertente, la corrente sarà di valore relativamente basso. Questa corrente ha un valore direttamente proporzionale a VIN/R1.
CONVERTITORE DA CORRENTE A TENSIONE
Se la tensione di uscita è uguale a IIN x R2 e viene utilizzato il design (Fig. 18 sopra), la corrente del segnale di ingresso può fluire direttamente attraverso il resistore di retroazione R2.
Per dirla in altro modo, la corrente di ingresso viene trasformata in una tensione di uscita proporzionale.
Il circuito di polarizzazione creato all'ingresso invertente imposta un limite inferiore sul flusso di corrente, che impedisce a qualsiasi corrente di passare attraverso R2. Per eliminare il 'rumore', è possibile aggiungere un condensatore a questo circuito come illustrato nella figura.
FONTE CORRENTE
La figura 19 sopra mostra come un amplificatore operazionale può essere utilizzato come una sorgente di corrente. I valori dei resistori possono essere calcolati utilizzando le seguenti equazioni:
R1 = R2
R3 = R4 + R5
La corrente di uscita può essere valutata utilizzando la seguente formula:
Iout = (R3 x VIN) / (R1 x R5)
MULTIVIBRATORE
È possibile adattare un amplificatore operazionale da utilizzare come multivibratore. La Fig. 20 sopra mostra due circuiti fondamentali. Il design in alto a sinistra è un multivibratore a corsa libera (stabile), la cui frequenza è controllata da:
Nel diagramma in basso a destra è possibile vedere un circuito multivibratore monostabile che può essere attivato da un ingresso a impulsi ad onda quadra. I valori dei componenti forniti si riferiscono a un amplificatore operazionale CA741.
GENERATORE DI ONDE QUADRE
La Fig. 21 sopra raffigura un circuito generatore di onde quadre funzionale centrato attorno a un amplificatore operazionale. Questo circuito generatore di onde quadre potrebbe essere forse il più semplice. Sono necessari solo tre resistori esterni e un condensatore oltre all'amplificatore operazionale stesso.
I due elementi principali che determinano la costante di tempo del circuito (frequenza di uscita) sono il resistore R1 e il condensatore C1. Tuttavia, anche la connessione di feedback positivo basata su R2 e R3 ha un impatto sulla frequenza di uscita. Sebbene le equazioni siano spesso alquanto complicate, possono essere semplificate per particolari rapporti R3/R2. Per illustrazione:
Se R3/R2 ≈ 1.0 allora F ≈ 0.5/(R1/C1)
o,
Se R3/R2 ≈ 10 allora F ≈ 5/(R1/C1)
Il metodo più pratico consiste nell'utilizzare uno di questi rapporti standard e modificare i valori di R1 e C1 per ottenere la frequenza richiesta. Per R2 e R3 possono essere impiegati valori convenzionali. Ad esempio, il rapporto R3/R2 sarà 10 se R2 = 10K e R3 = 100K, quindi:
F = 5/(R1/C1)
Nella maggior parte dei casi, saremo già a conoscenza della frequenza richiesta e dovremo solo scegliere i valori dei componenti appropriati. Il metodo più semplice consiste nel scegliere prima un valore C1 che sembra ragionevole, quindi riorganizzare l'equazione per trovare R1:
R1 = 5/(Fa x DO1)
Diamo un'occhiata a un tipico esempio di frequenza 1200 Hz che stiamo cercando. Se C1 è collegato a un condensatore da 0,22 uF, R1 dovrebbe avere il valore illustrato nella seguente formula:
R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω
Un tipico resistore da 18K potrebbe essere impiegato nella maggior parte delle applicazioni. Un potenziometro può essere aggiunto in serie con R1 per aumentare l'utilità e l'adattabilità di questo circuito, come illustrato in Fig. 22 sotto. Ciò consente di regolare manualmente la frequenza di uscita.
Per questo circuito vengono utilizzati gli stessi calcoli, tuttavia il valore di R1 viene modificato in modo che corrisponda alla combinazione in serie della resistenza fissa R1a e del valore regolato del potenziometro R1b:
R1 = R1a + R1b
La resistenza fissa è inserita per garantire che il valore di R1 non scenda mai a zero. La gamma delle frequenze di uscita è determinata dal valore fisso di R1a e dalla massima resistenza di R1b.
GENERATORE DI IMPULSI A LARGHEZZA VARIABILE
Un'onda quadra è totalmente simmetrica. Il duty cycle del segnale ad onda quadra è definito come il rapporto tra il tempo di alto livello e il tempo di ciclo totale. Le onde quadre hanno un ciclo di lavoro 1:2 per definizione.
Con solo altri due componenti, il generatore di onde quadre della sezione precedente può essere trasformato in un generatore di onde rettangolari. La Fig. 23 sopra mostra il circuito aggiornato.
Il diodo D1 limita il passaggio della corrente tramite R4 sui semicicli negativi. R1 e C1 costituiscono la costante di tempo espressa nella seguente equazione:
T1 = 5/(2C1 x R1)
Tuttavia, sui semicicli positivi, il diodo può condurre e la combinazione parallela di R1 e R4 insieme a C1 definisce la costante di tempo, come mostrato nel seguente calcolo:
T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))
La durata complessiva del ciclo è solo il totale delle due costanti di tempo del semiciclo:
Tt = T1 + T2
La frequenza di uscita è l'inverso della costante di tempo totale dell'intero ciclo:
F = 1/Tt
Qui il ciclo di lavoro non sarà uguale a 1:2 perché la costante di tempo per le sezioni di livello alto e basso del ciclo sarà diversa. Di conseguenza, verranno prodotte forme d'onda asimmetriche. È possibile rendere regolabile R1 o R4, o anche entrambi, ma tenere presente che ciò modificherebbe sia la frequenza di uscita che il duty cycle.
OSCILLATORE AD ONDA SINUSOIDALE
L'onda sinusoidale, mostrata in Fig. 24 di seguito, è il più elementare di tutti i segnali CA.
Non c'è assolutamente alcun contenuto armonico in questo segnale estremamente puro. C'è solo una frequenza fondamentale in un'onda sinusoidale. In realtà, creare un'onda sinusoidale completamente pura e priva di distorsioni è piuttosto difficile. Per fortuna, usando un circuito oscillatore costruito attorno a un amplificatore operazionale, possiamo avvicinarci abbastanza a una forma d'onda ottimale.
La Fig. 25 sopra illustra un circuito oscillatore sinusoidale convenzionale che incorpora un amplificatore operazionale. Un circuito a doppia T che funge da filtro di rifiuto della banda (o notch) funge da rete di feedback. Il condensatore C1 e le resistenze R1 e R2 costituiscono un T. C2, C3, R3 e R4 costituiscono l'altro T. Lo schema lo ha invertito. I valori dei componenti devono avere le seguenti relazioni affinché questo circuito funzioni correttamente:
La seguente formula determina la frequenza di uscita:
F = 1/(6,28 x R1 x C2)
Modificando il valore di R4, l'ottimizzazione della rete di feedback a doppia T potrebbe essere leggermente modificata. In genere, questo potrebbe essere un piccolo potenziometro trimmer. Il potenziometro viene impostato sulla sua massima resistenza e quindi gradualmente ridotto fino a quando il circuito si libra appena sull'orlo dell'oscillazione. L'onda sinusoidale di uscita potrebbe danneggiarsi se la resistenza viene regolata su un valore troppo basso.
GRILLETTO DI SCHMITT
Tecnicamente parlando, un trigger di Schmitt può essere indicato come un comparatore rigenerativo. La sua funzione principale è quella di trasformare una tensione di ingresso che sta cambiando lentamente in un segnale di uscita, a una particolare tensione di ingresso.
Per dirla in altro modo, ha una proprietà 'backlash' chiamata isteresi che funziona come un 'trigger' di tensione. L'amplificatore operazionale diventa l'elemento costitutivo di base per l'operazione di trigger di Schmitt (vedere la Fig. 26 sopra). I seguenti fattori determinano la tensione di attivazione o di intervento:
IN viaggio = (V fuori x R1) / (-R1 + R2)
In questo tipo di circuito, l'isteresi è il doppio della tensione di scatto.
Nella Fig. 27 di seguito è raffigurato un altro circuito trigger di Schmitt. In questo circuito, si dice che l'uscita sia 'attivata' quando l'ingresso CC raggiunge circa un quinto della tensione di alimentazione.
La tensione di alimentazione può essere compresa tra 6 e 15 volt, quindi a seconda della tensione di alimentazione scelta, il grilletto può essere impostato per funzionare da 1,2 a 3 volt. Se necessario, l'effettivo punto di attivazione può essere modificato anche modificando il valore di R4.
L'uscita sarà la stessa della tensione di alimentazione non appena viene attivata. Se l'uscita è collegata a una lampadina a incandescenza o a un LED (attraverso un resistore di zavorra in serie), la lampada (o il LED) si illuminerà una volta che la tensione di ingresso raggiunge il valore di attivazione, indicando che questo preciso livello di tensione è stato raggiunto all'ingresso.
Avvolgendo
Quindi questi erano alcuni circuiti di base di amplificatori operazionali con i loro parametri spiegati. Spero che tu abbia compreso tutte le caratteristiche e le formule relative a un amplificatore operazionale.
Se hai altri circuiti di base per l'amplificatore operazionale che ritieni debbano essere inclusi nell'articolo sopra, sentiti libero di menzionarli attraverso i tuoi commenti di seguito.
