Introducció als amplificadors operatius: 7 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

En aquest manual, faré una introducció a l'amplificador operacional, un dels dispositius analògics més útils. Aquest dispositiu es pot configurar com un amplificador no inversor o inversor, un comparador, amplificador de tensió, amplificador sumador, amplificador d’instrumentació, memòria intermèdia, filtre actiu, oscil·lador de pont de Wien i moltes altres aplicacions. L'opamp es presenta en diferents configuracions, com ara el senzill LM741 8 pin DIP o el LM324 de 14 pins amplificador operatiu quad mostrat més amunt. També hi ha tipus que es presenten en versions de muntatge superficial.

Pas 1: què és un amplificador operacional?

L'amplificador operacional, que també es coneix com a amplificador operacional, és un amplificador de voltatge d'alt guany acoblat de corrent continu, incorporat a un xip IC. Tenen dues entrades (entrada diferencial) i una sortida. S'han utilitzat com a blocs de construcció en electrònica analògica des que van sortir els primers dispositius a finals dels anys seixanta. Una de les belleses d’aquests dispositius és que van simplificar molt el disseny electrònic per la naturalesa de la seva normalització. El disseny d’amplificadors amb components discrets implicava molts ajustaments a causa de les diferències entre els dispositius actius. Si els amplificadors es fabriquen tots amb la mateixa matriu de silici, es poden fabricar tots iguals i tenen les mateixes característiques. En dissenyar amb amplificadors operatius, es pot obtenir un guany específic per al dispositiu instal·lant dues resistències externes amb una relació de resistència específica. Per exemple, si es desitja un guany de tensió de 100, es podria posar una resistència de 100 k i una resistència de 1 k al circuit per obtenir una proporció de 100. Mitjançant aquesta estratègia, el guany és el mateix cada vegada. L’amplificador operatiu més popular de tots els temps és el 741 que existeix des de principis dels 70 i ha estat utilitzat per generacions d’aficionats en tot, des d’amplificadors d’àudio fins a fonts d’alimentació. El 741 no ha estat utilitzat per la indústria des de fa molts anys perquè s’han desenvolupat millors amplificadors operatius, però encara tenen un seguiment entre els aficionats i són fàcils d’obtenir. Els primers dispositius van sortir en un estil de paquet de 8 pins de doble línia o en una llauna circular de metall. Més tard, es van disposar de dispositius de muntatge superficial. El 741 i altres amplificadors operatius de la seva època utilitzaven transistors bipolars amb dispositius que utilitzen entrades de transistor d’efecte de camp que sortiran més endavant. Les entrades de transistors d'efecte de camp es van començar a utilitzar a causa de la necessitat de tenir una impedància d'entrada més gran i un menor drenatge de corrent.

Pas 2: l'amplificador sense inversió

L'amplificador sense inversió és el primer circuit que cobrirem. En el diagrama anterior, l'amperador operatiu està connectat amb l'entrada que va a l'entrada positiva i la resistència de retroalimentació va a l'entrada negativa. La proporció de Rf a Rg determina el guany. En el cas del circuit anterior, el guany de tensió és de 10. El diagrama al mig de les limitacions del "món real" de l'amplificador 741 op quan s'introdueix una ona quadrada de 10 kHz a l'entrada, però surt com una forma d'ona triangular a causa de la velocitat limitada de commutació del dispositiu. Quan l’entrada es redueix a una ona quadrada d’1 kHz, la sortida millora i sembla més aviat una ona quadrada real. La mesura de la capacitat de l'ampli operador per seguir els canvis d'amplitud del senyal d'entrada s'anomena "Velocitat de gir" i es mesura en volts per microsegon. El 741 té una qualificació molt mansa a 0,5 volts per microsegon. Els amplificadors operatius d'alta velocitat tenen fins a 5.000 volts per microsegon, tot i que un típic com el TL081 tindrà una qualificació mitjana de 13 volts per microsegon.

Pas 3: l'amplificador d'inversió

L'opamp es pot configurar de manera que es pugui invertir i amplificar una forma d'ona d'anada negativa d'1 volts per donar una forma d'ona d'anada positiva de 10 volts. Els usos d’aquesta configuració podrien ser a qualsevol lloc on es necessiti un canvi de fase, com ara en les etapes del controlador dels amplificadors de transistors discrets.

Pas 4: utilitzar un amplificador operatiu com a convertidor d'ona quadrada a ona sinusoïdal

El circuit anterior canviarà una ona quadrada de 1000 Hz a una ona sinusoïdal de 1000 Hz. Ho fa filtrant tots els components de freqüència (harmònics) per sobre i per sota del fonamental, que és una ona sinusoïdal. En lloc d’utilitzar resistències al circuit de retroalimentació, fem servir components selectius de freqüència (condensadors) que proporcionen retroalimentació negativa per cancel·lar les freqüències no desitjades. El diagrama central mostra el circuit real simulat i la forma d'ona produïda. El tercer diagrama mostra la resposta en freqüència del circuit. El nom tècnic d’aquest tipus de circuits és un filtre de pas de banda actiu. Permet passar només una banda molt estreta de freqüències sense atenuar-la.

Pas 5: utilitzar un amplificador operatiu com a comparador

Hi ha xips dedicats que són millors comparadors, però de vegades és possible que no en tingueu cap, de manera que sempre és útil saber fer un comparador d’un opamp. Una revisió ràpida del que és un comparador, és bàsicament un opamp configurat com a amplificador sense retroalimentació, que permet que l’amplificador funcioni al màxim guany. Quan una entrada està lligada a una tensió específica com els 3 volts que es mostren al diagrama, el circuit donarà una sortida que és gairebé la tensió màxima del carril quan les dues entrades tenen la mateixa tensió. En el cas del circuit anterior, una ona sinusoïdal d'1 kHz dóna una sortida quan puja per sobre de 3 volts i torna a canviar quan l'ona sinusoïdal baixa per sota de 3 volts. Els comparadors s’utilitzen habitualment en (ADC) i oscil·ladors de relaxació.

Pas 6: Construir un amplificador sumador amb un Opamp

L'amplificador de sumari superior pren dos senyals d'1 kHz, un de 10 mV de pic a pic i un altre de 20 mV de pic a pic. La sortida resultant és de 60 mV de pic a pic. Com que és un amplificador inversor, emet un senyal de fase oposada.

Els amplificadors summing s’utilitzen en mescladors d’àudio on cal afegir entrades diferents. En alimentar els senyals als potenciòmetres, es poden variar els senyals per donar la sortida desitjada.

Pas 7: mesclador d'àudio de tres entrades

Aquest circuit es podria utilitzar per barrejar dos instruments i una pista vocal; es podrien afegir més entrades segons fossin necessàries. Cada nivell d'entrada es pot ajustar independentment amb els potenciòmetres.