Amplificador operacional inversor. Amplificador operacional para tontos.
El amplificador no inversor es un circuito amplificador operacional básico. Parece dolorosamente simple:
En este circuito, la señal se aplica a la entrada no inversora del amplificador operacional.
Entonces, para comprender cómo funciona este circuito, recuerde la regla más importante que se utiliza para analizar los circuitos de amplificadores operacionales: El voltaje de salida del amplificador operacional tiende a garantizar que la diferencia de voltaje entre sus entradas sea igual a cero..
Principio de funcionamiento
Entonces, denotamos la entrada inversora con la letra A:
Siguiendo la regla principal de los amplificadores operacionales, encontramos que el voltaje en la entrada inversora es igual al voltaje de entrada: U A = U pulg. UA se elimina de , que está formado por las resistencias R1 y R2. Por eso:
U A = U fuera R1/(R1+R2)
Porque U A =U en, lo entendemos U entrada = U salida R1/(R1+R2).
La ganancia de voltaje se calcula como K U = U fuera / U aporte.
Sustituimos aquí los valores obtenidos previamente y obtenemos que KU = 1+R2/R1.
Comprobando el trabajo en Proteus.
Esto también se puede comprobar fácilmente utilizando el programa Proteus. El diagrama se verá así:
Calculemos la ganancia. K U. K U = 1+R2/R1=1+90k/10k=10. Esto significa que nuestro amplificador debe aumentar la señal de entrada exactamente 10 veces. Comprobemos si esto es cierto. Aplicamos una sinusoide con una frecuencia de 1 kHz a la entrada no inversora y vemos qué tenemos en la salida. Para ello necesitamos un osciloscopio virtual:
La señal de entrada es una forma de onda amarilla y la señal de salida es una forma de onda rosa:
Como puede ver, la señal de entrada se ha amplificado exactamente 10 veces. La fase de la señal de salida sigue siendo la misma. Por lo tanto, dicho amplificador se llama NO invertir.
Pero, como dicen, hay un “PERO”. De hecho, los amplificadores operacionales reales tienen defectos de diseño. Dado que Proteus intenta emular componentes cercanos a los reales, veamos la respuesta de frecuencia de amplitud (AFC), así como la respuesta de frecuencia de fase (PFC) de nuestro amplificador operacional LM358.
Respuesta de frecuencia y respuesta de fase de un amplificador no inversor en LM358
En la práctica, para eliminar la respuesta de frecuencia, necesitamos aplicar una frecuencia desde 0 Hertz hasta algún valor final a la entrada de nuestro amplificador, y en la salida en este momento monitorear el cambio en la amplitud de la señal. En Proteus, todo esto se hace usando la función Respuesta de frecuencia:
En el eje Y tenemos ganancia y en el eje X tenemos frecuencia. Como habrás notado, la ganancia permaneció casi sin cambios hasta una frecuencia de 10 kHz, luego comenzó a caer rápidamente al aumentar la frecuencia. A una frecuencia de 1 MegaHertz, la ganancia era igual a la unidad. Este parámetro en el amplificador operacional se llama frecuencia de ganancia unitaria y se denota como f 1. Es decir, en esencia, el amplificador no amplifica la señal a esta frecuencia. Lo que se da en la entrada es lo que sale.
Al diseñar amplificadores, un parámetro importante es frecuencia de corte f gr. Para calcularlo necesitamos conocer la ganancia a la frecuencia K gr:
K gr = K Uo / √2 o = K Uo x 0,707, donde K Uo es la ganancia a una frecuencia de 0 Hertz (corriente continua).
Si miramos la respuesta en frecuencia, veremos que a frecuencia cero (en corriente continua) nuestra ganancia es 10. Calculamos Kgr.
K gr = 10 x 0,707 = 7,07
Ahora dibujamos una línea horizontal en el nivel 7.07 y miramos la intersección con el gráfico. Obtuve alrededor de 104 kHz. Construya un amplificador con una frecuencia de corte mayor que f gr No tiene sentido, ya que en este caso la señal de salida del amplificador se atenuará mucho.
También es muy fácil determinar la frecuencia de corte si trazas un gráfico en . La frecuencia de corte estará en el nivel K Uo -3dB. Es decir, en nuestro caso, a un nivel de 17dB. Como puedes ver, en este caso también obtuvimos una frecuencia de corte de 104 kHz.
Bien, parece que hemos resuelto la frecuencia de corte. Ahora bien, un parámetro como la respuesta de fase es importante para nosotros. En nuestro caso, parece que hemos obtenido un amplificador NO inversor. Es decir, el desfase entre la señal de entrada y salida debe ser cero. Pero, ¿cómo se comportará el amplificador a altas frecuencias (HF)?
Tomamos el mismo rango de frecuencia de 0 a 100 MHz y observamos la respuesta de fase:
Como puede ver, hasta 1 kHz el amplificador no inversor realmente funciona como debería. Es decir, las señales de entrada y salida se mueven en fase. Pero después de una frecuencia de 1 kHz, vemos que la fase de la señal de salida comienza a retrasarse. A una frecuencia de 100 kHz ya está unos 40 grados por detrás.
Para mayor claridad, la respuesta de frecuencia y la respuesta de fase se pueden colocar en un gráfico:
Además, en circuitos con un amplificador no inversor, a menudo se introduce una resistencia de compensación R K.
Está determinado por la fórmula:
y sirve para asegurar la igualdad de resistencia entre cada una de las entradas y tierra. Veremos esto con más detalle en el próximo artículo.
Con aportes de Jeer
El amplificador no inversor es quizás uno de los tres circuitos electrónicos analógicos más básicos, junto con el amplificador inversor y los circuitos seguidores de voltaje. Es incluso más sencillo que un amplificador inversor, ya que el circuito no requiere alimentación bipolar para funcionar.
Presta atención a la unidad contenida en la fórmula. Esto nos dice que un amplificador no inversor siempre tiene una ganancia mayor que 1, lo que significa que no se puede atenuar la señal con dicho circuito.
Para comprender mejor cómo funciona un amplificador no inversor, observemos el circuito y pensemos cuál será el voltaje en su salida.
Lo primero que debemos pensar es qué voltajes están presentes en ambas entradas de nuestro amplificador operacional. Recordemos la primera de las reglas, que describe el funcionamiento de un amplificador operacional:
Regla número 1: el amplificador operacional influye en su salida en la entrada a través de OOS (retroalimentación negativa), como resultado de lo cual se ecualiza el voltaje en ambas entradas, tanto inversoras (-) como no inversoras (+).
Es decir, el voltaje en la entrada inversora es de 3V. En el siguiente paso, veamos la resistencia de 10k. Sabemos qué voltaje hay a través de él y su resistencia, lo que significa que podemos calcular cuánta corriente fluye a través de él:
Yo = U/R = 3V/10k = 300uA.
Esta corriente, según la regla 2, no puede tomarse de la entrada inversora (-), por lo que procede de la salida del amplificador.
Regla número 2: las entradas del amplificador no consumen corriente
Una corriente de 300 μA también fluye a través de un resistor con una resistencia de 20 k. Podemos calcular fácilmente el voltaje usando la ley de Ohm:
U = IR = 300uA * 20k = 6V
¿Resulta que este voltaje es el voltaje de salida del amplificador? No, eso no es cierto. Recuerde que una resistencia de 20k tiene un voltaje de 3V en uno de sus terminales. Observe cómo se dirigen los voltajes a través de ambas resistencias.
La corriente fluye en la dirección opuesta a la flecha, simbolizando el punto con mayor voltaje. Por lo tanto, a los 6V calculados es necesario agregar otros 3V en la entrada. En este caso el resultado final será 9V.
Vale la pena señalar que las resistencias R1 y R2 forman una simple. Recuerde que la suma de los voltajes a través de las resistencias individuales del divisor debe ser igual al voltaje suministrado al divisor; el voltaje no puede desaparecer sin dejar rastro y aparecer de la nada.
Finalmente debemos comprobar el resultado obtenido con la última regla:
Regla número 3: los voltajes en las entradas y salidas deben estar en el rango entre el voltaje de suministro positivo y negativo del amplificador operacional.
Es decir, es necesario comprobar que realmente se puede obtener el voltaje que calculamos. A menudo los principiantes piensan que el amplificador funciona como un “Perpetuum Mobile” y produce tensión de la nada. Pero debemos recordar que el amplificador también necesita energía para funcionar.
Los amplificadores clásicos funcionan con voltajes de -15 V y +15 V. En tal situación, los 9V que calculamos son el voltaje real, ya que 9V está en el rango del voltaje de suministro. Sin embargo, los amplificadores modernos suelen funcionar con voltajes tan bajos como 5 V o menos. En tal situación, no hay posibilidad de que el amplificador emita 9V.
Por lo tanto, al diseñar circuitos siempre hay que recordar que los cálculos teóricos siempre deben cotejarse con la realidad y las capacidades físicas de los componentes.
Los amplificadores operacionales son uno de los componentes principales de los dispositivos electrónicos analógicos modernos. Gracias a la simplicidad de los cálculos y los excelentes parámetros, los amplificadores operacionales son fáciles de usar. También se les llama amplificadores diferenciales porque son capaces de amplificar la diferencia de voltajes de entrada.
El uso de amplificadores operacionales en tecnología de audio es especialmente popular para mejorar el sonido de los parlantes musicales.
Designación en diagramas.
Por lo general, salen cinco pines de la carcasa del amplificador, de los cuales dos son entradas, uno es salida y los dos restantes son fuente de alimentación.
Principio de funcionamiento
Hay dos reglas que le ayudarán a comprender el principio de funcionamiento de un amplificador operacional:
- La salida del amplificador operacional tiende a tener una diferencia de voltaje cero entre las entradas.
- Las entradas del amplificador no consumen corriente.
La primera entrada se denomina "+" y se denomina no inversora. La segunda entrada está marcada con un signo "-" y se considera invertida.
Las entradas del amplificador tienen una alta resistencia llamada impedancia. Esto permite un consumo de corriente en las entradas de varios nanoamperios. En la entrada se evalúa el valor de la tensión. Dependiendo de esta evaluación, el amplificador emite una señal amplificada.
El factor de ganancia es de gran importancia, llegando en ocasiones al millón. Esto significa que si se aplica al menos 1 milivoltio a la entrada, entonces el voltaje de salida será igual al voltaje de la fuente de alimentación del amplificador. Por lo tanto, los opamps no se utilizan sin retroalimentación.
Las entradas del amplificador funcionan según el siguiente principio: si el voltaje en la entrada no inversora es mayor que el voltaje en la entrada inversora, entonces la salida tendrá el voltaje positivo más alto. En la situación opuesta, la producción tendrá el mayor valor negativo.
El voltaje negativo y positivo en la salida del amplificador operacional es posible debido al uso de una fuente de alimentación que tiene un voltaje bipolar dividido.
potencia del amplificador operacional
Si tomas una batería AA, tiene dos polos: positivo y negativo. Si el polo negativo se considera el punto de referencia cero, entonces el polo positivo mostrará +1,5 V. Esto se puede ver desde el conectado.
Tome dos elementos y conéctelos en serie, obtendrá la siguiente imagen.
Si se toma el polo negativo de la batería inferior como punto cero y se mide el voltaje en el polo positivo de la batería superior, el dispositivo mostrará +10 voltios.
Si tomamos el punto medio entre las baterías como cero, entonces obtenemos una fuente de voltaje bipolar, ya que hay un voltaje de polaridad positiva y negativa, igual a +5 voltios y -5 voltios, respectivamente.
Hay circuitos simples de suministro de energía dividida que se utilizan en los diseños de radioaficionados.
La energía al circuito se suministra desde una red doméstica. El transformador reduce la corriente a 30 voltios. El devanado secundario en el medio tiene un grifo, con la ayuda del cual se obtiene una tensión rectificada de +15 V y -15 V.
Variedades
Hay varios diseños de amplificadores operacionales diferentes que vale la pena analizar en detalle.
amplificador inversor
Este es el esquema principal. La peculiaridad de este circuito es que los opamps se caracterizan, además de la amplificación, por un cambio de fase. La letra "k" representa el parámetro de ganancia. El gráfico muestra el efecto del amplificador en este circuito.
El color azul representa la señal de entrada y el color rojo representa la señal de salida. La ganancia en este caso es igual a: k = 2. La amplitud de la señal de salida es 2 veces mayor que la señal de entrada. La salida del amplificador está invertida, de ahí su nombre. Los amplificadores operacionales inversores tienen un circuito simple:
Estos amplificadores operacionales se han vuelto populares debido a su diseño simple. Para calcular la ganancia, use la fórmula:
Esto muestra que la ganancia del amplificador operacional no depende de la resistencia R3, por lo que puedes prescindir de ella. Aquí se utiliza para protección.
Amplificadores operacionales no inversores
Este circuito es similar al anterior, la diferencia es la ausencia de inversión (inversión) de la señal. Esto significa mantener la fase de la señal. El gráfico muestra una señal amplificada.
La ganancia del amplificador no inversor también es igual a: k = 2. Se suministra una señal en forma de sinusoide a la entrada, solo su amplitud ha cambiado en la salida;
Este circuito no es menos sencillo que el anterior; tiene dos resistencias. En la entrada, la señal se aplica al terminal positivo. Para calcular la ganancia necesitas usar la fórmula:
Muestra que la ganancia nunca es menor que la unidad, ya que la señal no se suprime.
Circuito de resta
Este circuito permite crear una diferencia entre dos señales de entrada, que pueden amplificarse. El gráfico muestra el principio de funcionamiento de un circuito diferencial.
Este circuito amplificador también se llama circuito de resta.
Tiene un diseño más complejo, a diferencia de los esquemas discutidos anteriormente. Para calcular el voltaje de salida use la fórmula:
El lado izquierdo de la expresión (R3/R1) determina la ganancia y el lado derecho (Ua – Ub) es la diferencia de voltaje.
Circuito adicional
Este circuito se llama amplificador integrado. Es lo opuesto al esquema de resta. Su característica especial es la capacidad de procesar más de dos señales. Todos los mezcladores de sonido funcionan según este principio.
Este diagrama muestra la capacidad de sumar múltiples señales. Para calcular el voltaje se utiliza la fórmula:
circuito integrador
Si agrega un capacitor de retroalimentación al circuito, obtiene un integrador. Este es otro dispositivo que utiliza amplificadores operacionales.
El circuito integrador es similar a un amplificador inversor, con capacitancia agregada a la retroalimentación. Esto conduce a la dependencia del funcionamiento del sistema de la frecuencia de la señal de entrada.
El integrador se caracteriza por una característica interesante de la transición entre señales: primero, la señal rectangular se convierte en triangular, luego se convierte en sinusoidal. La ganancia se calcula mediante la fórmula:
En esta fórmula la variable ω = 2 π f aumenta al aumentar la frecuencia, por lo tanto, cuanto mayor es la frecuencia, menor es la ganancia. Por tanto, el integrador puede actuar como un filtro de paso bajo activo.
Circuito diferenciador
En este esquema ocurre la situación contraria. Se conecta una capacitancia en la entrada y una resistencia en la retroalimentación.
A juzgar por el nombre del circuito, en la diferencia radica su principio de funcionamiento. Cuanto más rápido cambie la señal, mayor será la ganancia. Esta opción le permite crear filtros activos para altas frecuencias.
La ganancia del diferenciador se calcula mediante la fórmula:
Esta expresión es la inversa de la expresión integradora. La ganancia aumenta en dirección negativa a medida que aumenta la frecuencia.
Comparador analógico
Un dispositivo comparador compara dos valores de voltaje y conduce la señal a un valor de salida bajo o alto, según el estado del voltaje. Este sistema incluye electrónica digital y analógica.
Una característica especial de este sistema es la ausencia de retroalimentación en la versión principal. Esto significa que la resistencia del bucle es muy alta.
Se suministra una señal a la entrada positiva y el voltaje principal, que se establece mediante un potenciómetro, a la entrada negativa. Debido a la ausencia de retroalimentación, la ganancia tiende al infinito.
Cuando el voltaje en la entrada excede el valor del voltaje de referencia principal, la salida recibe el voltaje más alto, que es igual al voltaje de suministro positivo. Si el voltaje de entrada es menor que el voltaje de referencia, entonces el valor de salida será un voltaje negativo igual al voltaje de la fuente de alimentación.
Hay un defecto importante en el circuito comparador analógico. Cuando los valores de voltaje en las dos entradas se acercan, el voltaje de salida puede cambiar con frecuencia, lo que generalmente provoca saltos y mal funcionamiento en el relé. Esto puede provocar un mal funcionamiento del equipo. Para solucionar este problema se utiliza un circuito con histéresis.
Comparador analógico con histéresis
La figura muestra el diagrama de funcionamiento del circuito c, que es similar al circuito anterior. La diferencia es que el apagado y el encendido no se producen con el mismo voltaje.
La dirección de las flechas en el gráfico indica la dirección en la que se mueve la histéresis. Al examinar el gráfico de izquierda a derecha, se puede ver que la transición a un nivel más bajo ocurre con el voltaje Uph, y moviéndose de derecha a izquierda, el voltaje de salida alcanzará el nivel más alto con el voltaje Upl.
Este principio de funcionamiento conduce al hecho de que a valores iguales de voltajes de entrada, el estado en la salida no cambia, ya que para cambiar se requiere una diferencia de voltaje de una cantidad significativa.
Este funcionamiento del circuito provoca cierta inercia del sistema, pero es más seguro, a diferencia de un circuito sin histéresis. Normalmente, este principio de funcionamiento se utiliza en dispositivos de calefacción con termostato: estufas, planchas, etc. La figura muestra un circuito amplificador con histéresis.
Los voltajes se calculan utilizando las siguientes dependencias:
Repetidores de voltaje
Los amplificadores operacionales se utilizan a menudo en circuitos seguidores de voltaje. La característica principal de estos dispositivos es que no amplifican ni atenúan la señal, es decir, la ganancia en este caso es igual a la unidad. Esta característica se debe al hecho de que el circuito de retroalimentación tiene una resistencia igual a cero.
Estos sistemas seguidores de voltaje se utilizan con mayor frecuencia como amortiguador para aumentar la corriente de carga y el rendimiento del dispositivo. Dado que la corriente de entrada es cercana a cero y la corriente de salida depende del tipo de amplificador, es posible descargar fuentes de señal débiles, por ejemplo, algunos sensores.
Un amplificador operacional (op-amp) generalmente se denomina amplificador de CC integrado con una entrada diferencial y una salida push-pull, diseñado para funcionar con circuitos de retroalimentación. El nombre del amplificador se debe a su área de aplicación original: realizar diversas operaciones con señales analógicas (suma, resta, integración, etc.). Actualmente, los amplificadores operacionales sirven como unidades multifuncionales en la implementación de una variedad de dispositivos electrónicos para diversos fines. Se utilizan para amplificación, limitación, multiplicación, filtrado de frecuencia, generación, estabilización, etc. señales en dispositivos continuos y pulsados.
Cabe señalar que los amplificadores operacionales monolíticos modernos difieren ligeramente en tamaño y precio de los elementos discretos individuales, por ejemplo, los transistores. Por lo tanto, la implementación de varios dispositivos en un amplificador operacional suele ser mucho más sencilla que en elementos discretos o en circuitos integrados de amplificación.
Un amplificador operacional ideal tiene una ganancia de voltaje infinitamente grande ( K y amplificador operacional=∞), impedancia de entrada infinitamente grande, impedancia de salida infinitamente pequeña, CMRR infinitamente grande y banda de frecuencia operativa infinitamente amplia. Naturalmente, en la práctica ninguna de estas propiedades puede realizarse plenamente, pero sí se pueden alcanzar en un grado suficiente para muchos ámbitos.
La Figura 6.1 muestra dos versiones de los símbolos del amplificador operacional: simplificada (a) y con terminales adicionales para conectar circuitos de alimentación y circuitos de corrección de frecuencia (b).
Figura 6.1. Símbolos del sistema operativo
Con base en los requisitos de las características de un amplificador operacional ideal, es posible sintetizar su estructura interna, presentada en la Figura 6.2.
Figura 6.2. Diagrama de bloques del amplificador operacional.
En la Figura 6.3 se muestra un circuito eléctrico simplificado de un amplificador operacional simple, que implementa el diagrama de bloques de la Figura 6.2.
Figura 6.3. Circuito de amplificador operacional simple
Este circuito contiene un control remoto de entrada (VT 1 y VT 2) con un espejo de corriente (VT 3 y VT 4), etapas intermedias con OK (VT 5) y con OE (VT 6), y un amplificador de corriente de salida en transistores VT. 7 y VT 8 . El amplificador operacional puede contener circuitos de corrección de frecuencia (Ccor), circuitos de alimentación y estabilización térmica (VD 1, VD 2, etc.), IST, etc. La fuente de alimentación bipolar permite la comunicación galvánica entre las etapas del amplificador operacional y los potenciales cero en sus entradas y salidas en ausencia de señal. Para obtener una alta impedancia de entrada, el control remoto de la entrada se puede realizar en CC. Cabe señalar que existe una amplia variedad de diseños de circuitos de amplificadores operacionales; sin embargo, los principios básicos de su construcción se ilustran completamente en la Figura 6.3.
6.2. Principales parámetros y características del amplificador operacional.
El parámetro principal del amplificador operacional es la ganancia de voltaje sin retroalimentación. amplificador operacional ku, también llamada ganancia de voltaje total. En las regiones de graves y medios a veces se le denomina k u amplificador operacional 0 y puede llegar a varias decenas y cientos de miles.
Los parámetros importantes del amplificador operacional son sus parámetros de precisión, determinados por la etapa diferencial de entrada. Dado que los parámetros de precisión del mando a distancia fueron considerados en el apartado 5.5, aquí nos limitamos a enumerarlos:
◆ voltaje de compensación cero cm;
◆ sensibilidad a la temperatura del voltaje de compensación cero dU cm/dT;
◆ corriente de polarización Δ yo ingreso;
◆ corriente de entrada promedio entré mié.
Los circuitos de entrada y salida del amplificador operacional están representados por la entrada. entrada R y fines de semana R fuera del amplificador operacional resistencias dadas para amplificadores operacionales sin circuitos OOS. Para el circuito de salida, también se proporcionan parámetros como la corriente máxima de salida. amplificador de salida y resistencia de carga mínima R norte Capacidad de carga mínima y, a veces, máxima. El circuito de entrada del amplificador operacional puede incluir capacitancia entre las entradas y el bus común. En la Figura 6.4 se presentan circuitos equivalentes simplificados de los circuitos de entrada y salida del amplificador operacional.
Figura 6.4. Un macromodelo lineal simple de un amplificador operacional.
Entre los parámetros del amplificador operacional, cabe destacar el CMRR y el coeficiente de atenuación de la influencia de la inestabilidad de la fuente de alimentación, KOVNP=20lg·(Δ mi/Δ U en). Ambos parámetros en los amplificadores operacionales modernos tienen sus valores dentro de (60...120) dB.
Los parámetros de energía del amplificador operacional incluyen el voltaje de las fuentes de alimentación ±E, el consumo de corriente (en reposo) yo p y consumo de energía. Por regla general, yo p asciende a décimas, decenas de miliamperios, y el consumo de energía está determinado de forma única yo p, unidades: decenas de milivatios.
Los parámetros máximos permitidos del amplificador operacional incluyen:
◆ voltaje de señal de salida máximo posible (sin distorsionar) Estás fuera max (normalmente un poco menos que E);
◆ disipación de potencia máxima permitida;
◆ rango de temperatura de funcionamiento;
◆ tensión de alimentación máxima;
◆ tensión diferencial de entrada máxima, etc.
Los parámetros de frecuencia incluyen la frecuencia de corte absoluta o la frecuencia de ganancia unitaria. fT (F 1), es decir frecuencia a la que amplificador operacional ku=1. A veces se utiliza el concepto de velocidad de respuesta y tiempo de estabilización del voltaje de salida, determinado por la respuesta del amplificador operacional al impacto de un aumento de voltaje en su entrada. Para algunos amplificadores operacionales, también se proporcionan parámetros adicionales que reflejan su área de aplicación específica.
Las características de amplitud (transferencia) del amplificador operacional se presentan en la Figura 6.5 en forma de dos dependencias. Estás fuera=F(U en) para entradas inversoras y no inversoras.
Cuando en ambas entradas del amplificador operacional U en=0, entonces habrá una tensión de error en la salida U osh, determinado por los parámetros de precisión del amplificador operacional (en la Figura 6.5 U osh no se muestra debido a su pequeño tamaño).
Figura 6.5. AH OU
Las propiedades de frecuencia de un amplificador operacional están representadas por su respuesta de frecuencia, realizada en una escala logarítmica, amplificador operacional ku=φ(registro F). Esta respuesta de frecuencia se llama logarítmica (LAFC), su forma típica se muestra en la Figura 6.6 (para el amplificador operacional K140UD10).
Figura 6.6. LFC y LFCH OU K140UD10
Dependencia de la frecuencia amplificador operacional ku se puede representar como:
Aquí τ V constante de tiempo del amplificador operacional, que en M en=3 dB determina la frecuencia de acoplamiento (corte) del amplificador operacional (consulte la Figura 6.6);
ω V= 1/τ V= 2π f en.
Reemplazando en la expresión por amplificador operacional ku τ V por 1/ω V, obtenemos la entrada LACHH:
En graves y medios k u amplificador operacional=20lg k u amplificador operacional 0, es decir El LFC es una línea recta paralela al eje de frecuencia. Con cierta aproximación, podemos suponer que en la región HF la disminución k u amplificador operacional ocurre a una tasa de 20 dB por década (6 dB por octava). Entonces para ω>>ω V Puedes simplificar la expresión para LAC:
amplificador operacional ku= 20 litros k u amplificador operacional 0 – 20log(ω/ω V).
Por tanto, la LFC en la región de HF está representada por una línea recta con una pendiente hacia el eje de frecuencia de 20 dB/dec. El punto de intersección de las rectas consideradas que representan el LFC corresponde a la frecuencia de conjugación ω V (f en). La diferencia entre el LFC real e ideal en frecuencia. f en es de aproximadamente 3 dB (consulte la Figura 6.6), sin embargo, para facilitar el análisis, esto se tolera y estos gráficos generalmente se denominan diagramas de bode .
Cabe señalar que la tasa de caída del LFC de 20 dB/dec es típica de los amplificadores operacionales corregidos con corrección externa o interna, cuyos principios básicos se analizarán a continuación.
La Figura 6.6 también muestra la respuesta de fase logarítmica (LPFC), que es la dependencia del desplazamiento de fase j de la señal de salida con respecto a la señal de entrada en la frecuencia. El LFFC real difiere del presentado en no más de 6°. Tenga en cuenta que para un amplificador operacional real j=45° a la frecuencia f en, y en frecuencia fT- 90°. Por lo tanto, el cambio de fase intrínseco de la señal de trabajo en el amplificador operacional corregido en la región HF puede alcanzar 90°.
Los parámetros y características del amplificador operacional discutidos anteriormente lo describen en ausencia de circuitos OOS. Sin embargo, como se señaló, los amplificadores operacionales casi siempre se usan con circuitos OOS, lo que afecta significativamente todos sus indicadores.
6.3. amplificador inversor
Los amplificadores operacionales se utilizan con mayor frecuencia en amplificadores inversores y no inversores. En la Figura 6.7 se muestra un diagrama de circuito simplificado de un amplificador inversor de amplificador operacional.
Figura 6.7. amplificador inversor op amp
La resistencia R 1 representa la resistencia interna de la fuente de señal. P.ej, mediante R os la OU queda cubierta por ∥OOSN.
Con un amplificador operacional ideal, la diferencia de voltaje en los terminales de entrada tiende a cero y, dado que la entrada no inversora está conectada al bus común a través de la resistencia R2, el potencial en el punto a también debe ser nulo (“cero virtual”, “tierra aparente”). Como resultado, podemos escribir: Yo g=yo os, es decir. P.ej/R 1 =–Estás fuera/rosa. De aquí obtenemos:
KU inv = Estás fuera/P.ej = –rosa/R 1 ,
aquellos. con amplificador operacional ideal KU inv está determinado por la relación de los valores de las resistencias externas y no depende del amplificador operacional en sí.
Para un amplificador operacional real, es necesario tener en cuenta su corriente de entrada. yo ingreso, es decir. Yo g=yo os+yo ingreso o ( P.ej–U en)/R 1 =(U en–Estás fuera)/rosa+U en/entrada U, Dónde U en- voltaje de señal en la entrada inversora del amplificador operacional, es decir en el punto a. Luego, para un amplificador operacional real obtenemos:
Es fácil demostrar que cuando la profundidad OOS es superior a 10, es decir amplificador operacional ku/KU inv=F>10, error de cálculo KU inv para el caso de un amplificador operacional ideal, no supera el 10%, lo que es suficiente para la mayoría de los casos prácticos.
Los valores de resistencia en los dispositivos de amplificador operacional no deben exceder varios megaohmios; de lo contrario, puede ocurrir un funcionamiento inestable del amplificador debido a corrientes de fuga, corrientes de entrada del amplificador operacional, etc. Si, como resultado del cálculo, el valor rosa excede el valor máximo recomendado, entonces es recomendable utilizar una cadena OOS en forma de T, que, con valores de resistencia moderados, le permite realizar la función de una cadena equivalente de alta resistencia. rosa(Figura 6.7b). En este caso, puedes escribir:
En la práctica, a menudo se supone que R SO 1 =R SO 2 >>R SO 3 y el valor R Generalmente se da 1, por lo que R SO 3 se determina de forma bastante sencilla.
Impedancia de entrada del amplificador inversor del amplificador operacional entrada R invertida tiene un valor relativamente pequeño determinado por OOS paralelo:
entrada R invertida = R 1 +(rosa/amplificador operacional ku + 1)∥entrada R≈ R 1 ,
aquellos. en libertad amplificador operacional ku La resistencia de entrada está determinada por el valor. R 1 .
Impedancia de salida del amplificador inversor R salida inv en un amplificador operacional real es diferente de cero y se define como R amplificador operacional de salida, y la profundidad de la protección ambiental F. Para F>10, podemos escribir:
R salida inv = R amplificador operacional de salida/F = R amplificador operacional de salida/KU inv/amplificador operacional ku.
Usando el LFC del amplificador operacional, puede representar el rango de frecuencia del amplificador inversor (ver Figura 6.6), y
f BOC = fT/KU inv.
En el límite puedes conseguir KU inv=1, es decir conseguir un seguidor invertido. En este caso, obtenemos la impedancia de salida mínima del amplificador operacional:
R fuera = R amplificador operacional de salida/amplificador operacional ku.
En un amplificador que utiliza un amplificador operacional real en la salida del amplificador en U en El voltaje de error =0 siempre estará presente U osh, generado cm y Δ yo ingreso. Para reducir U osh esfuércese por ecualizar las resistencias equivalentes conectadas a las entradas del amplificador operacional, es decir, llevar R 2 =R 1 ∥rosa(Ver Figura 6.7a). Si se cumple esta condición para KU inv>10 se puede escribir:
U osh ≈ U cm K U inv + Δ Yo en Ros.
Disminuir U osh posible aplicando polarización adicional a la entrada no inversora (usando un divisor adicional) y reduciendo los valores de las resistencias utilizadas.
Sobre la base del UPT inversor considerado, es posible crear un amplificador de CA conectando condensadores separadores a la entrada y la salida, cuyas clasificaciones se determinan en función de un factor de distorsión de frecuencia determinado. m n(ver subsección 2.5).
6.4. Amplificador no inversor
En la Figura 6.8 se muestra un diagrama de circuito simplificado de un amplificador operacional no inversor.
Figura 6.8. Amplificador operacional no inversor
Es fácil demostrar que en un amplificador no inversor el amplificador operacional está cubierto por el POSN. Desde U en Y nosotros se suministran a diferentes entradas, entonces para un amplificador operacional ideal podemos escribir:
U en = U fuera R 1 /(R 1 + rosa),
de donde la ganancia de voltaje del amplificador no inversor:
KU no inv = 1 + rosa/R 1 ,
KU no inv = 1 + |KU inv|.
Para un amplificador no inversor basado en un amplificador operacional real, las expresiones obtenidas son válidas a una profundidad OOS de F>10.
Impedancia de entrada de un amplificador no inversor Entrada R no inv es grande y está determinado por OOS profundo y consistente y alto valor entrada R:
Entrada R no inv = entrada R· F = entrada R· KU OU/KU no inv.
La impedancia de salida de un amplificador operacional no inversor se determina como para un amplificador inversor, porque en ambos casos se aplica el sistema de protección de tensión:
R fuera no inv = R fuera del amplificador operacional/F = R fuera del amplificador operacional/KU no inv/KU OU.
La expansión de la banda de frecuencia operativa en un amplificador no inversor se logra de la misma manera que en un amplificador inversor, es decir,
f BOC = fT/KU no inv.
Para reducir el error de corriente en un amplificador no inversor, similar a un amplificador inversor, se debe cumplir la siguiente condición:
r g = R 1 ∥rosa.
A menudo se utiliza un amplificador no inversor para grandes r g(lo cual es posible debido a la gran Entrada R no inv), por lo tanto, no siempre es posible cumplir esta condición debido a restricciones en el valor de los valores de resistencia.
La presencia de una señal de modo común en la entrada inversora (transmitida a través del circuito: entrada del amplificador operacional no inversor ⇒ salida del amplificador operacional ⇒ rosa⇒ invertir la entrada del amplificador operacional) conduce a un aumento U osh, lo cual es una desventaja del amplificador en cuestión.
Incrementando la profundidad de la protección ambiental es posible lograr KU no inv=1, es decir obteniendo un repetidor no inversor, cuyo circuito se muestra en la Figura 6.9.
Figura 6.9. Seguidor de amplificador operacional no inversor
Aquí se consigue el 100% de POSN, por lo que este repetidor tiene la impedancia de entrada más alta y la impedancia de salida mínima y se utiliza, como cualquier repetidor, como etapa de adaptación. Para un seguidor que no invierte, puede escribir:
U osh ≈ cm + Yo en sr R g ≈ Yo en sr R g,
aquellos. La tensión de error puede alcanzar valores bastante grandes.
Sobre la base del UPT no inversor considerado, también es posible crear un amplificador de CA conectando condensadores de acoplamiento a la entrada y la salida, cuyas clasificaciones se determinan en función de un factor de distorsión de frecuencia determinado. m n(ver subsección 2.5).
Además de los amplificadores inversores y no inversores basados en amplificadores operacionales, hay varias opciones de amplificadores operacionales disponibles, algunas de las cuales se analizarán a continuación.
6.5. Tipos de unidades de control en el amplificador operacional.
amplificador diferencial (diferencial) , cuyo diagrama se muestra en la Figura 6.10.
Figura 6.10. Amplificador diferencial de amplificador operacional
Un amplificador diferencial de amplificador operacional se puede considerar como una combinación de opciones de amplificador inversor y no inversor. Para Estás fuera amplificador diferencial se puede escribir:
Estás fuera = K U inv U en 1 +K U no inv U en 2 R 3 /(R 2 + R 3).
Por regla general, R 1 =R 2 y R 3 =rosa, por eso, R 3 /R 2 =rosa/R 1 =metro. Ampliando los valores de los factores de ganancia, obtenemos:
Estás fuera = metro(U en 2 – U en 1),
Para el caso especial cuando R 2 =R 3 obtenemos:
Estás fuera = U en 2 – U en 1 .
La última expresión explica claramente el origen del nombre y la finalidad del amplificador en cuestión.
En un amplificador diferencial de amplificador operacional, con la misma polaridad de los voltajes de entrada, se produce una señal de modo común, lo que aumenta el error del amplificador. Por lo tanto, en un amplificador diferencial es deseable utilizar un amplificador operacional con un CMRR grande. Las desventajas del amplificador diferencial considerado incluyen diferentes valores de resistencias de entrada y dificultad para ajustar la ganancia. Estas dificultades se eliminan en dispositivos que utilizan varios amplificadores operacionales, por ejemplo, en un amplificador diferencial con dos repetidores (Figura 6.11).
Figura 6.11. Amplificador diferencial repetidor
Este circuito es simétrico y se caracteriza por las mismas resistencias de entrada y un voltaje de error bajo, pero solo funciona para una carga simétrica.
Basado en el amplificador operacional se puede realizar amplificador logarítmico , cuyo diagrama esquemático se muestra en la Figura 6.12.
Figura 6.12 Amplificador operacional logarítmico
La unión P-n del diodo VD está polarizada directamente. Suponiendo que el amplificador operacional es ideal, podemos equiparar las corrientes I 1 y I 2. Usando la expresión para la característica corriente-voltaje de la unión p-n ( I=I 0 ), es fácil escribir:
U en/R= I 0 ·,
de donde después de las transformaciones obtenemos:
Estás fuera = φT en( U en/I 0 R) = φT(en U en–en I 0 R),
de lo cual se deduce que el voltaje de salida es proporcional al logaritmo de la entrada, y el término ln I 0 R representa el error del logaritmo. Cabe señalar que esta expresión utiliza voltajes normalizados a un voltio.
Al reemplazar el diodo VD y la resistencia R, obtenemos amplificador antilogarítmico .
Invertir y no invertir sumadores en amplificadores operacionales, también llamados amplificadores sumadores o sumadores analógicos. La figura 6.13 muestra un diagrama esquemático de un sumador inversor con tres entradas. Este dispositivo es un tipo de amplificador inversor, muchas de cuyas propiedades también se manifiestan en el sumador inversor.
Figura 6.13. Sumador inversor de amplificador operacional
U en 1 /R 1 + U en 2 /R 2 + U en 3 /R 3 = –Estás fuera/rosa,
De la expresión resultante se deduce que el voltaje de salida del dispositivo es la suma de los voltajes de entrada multiplicados por la ganancia. KU inv. En rosa=R 1 =R 2 =R 3 KU inv=1 y Estás fuera=U en 1 +U en 2 +U en 3 .
Cuando se cumple la condición R 4 =rosa∥R 1 ∥R 2 ∥R 3, el error actual es pequeño y se puede calcular mediante la fórmula U osh=cm(ku osh+1), donde ku osh=rosa/(R 1 ∥R 2 ∥R 3) - factor de amplificación de la señal de error, que tiene un valor mayor que KU inv.
Sumador no inversor se implementa de la misma manera que un sumador inversor, pero debe utilizar la entrada no inversora del amplificador operacional por analogía con un amplificador no inversor.
Al reemplazar la resistencia Roc con el capacitor C (Figura 6.14), obtenemos un dispositivo llamado integrador analogico o simplemente un integrador.
Figura 6.14. Integrador analógico en amplificador operacional
Con un amplificador operacional ideal, las corrientes se pueden equiparar I 1 y I 2, de donde se sigue:
Cuanto mayor sea la precisión de la integración, mayor amplificador operacional ku.
Además de las unidades de control consideradas, los amplificadores operacionales se utilizan en varios dispositivos continuos, que se analizarán a continuación.
6.6. Corrección de respuesta de frecuencia
Por corrección de las características de frecuencia nos referimos a cambiar el LFC y el LPFC para obtener las propiedades necesarias de los dispositivos amplificadores operacionales y, sobre todo, garantizar un funcionamiento estable. Generalmente se usa un amplificador operacional con circuitos OOS; sin embargo, bajo ciertas condiciones, debido a cambios de fase adicionales en los componentes de frecuencia de la señal, el OOS puede convertirse en un POS y el amplificador perderá estabilidad. Dado que el OOS es muy profundo ( βKU>>1), es especialmente importante asegurar un cambio de fase entre las señales de entrada y salida para garantizar que no haya excitación.
Anteriormente, en la Figura 6.6, se mostraron las respuestas de LFC y LPFC para el amplificador operacional corregido, en forma equivalente a la respuesta de LFC y LPFC de una sola etapa amplificadora, de la cual se puede ver que el desplazamiento de fase máximo φ<90° при amplificador operacional ku>1, y la tasa de caída de ganancia en la región HF es de 20 dB/dec. Un amplificador de este tipo es estable a cualquier profundidad de retroalimentación.
Si el amplificador operacional consta de varias cascadas (por ejemplo, tres), cada una de las cuales tiene una tasa de caída de 20 dB/dec y no contiene circuitos de corrección, entonces su LFC y LPFC tienen una forma más compleja (Figura 6.15) y contienen una región de oscilaciones inestables.
Figura 6.15. LFC y LPFC de amplificador operacional sin corregir
Para garantizar un funcionamiento estable de los dispositivos amplificadores operacionales, se utilizan circuitos de corrección internos y externos, con la ayuda de los cuales logran un cambio de fase total con un circuito de retroalimentación abierto de menos de 135° a la frecuencia máxima de funcionamiento. En este caso, automáticamente resulta que la disminución amplificador operacional ku es de aproximadamente 20 dB/dec.
Es conveniente utilizarlo como criterio para la estabilidad de los dispositivos amplificadores operacionales. Criterio de presagio , formulado de la siguiente manera: "Un amplificador con un circuito de retroalimentación es estable si la línea recta de su ganancia en decibelios cruza el LFC en una sección con una caída de 20 dB/dec." Por lo tanto, podemos concluir que los circuitos de corrección de frecuencia en el amplificador operacional deben proporcionar la tasa de caída KU inv(KU no inv) en HF aproximadamente 20 dB/dec.
Los circuitos de corrección de frecuencia pueden integrarse en el cristal semiconductor o crearse mediante elementos externos. El circuito de corrección de frecuencia más simple se lleva a cabo conectando un condensador C cor de un valor suficientemente grande a la salida del amplificador operacional. Es necesario que el tiempo sea constante. núcleo τ=R fuera C cor era mayor que 1/2π f en. En este caso, las señales de alta frecuencia en la salida del amplificador operacional serán desviadas del núcleo C y la banda de frecuencia operativa se reducirá, la mayoría de ellas de manera bastante significativa, lo que es un inconveniente importante de este tipo de corrección. El LFC obtenido en este caso se muestra en la Figura 6.16.
Figura 6.16. Corrección de frecuencia con condensador externo.
Recesión amplificador operacional ku aquí no excederá los 20 dB/dec, y el amplificador operacional en sí será estable con la introducción de OOS, ya que φ nunca excederá los 135°.
Los circuitos correctivos de tipo integrador (corrección de retraso) y diferenciador (corrección avanzada) son más avanzados. En general, una corrección de tipo integrador se manifiesta de manera similar a la acción de una capacitancia correctiva (de carga). El circuito RC de corrección está conectado entre las etapas del amplificador operacional (Figura 6.17).
Figura 6.17. Corrección de frecuencia de tipo integrador
La resistencia R 1 es la resistencia de entrada de la etapa del amplificador operacional, y el circuito de corrección en sí contiene los núcleos R y C. La constante de tiempo de este circuito debe ser mayor que la constante de tiempo de cualquiera de las etapas del amplificador operacional. Dado que el circuito de corrección es el circuito RC de enlace único más simple, su pendiente LFC es de 20 dB/dec, lo que garantiza un funcionamiento estable del amplificador. Y en este caso, el circuito de corrección estrecha la banda de frecuencia operativa del amplificador, pero una banda ancha aún no hace nada si el amplificador es inestable.
La corrección de tipo diferencial garantiza el funcionamiento estable del amplificador operacional con una banda relativamente ancha. La esencia de este método para corregir LFC y LPFC es que las señales de RF pasan dentro del amplificador operacional, sin pasar por parte de las cascadas (o elementos) que proporcionan el máximo k u amplificador operacional 0, no están amplificados ni retrasados en fase. Como resultado, las señales de RF se amplificarán menos, pero su pequeño cambio de fase no provocará una pérdida de estabilidad del amplificador. Para implementar la corrección de tipo diferencial, se conecta un condensador de corrección a los terminales especiales del amplificador operacional (Figura 6.18).
Figura 6.18. Corrección de frecuencia de tipo diferencial
Además de los circuitos correctores considerados, se conocen otros (ver, por ejemplo). Al elegir los esquemas de corrección y los valores de sus elementos, debe consultar la literatura de referencia (por ejemplo).
Se ha demostrado que cuando se utiliza un amplificador operacional en varios circuitos de conmutación, la ganancia de una etapa en un único amplificador operacional (op-amp) depende únicamente de la profundidad de retroalimentación. Por lo tanto, en las fórmulas para determinar la ganancia de un circuito específico, no se utiliza la ganancia del amplificador operacional, por así decirlo, "desnudo". Es decir, exactamente el enorme coeficiente que se indica en los libros de referencia.
Entonces es muy apropiado hacer la pregunta: "Si el resultado final (ganancia) no depende de este enorme coeficiente de "referencia", entonces ¿cuál es la diferencia entre un amplificador operacional con una ganancia de varios miles de veces y con el ¿El mismo amplificador operacional, pero con una ganancia de varios cientos de miles e incluso millones?
La respuesta es bastante sencilla. En ambos casos, el resultado será el mismo, la ganancia de la cascada estará determinada por los elementos OOS, pero en el segundo caso (amplificador operacional con alta ganancia), el circuito funciona de manera más estable y precisa, el rendimiento de dichos circuitos es mucho mayor. No en vano los amplificadores operacionales se dividen en amplificadores operacionales de uso general y amplificadores operacionales de alta precisión.
Como ya se mencionó, los amplificadores en cuestión recibieron el nombre de "operacionales" en esa época lejana en la que se utilizaban principalmente para realizar operaciones matemáticas en computadoras analógicas (AVM). Estas eran las operaciones de suma, resta, multiplicación, división, elevación al cuadrado y muchas otras funciones.
Estos amplificadores operacionales antediluvianos se fabricaron utilizando válvulas de vacío y, más tarde, transistores discretos y otros componentes de radio. Naturalmente, las dimensiones incluso de los amplificadores operacionales de transistores eran lo suficientemente grandes como para usarse en diseños de aficionados.
Y solo después, gracias a los logros de la electrónica integrada, los amplificadores operacionales adquirieron el tamaño de un transistor ordinario de baja potencia, se justificó el uso de estas piezas en equipos domésticos y circuitos de aficionados.
Por cierto, los amplificadores operacionales modernos, incluso los de calidad bastante alta, tienen un precio no muy superior al de dos o tres transistores. Esta declaración se aplica a los amplificadores operacionales de uso general. Los amplificadores de precisión pueden costar un poco más.
Con respecto a los circuitos de amplificador operacional, vale la pena señalar de inmediato que todos están diseñados para funcionar con una fuente de alimentación bipolar. Este modo es el más "familiar" para un amplificador operacional, ya que le permite amplificar no solo señales de voltaje alterno, por ejemplo una onda sinusoidal, sino también señales de corriente continua o simplemente voltaje.
Y, sin embargo, muy a menudo, los circuitos de amplificador operacional se alimentan de una fuente unipolar. Es cierto que en este caso no es posible aumentar el voltaje constante. Pero a menudo sucede que esto simplemente no es necesario. Los circuitos con fuente de alimentación unipolar se analizarán más adelante, pero por ahora continuaremos con los circuitos para encender amplificadores operacionales con fuente de alimentación bipolar.
El voltaje de suministro de la mayoría de los amplificadores operacionales suele estar dentro de ±15 V. Pero esto no significa en absoluto que este voltaje no pueda reducirse ligeramente (no se recomienda aumentarlo). Muchos amplificadores operacionales funcionan de manera muy estable a partir de ±3 V, y algunos modelos incluso ±1,5 V. Esta posibilidad está indicada en la documentación técnica (DataSheet).
Repetidor de voltaje
Es el dispositivo amplificador operacional más simple en términos de diseño de circuito; su circuito se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Circuito seguidor de voltaje del amplificador operacional
Es fácil ver que para crear un circuito de este tipo no se necesitaba ni una sola pieza excepto el propio amplificador operacional. Es cierto que la figura no muestra la conexión eléctrica, pero estos diagramas se encuentran todo el tiempo. Lo único que me gustaría señalar es que entre los pines de alimentación del amplificador operacional (por ejemplo, para el amplificador operacional KR140UD708 estos son los pines 7 y 4) y el cable común se debe conectar con una capacidad de 0,01...0,5 µF.
Su propósito es hacer que el funcionamiento del amplificador operacional sea más estable y eliminar la autoexcitación del circuito a lo largo de los circuitos de potencia. Los condensadores deben conectarse lo más cerca posible de los pines de alimentación del microcircuito. A veces se conecta un condensador por grupo de varios microcircuitos. Los mismos condensadores se pueden ver en placas con microcircuitos digitales, su propósito es el mismo.
La ganancia del repetidor es igual a la unidad o, para decirlo de otra manera, no hay ganancia alguna. Entonces, ¿por qué necesitamos un plan así? Aquí es muy apropiado recordar que hay un circuito de transistor, un seguidor de emisor, cuyo objetivo principal es combinar cascadas con diferentes resistencias de entrada. Estas cascadas (repetidoras) también se denominan cascadas de búfer.
La impedancia de entrada de un repetidor a un amplificador operacional se calcula como el producto de la impedancia de entrada del amplificador operacional y su ganancia. Por ejemplo, para el UD708 mencionado, la impedancia de entrada es de aproximadamente 0,5 MOhm, la ganancia es de al menos 30.000 y tal vez más. Si se multiplican estos números, la resistencia de entrada es de 15 GOhm, que es comparable a la resistencia de un aislamiento de no muy alta calidad, como el papel. Es poco probable que se pueda lograr un resultado tan alto con un seguidor de emisor convencional.
Para que las descripciones no generen dudas, a continuación se darán figuras que muestran el funcionamiento de todos los circuitos descritos en el programa simulador Multisim. Por supuesto, todos estos circuitos se pueden ensamblar en placas de pruebas, pero no se pueden obtener peores resultados en la pantalla de un monitor.
En realidad, aquí es incluso un poco mejor: no es necesario subirse a un estante en algún lugar para cambiar una resistencia o un microcircuito. Aquí todo, incluso los instrumentos de medición, está en el programa y se "accede" mediante el ratón o el teclado.
La Figura 2 muestra un circuito repetidor realizado en el programa Multisim.
Figura 2.
Investigar el circuito es bastante sencillo. Se suministra una señal sinusoidal con una frecuencia de 1 KHz y una amplitud de 2 V a la entrada del repetidor desde el generador funcional, como se muestra en la Figura 3.
Figura 3.
La señal en la entrada y salida del repetidor se observa mediante un osciloscopio: la señal de entrada se muestra como un haz azul y la señal de salida, como rojo.
Figura 4.
¿Por qué, se preguntará el lector atento, la señal de salida (roja) es dos veces más grande que la señal azul de entrada? Todo es muy sencillo: con la misma sensibilidad de los canales del osciloscopio, ambas sinusoides con la misma amplitud y fase se fusionan en una, escondiéndose una detrás de la otra.
Para poder ver ambos a la vez tuvimos que reducir la sensibilidad de uno de los canales, en este caso la entrada. Como resultado, la sinusoide azul se volvió exactamente la mitad del tamaño en la pantalla y dejó de esconderse detrás de la roja. Aunque para lograr un resultado similar, simplemente puede cambiar los haces usando los controles del osciloscopio, dejando la sensibilidad de los canales igual.
Ambas sinusoides están ubicadas simétricamente con respecto al eje del tiempo, lo que indica que el componente constante de la señal es cero. ¿Qué sucede si agrega un pequeño componente de CC a la señal de entrada? El generador virtual le permite desplazar la onda sinusoidal a lo largo del eje Y. Intentemos desplazarla hacia arriba en 500 mV.
Figura 5.
Lo que resultó de esto se muestra en la Figura 6.
Figura 6.
Es notable que las sinusoides de entrada y salida aumentaron medio voltio, sin cambiar en absoluto. Esto indica que el repetidor transmitió con precisión el componente CC de la señal. Pero la mayoría de las veces intentan deshacerse de este componente constante y hacerlo igual a cero, lo que evita el uso de elementos del circuito como condensadores de desacoplamiento entre etapas.
El repetidor es, por supuesto, bueno e incluso hermoso: no se necesitó ni una sola pieza adicional (aunque hay circuitos repetidores con "aditivos" menores), pero no recibieron ninguna ganancia. ¿Qué tipo de amplificador es este entonces? Para hacer un amplificador, basta con agregar algunos detalles; cómo hacerlo se describirá más adelante.
amplificador inversor
Para hacer un amplificador inversor a partir de un amplificador operacional, basta con agregar solo dos resistencias. Lo que resultó de esto se muestra en la Figura 7.
Figura 7. Circuito amplificador inversor
La ganancia de dicho amplificador se calcula mediante la fórmula K=-(R2/R1). El signo menos no significa que el amplificador esté defectuoso, sino solo que la señal de salida será opuesta en fase a la señal de entrada. No en vano el amplificador se llama amplificador inversor. Aquí sería apropiado recordar el transistor conectado según el circuito con el OE. También en este caso la señal de salida en el colector del transistor está desfasada con la señal de entrada aplicada a la base.
Aquí es donde vale la pena recordar cuánto esfuerzo tendrás que hacer para obtener una onda sinusoidal limpia y sin distorsión en el colector del transistor. Es necesario seleccionar la polarización en la base del transistor en consecuencia. Esto suele ser bastante complicado y depende de muchos parámetros.
Cuando se utiliza un amplificador operacional, basta con calcular la resistencia de las resistencias según la fórmula y obtener la ganancia especificada. Resulta que configurar un circuito utilizando un amplificador operacional es mucho más sencillo que configurar varias etapas de transistores. Por lo tanto, no hay que temer que el esquema no funcione, no funcione.
Figura 8.
Aquí todo es igual que en las figuras anteriores: la señal de entrada se muestra en azul y la señal después del amplificador se muestra en rojo. Todo corresponde a la fórmula K=-(R2/R1). La señal de salida está desfasada con la entrada (que corresponde al signo menos en la fórmula) y la amplitud de la señal de salida es exactamente el doble de la de entrada. Lo que también es cierto para la relación (R2/R1)=(20/10)=2. Para que la ganancia sea, por ejemplo, 10, basta con aumentar la resistencia de la resistencia R2 a 100 KOhm.
De hecho, el circuito amplificador inversor puede ser algo más complicado; esta opción se muestra en la Figura 9.
Figura 9.
Aquí apareció una nueva pieza: la resistencia R3 (más bien, simplemente desapareció del circuito anterior). Su propósito es compensar las corrientes de entrada de un amplificador operacional real para reducir la inestabilidad de temperatura del componente de CC en la salida. El valor de esta resistencia se elige según la fórmula R3=R1*R2/(R1+R2).
Los amplificadores operacionales modernos y altamente estables permiten conectar la entrada no inversora al cable común directamente sin la resistencia R3. Aunque la presencia de este elemento no les vendrá nada mal, a la escala de producción actual, cuando ahorran en todo, prefieren no instalar esta resistencia.
Las fórmulas para calcular el amplificador inversor se muestran en la Figura 10. ¿Por qué en la figura? Sí, solo para mayor claridad, en una línea de texto no parecerían tan familiares y comprensibles, no serían tan notorios.
Figura 10.
El factor de ganancia se mencionó anteriormente. Lo único que merece atención aquí es la resistencia de entrada y salida del amplificador no inversor. Todo parece estar claro con la resistencia de entrada: resulta ser igual a la resistencia de la resistencia R1, pero la resistencia de salida deberá calcularse utilizando la fórmula que se muestra en la Figura 11.
La letra "K" denota el coeficiente de referencia del amplificador operacional. Aquí, por favor, calcule a qué será igual la resistencia de salida. El resultado será una cifra bastante pequeña, incluso para un amplificador operacional tipo UD7 promedio con su K” igual a no más de 30.000. En este caso, esto es bueno: después de todo, cuanto menor sea la impedancia de salida de la cascada (esto. se aplica no solo a las cascadas de amplificadores operacionales), cuanto más potente sea la carga, dentro de lo razonable, por supuesto, dentro de los límites, puede conectarse a esta cascada.
Se debe hacer una nota especial con respecto a la unidad en el denominador de la fórmula para calcular la resistencia de salida. Supongamos que la relación R2/R1 es, por ejemplo, 100. Esta es exactamente la relación que se obtendrá en el caso de una ganancia de amplificador inversor de 100. Resulta que si se descarta esta unidad, entonces no cambiará mucho . De hecho, esto no es del todo cierto.
Supongamos que la resistencia de la resistencia R2 es cero, como en el caso de un repetidor. Entonces, sin uno, todo el denominador se vuelve cero y la resistencia de salida será igualmente cero. Y si luego este cero acaba en algún lugar del denominador de la fórmula, ¿cómo se ordena dividirlo entre él? Por lo tanto, es simplemente imposible deshacerse de esta unidad aparentemente insignificante.
No se puede escribir todo en un artículo, ni siquiera uno bastante extenso. Por tanto, habrá que abarcar todo lo que no encajara en el siguiente artículo. Habrá una descripción de un amplificador no inversor, un amplificador diferencial y un amplificador de fuente única. También se proporcionará una descripción de circuitos simples para probar amplificadores operacionales.
