Introducere în amplificatoare operaționale: 7 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

În acest Instructable, voi face o introducere în Amplificatorul Operațional, unul dintre cele mai utile dintre dispozitivele analogice. Acest dispozitiv poate fi configurat ca un amplificator care nu inversează sau inversează, un comparator, amplificator de tensiune, amplificator sumator, amplificator de instrumentație, tampon, filtru activ, oscilator Wien bridge plus multe alte aplicații. Opampul vine în diferite configurații, cum ar fi un singur LM741 cu 8 pini DIP sau LM324 cu 14 pini amplificator op. Există, de asemenea, tipuri care vin în variante de montare pe suprafață.

Pasul 1: Ce este un amplificator operațional?

Amplificatorul operațional, care este, de asemenea, cunoscut pe scurt ca un amplificator operațional, este un amplificator de tensiune cu câștig ridicat cuplat în curent continuu, încorporat într-un cip IC. Au două intrări (intrare diferențială) și o ieșire. Ele au fost folosite ca elemente de construcție în electronica analogică de când primele dispozitive au apărut la sfârșitul anilor 1960. Una dintre frumusețile acestor dispozitive este că au simplificat foarte mult designul electronic prin natura standardizării lor. Proiectarea amplificatoarelor cu componente discrete a implicat multe modificări din cauza diferențelor dintre dispozitivele active. Dacă amplificatoarele sunt construite toate din aceeași matriță de siliciu, toate pot fi fabricate la fel și au aceleași caracteristici. La proiectarea cu amplificatoare operaționale, un câștig specific pentru dispozitiv poate fi obținut prin instalarea a două rezistențe externe cu un raport de rezistență specific. De exemplu, dacă se dorește un câștig de tensiune de 100, un rezistor de 100k și un rezistor de 1k ar putea fi introdus în circuit pentru a obține un raport de 100. Folosind această strategie, câștigul este același de fiecare dată. Cel mai popular amplificator operațional din toate timpurile este 741, care a existat de la începutul anilor 70 și a fost folosit de generații de pasionați, de la amplificatoare audio la surse de alimentare. Modelul 741 nu a fost folosit de industrie de mulți ani, deoarece au fost dezvoltate op-amplificatoare mai bune, dar au în continuare urmăriți printre hobbiști și sunt ușor de obținut. Primele dispozitive au ieșit fie într-un stil de pachet dual inline cu 8 pini, fie într-o cutie circulară din metal. Mai târziu, dispozitivele de montare pe suprafață au devenit disponibile. 741 și alte amplificatoare operaționale ale vintage-ului său au folosit tranzistoare bipolare cu dispozitive care utilizează intrări cu tranzistor cu efect de câmp care vor ieși mai târziu. Intrările cu tranzistor cu efect de câmp au început să fie folosite din cauza necesității de a avea o impedanță mai mare de intrare și o scurgere de curent mai mică.

Pasul 2: Amplificatorul fără inversare

Amplificatorul fără inversare este primul circuit pe care îl vom acoperi. În diagrama de mai sus, amplificatorul operațional este conectat cu intrarea care merge la intrarea pozitivă, iar rezistorul de feedback merge la intrarea negativă. Raportul dintre Rf și Rg determină câștigul. În cazul circuitului de mai sus, câștigul de tensiune este 10. Diagrama din mijloc limitează „lumea reală” a amplificatorului 741 op atunci când o undă pătrată de 10 kHz este alimentată în intrare, dar iese ca o formă de undă triunghiulară din cauza viteza limitată de comutare a dispozitivului. Când intrarea este coborâtă la o undă pătrată de 1 kHz, ieșirea se îmbunătățește și arată mai mult ca o undă pătrată reală. Măsurarea capacității amplificatorului operațional de a urmări modificările de amplitudine ale semnalului de intrare se numește „Rată de rotire” și se măsoară în volți-pe-microsecundă. 741 are un rating foarte blând la 0,5 volți pe microsecundă. Amplificatoarele de operare de mare viteză au rating de până la 5000 volți pe microsecundă, deși unul tipic precum TL081 va avea un rating mediu de 13 volți pe microsecundă.

Pasul 3: Amplificatorul inversor

Opamp-ul poate fi configurat în așa fel încât o formă de undă negativă de 1 volți să poată fi inversată și amplificată pentru a da o formă de undă pozitivă de 10 volți. Utilizările pentru această configurație ar putea fi oriunde este necesară o schimbare de fază, cum ar fi în etapele driverului amplificatoarelor cu tranzistoare discrete.

Pasul 4: Utilizarea unui amplificator op ca convertor de undă pătrată în sinusoidal

Circuitul de mai sus va schimba o undă pătrată de 1000 Hz într-o undă sinusoidală de 1000 Hz. Face acest lucru prin filtrarea tuturor componentelor de frecvență (armonice) deasupra și dedesubtul fundamentalului, care este o undă sinusoidală. În loc să folosim rezistențe în circuitul de feedback, folosim componente selective de frecvență (condensatori) care oferă feedback negativ pentru a anula frecvențele nedorite. Diagrama din mijloc arată circuitul real simulat și forma de undă produsă. A treia diagramă arată răspunsul în frecvență al circuitului. Denumirea tehnică a acestui tip de circuit este un filtru activ bandpass. Permite să treacă doar o bandă foarte îngustă de frecvențe fără a fi atenuată.

Pasul 5: Folosirea unui amplificator op ca comparator

Există cipuri dedicate care sunt comparatoare mai bune, dar uneori este posibil să nu aveți unul la îndemână, deci este întotdeauna util să știți cum să faceți un comparator dintr-un opamp. O revizuire rapidă a ceea ce este un comparator, este practic un opamp configurat ca amplificator fără feedback, permițând amplificatorului să funcționeze la câștigul maxim. Când o intrare este legată de o tensiune specifică, cum ar fi cele 3 volți afișate pe diagramă, circuitul va da o ieșire care este aproape tensiunea maximă pe șină atunci când cele două intrări sunt la aceeași tensiune. În cazul circuitului de mai sus, o undă sinusoidală de 1 kHz dă o ieșire atunci când crește peste 3 volți și comută din nou când unda sinusoidală scade sub 3 volți. Comparatoarele sunt utilizate în mod obișnuit în (ADC) și în oscilatoarele de relaxare.

Pasul 6: Construirea unui amplificator sumator cu un Opamp

Amplificatorul sumator de mai sus preia două semnale de 1 kHz, unul de 10 mV vârf la vârf și altul de 20 mV vârf la vârf. Ieșirea rezultată este de 60 mV vârf la vârf. Deoarece este un amplificator inversor, el scoate un semnal de fază opusă.

Amplificatoarele sumare sunt utilizate în mixere audio în care trebuie adăugate diferite intrări. Prin introducerea semnalelor în potențiometre, semnalele pot fi variate pentru a da ieșirea dorită.

Pasul 7: Mixer audio cu trei intrări

Acest circuit ar putea fi folosit pentru a amesteca două instrumente și o pistă vocală, putând fi adăugate mai multe intrări după cum erau necesare. Fiecare nivel de intrare poate fi reglat independent cu potențiometrele.