Introduzione agli amplificatori operazionali: 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

In questo Instructable, darò un'introduzione all'Operational Amplifier, uno dei dispositivi analogici più utili. Questo dispositivo può essere configurato come amplificatore non invertente o invertente, comparatore, amplificatore di tensione, amplificatore sommatore, amplificatore per strumentazione, buffer, filtro attivo, oscillatore a ponte di Wien e molte altre applicazioni. L'amplificatore operazionale è disponibile in diverse configurazioni come il DIP singolo a 8 pin LM741 o l'amplificatore operazionale quadruplo LM324 a 14 pin mostrato sopra. Ci sono anche tipi disponibili in varianti a montaggio superficiale.

Passaggio 1: cos'è un amplificatore operazionale?

L'amplificatore operazionale, noto anche come amplificatore operazionale, è un amplificatore di tensione ad alto guadagno accoppiato in CC, incorporato in un chip IC. Hanno due ingressi (ingresso differenziale) e un'uscita. Sono stati utilizzati come elementi costitutivi nell'elettronica analogica sin dall'uscita dei primi dispositivi alla fine degli anni '60. Una delle bellezze di questi dispositivi è che hanno notevolmente semplificato la progettazione elettronica per la natura della loro standardizzazione. La progettazione di amplificatori con componenti discreti ha comportato molte modifiche a causa delle differenze tra i dispositivi attivi. Se gli amplificatori sono tutti costruiti con lo stesso die di silicio, possono essere realizzati tutti allo stesso modo e avere le stesse caratteristiche. Quando si progetta con amplificatori operazionali, è possibile ottenere un guadagno specifico per il dispositivo installando due resistori esterni con un rapporto di resistenza specifico. Ad esempio, se si desidera un guadagno di tensione di 100, è possibile inserire nel circuito un resistore da 100k e un resistore da 1k per ottenere un rapporto di 100. Utilizzando questa strategia, il guadagno è sempre lo stesso. L'amplificatore operazionale più popolare di tutti i tempi è il 741 che esiste dai primi anni '70 ed è stato utilizzato da generazioni di hobbisti in tutto, dagli amplificatori audio agli alimentatori. Il 741 non è stato utilizzato dall'industria per molti anni perché sono stati sviluppati amplificatori operazionali migliori, ma hanno ancora un seguito tra gli hobbisti e sono facili da ottenere. I primi dispositivi sono usciti in uno stile di pacchetto dual inline a 8 pin o in una lattina di metallo circolare. Successivamente, sono diventati disponibili dispositivi a montaggio superficiale. Il 741 e altri amplificatori operazionali della sua epoca utilizzavano transistor bipolari con dispositivi che utilizzavano ingressi a transistor ad effetto di campo che uscivano in seguito. Gli ingressi a transistor ad effetto di campo hanno iniziato ad essere utilizzati a causa della necessità di avere una maggiore impedenza di ingresso e un minor consumo di corrente.

Passaggio 2: l'amplificatore non invertente

L'amplificatore non invertente è il primo circuito che tratteremo. Nel diagramma sopra, l'amplificatore operazionale è cablato con l'ingresso che va all'ingresso positivo con il resistore di retroazione che va all'ingresso negativo. Il rapporto tra Rf e Rg determina il guadagno. Nel caso del circuito sopra, il guadagno di tensione è 10. Il diagramma al centro mostra i limiti del "mondo reale" dell'amplificatore operazionale 741 quando un'onda quadra da 10 kHz viene immessa in ingresso ma esce come una forma d'onda triangolare a causa di la velocità di commutazione limitata del dispositivo. Quando l'ingresso viene abbassato a un'onda quadra da 1 kHz, l'uscita migliora e sembra più una vera onda quadra. La misurazione della capacità dell'amplificatore operazionale di seguire le variazioni di ampiezza del segnale di ingresso è chiamata "velocità di risposta" e viene misurata in volt per microsecondo. Il 741 ha un rating molto addomesticato a 0,5 volt per microsecondo. Gli amplificatori operazionali ad alta velocità hanno valutazioni fino a 5000 volt per microsecondo, anche se uno tipico come il TL081 avrà una valutazione media di 13 volt per microsecondo.

Passaggio 3: l'amplificatore invertente

L'amplificatore operazionale può essere configurato in modo tale da poter invertire e amplificare una forma d'onda ad andamento negativo di 1 volt per dare una forma d'onda ad andamento positivo di 10 volt. Gli usi per questa configurazione potrebbero essere ovunque sia necessario un cambiamento di fase, come negli stadi di pilotaggio degli amplificatori a transistor discreti.

Passaggio 4: utilizzo di un amplificatore operazionale come convertitore da onda quadra a onda sinusoidale

Il circuito sopra cambierà un'onda quadra da 1000 Hz in un'onda sinusoidale da 1000 Hz. Lo fa filtrando tutte le componenti di frequenza (armoniche) sopra e sotto la fondamentale, che è un'onda sinusoidale. Invece di utilizzare resistori nel circuito di feedback, utilizziamo componenti selettivi in frequenza (condensatori) che forniscono un feedback negativo per annullare le frequenze indesiderate. Il diagramma centrale mostra il circuito reale simulato e la forma d'onda prodotta. Il terzo diagramma mostra la risposta in frequenza del circuito. Il nome tecnico di questo tipo di circuito è un filtro passa-banda attivo. Consente il passaggio senza attenuazione solo di una banda di frequenze molto ristretta.

Passaggio 5: utilizzo di un amplificatore operazionale come comparatore

Esistono chip dedicati che sono comparatori migliori, ma a volte potresti non averne uno a portata di mano, quindi è sempre utile sapere come creare un comparatore da un opamp. Una rapida rassegna di cosa sia un comparatore, è fondamentalmente un opamp configurato come un amplificatore senza feedback, che consente all'amplificatore di funzionare al massimo guadagno. Quando un ingresso è collegato a una tensione specifica come i 3 volt mostrati nel diagramma, il circuito fornirà un'uscita che è quasi la tensione massima del binario quando i due ingressi sono alla stessa tensione. Nel caso del circuito di cui sopra, un'onda sinusoidale di 1 kHz fornisce un'uscita quando sale sopra i 3 volt e commuta nuovamente quando l'onda sinusoidale scende sotto i 3 volt. I comparatori sono comunemente usati negli (ADC) e negli oscillatori di rilassamento.

Passaggio 6: costruire un amplificatore sommatore con un opamp

L'amplificatore sommatore sopra riceve due segnali da 1 kHz, uno di 10 mV picco-picco e un altro di 20 mV picco-picco. L'uscita risultante è di 60 mV picco-picco. Essendo un amplificatore invertente, emette un segnale di fase opposta.

Gli amplificatori sommatori vengono utilizzati nei mixer audio in cui è necessario sommare diversi ingressi. Inserendo segnali in potenziometri, i segnali possono essere variati per fornire l'uscita desiderata.

Passaggio 7: Mixer audio a tre ingressi

Questo circuito potrebbe essere usato per mixare due strumenti e una traccia vocale, più ingressi potrebbero essere aggiunti secondo necessità. Ogni livello di ingresso può essere regolato indipendentemente con i potenziometri.