Amplificator operațional

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 14 martie 2020; verificările necesită 9 modificări .

Amplificatorul operațional ( op - amp ; amplificator operațional în engleză , OpAmp ) este un amplificator de curent continuu cu o intrare diferențială și, de regulă, o singură ieșire, având un câștig ridicat . Amplificatoarele operaționale sunt aproape întotdeauna utilizate în circuite cu feedback negativ profund , care, datorită câștigului ridicat al amplificatorului operațional, determină complet câștigul / transferul circuitului rezultat.

În prezent, amplificatoarele operaționale sunt utilizate pe scară largă, atât sub formă de cipuri separate, cât și sub formă de blocuri funcționale, ca parte a circuitelor integrate mai complexe . O astfel de popularitate se datorează faptului că op-amp-ul este o unitate universală cu caracteristici apropiate de ideale, pe baza căreia pot fi construite multe componente electronice diferite .

Istorie

Amplificatorul operațional a fost proiectat inițial pentru a efectua operații matematice (de unde și numele) folosind tensiunea ca valoare analogică. Această abordare stă la baza calculatoarelor analogice , în care amplificatoarele operaționale au fost folosite pentru a modela operații matematice de bază ( adunare , scădere , integrare , diferențiere etc.). Cu toate acestea, amplificatorul operațional ideal este o soluție de circuit multifuncțională, are multe aplicații pe lângă operațiile matematice. Op-amp-urile reale bazate pe tranzistori , tuburi vid sau alte componente active , realizate sub formă de circuite discrete sau integrate , sunt o aproximare a celor ideale.

Primele amplificatoare operaționale cu tuburi industriale ( anii 1940 ) au fost realizate pe o pereche de triode duble , inclusiv sub formă de ansambluri structurale separate în carcase cu bază octală . În 1963, Robert Widlar (un inginer la Fairchild Semiconductor ) a proiectat primul amplificator operațional cu circuit integrat, amplificatorul operațional integrat. Acest amplificator operațional a devenit μA702. La un preț de 300 de dolari, dispozitivul, care conținea 9 tranzistori , a fost folosit doar în electronica militară. Primul amplificator operațional integrat disponibil public, μA709, proiectat tot de Widlar, a fost lansat în 1965 . La scurt timp după lansare, prețul său a scăzut sub 10 USD, ceea ce era încă prea scump pentru uz casnic, dar destul de accesibil pentru automatizarea industrială de masă și alte aplicații civile.

În 1967, National Semiconductor , unde Widlar s-a mutat la muncă, a lansat amplificatorul operațional integrat LM101, iar în 1968 Fairchild a lansat un amplificator operațional, aproape identic cu μA741 - primul amplificator operațional cu corecție de frecvență încorporată. Amplificatorul operațional LM101/μA741 a fost mai stabil și mai ușor de utilizat decât predecesorii săi. Mulți producători încă mai produc versiuni ale acestui cip clasic (le puteți recunoaște după numărul „741” din indexurile modelelor). Mai târziu, amplificatoarele operaționale au fost dezvoltate și pe o bază de elemente diferite - pe tranzistoare cu efect de câmp cu o joncțiune pn (sfârșitul anilor 1970) și cu o poartă izolată (începutul anilor 1980), ceea ce a făcut posibilă îmbunătățirea semnificativă a unui număr de caracteristici. Multe dintre cele mai moderne amplificatoare operaționale pot fi instalate în circuitele proiectate pentru 741 fără nicio modificare, iar performanța circuitului se va îmbunătăți.

Utilizarea amplificatoarelor operaționale în electronică este extrem de largă. Un amplificator operațional este probabil cel mai comun element în circuitele analogice. Adăugarea doar a câtorva componente externe face din amplificatorul operațional un circuit concret de procesare a semnalului analogic . Multe amplificatoare operaționale standard costă doar câțiva cenți în cantități mari ( 1000 de bucăți ), dar amplificatoarele personalizate (integrate sau discrete) pot costa 100 USD sau mai mult.

Notație

Figura prezintă o reprezentare schematică a unui amplificator operațional. Concluziile au următoarele semnificații:

$V_{\mathrm {+} }$ - intrare neinversoare;
V - - intrare inversoare;
V out - ieșire;
V S + - plus al sursei de alimentare (poate fi denumit și , sau ); $V_{\mathrm {DD} }$ $V_{\mathrm {CC} }$ $V_{\mathrm {CC+} }$
V S− - minus sursa de alimentare (de asemenea, poate fi notat ca , sau ). $V_{\mathrm {SS} }$ $V_{\mathrm {EE} }$ $V_{\mathrm {CC-} }$

Aceste cinci concluzii sunt prezente în orice sistem de operare și sunt necesare pentru funcționarea acestuia. Cu toate acestea, există amplificatoare operaționale care nu au o intrare neinversoare [1] . În special, astfel de amplificatoare operaționale sunt utilizate în computerele analogice (ACM) .

Amplificatoarele operaționale utilizate în AVM-uri sunt de obicei împărțite în cinci clase, dintre care amplificatoarele operaționale din prima și a doua clasă au o singură intrare.

Amplificatoarele operaționale de primă clasă sunt amplificatoare de înaltă precizie (UHT) cu o singură intrare. Conceput pentru a funcționa ca parte a integratoarelor , a adaugătorilor , a dispozitivelor de urmărire și stocare. Câștig ridicat, valori extrem de scăzute ale offset-ului zero, curentului de intrare și deriva zero, viteza mare reduc eroarea introdusă de amplificator sub 0,01%.

Amplificatoarele operaționale din clasa a doua sunt amplificatoare de precizie medie (MAP) care au o singură intrare, au un câștig mai mic și valori mari de offset și zero drift. Aceste op-amp-uri sunt destinate utilizării ca parte a dispozitivelor electronice de setare a coeficienților, invertoare, comutatoare electronice, în convertoare funcționale, în dispozitive de multiplicare.

În plus, unele amplificatoare operaționale pot avea ieșiri suplimentare, de exemplu, pentru setarea curentului de repaus, corecția frecvenței, echilibrarea sau alte funcții.

Pinii de alimentare ( V S+ și V S− ) pot fi etichetați diferit ( vezi pinii de alimentare a circuitului integrat ). Adesea, pinii de alimentare nu sunt desenați pe circuit pentru a nu-l aglomera cu detalii irelevante, în timp ce metoda de conectare a acestor pini nu este indicată în mod explicit sau considerată evidentă (acest lucru se întâmplă mai ales des când este reprezentat un amplificator dintr-un microcircuit cu patru amplificatoare cu patru amplificatoare). pini de alimentare comune). Când desemnați amplificatorul operațional pe diagrame, puteți schimba intrările inversoare și neinversoare, dacă este convenabil. Pinii de alimentare sunt întotdeauna amplasați într-un singur sens (pozitiv în partea de sus).

Fundamentele de funcționare

Mâncare

În general, amplificatorul operațional folosește putere bipolară , adică sursa de alimentare are trei ieșiri cu următoarele potențiale:

U + , la care este conectat V S+ ;
0 (potenţial zero);
U - la care este conectat V S- .

Ieșirea sursei de alimentare cu potențial zero nu este de obicei conectată direct la amplificatorul operațional, dar, de regulă, este o masă de semnal și este folosită pentru a crea feedback . Adesea, în loc de bipolar, se folosește un unipolar mai simplu, iar un punct comun este creat artificial sau combinat cu o șină negativă de alimentare.

Amplificatoarele operaționale sunt capabile să funcționeze într-o gamă largă de tensiuni de alimentare, o valoare tipică pentru amplificatoarele operaționale de uz general este de la ± 1,5 V [2] la ± 15 V cu alimentare bipolară (adică U + \u003d 1,5 ... 15 V, U - \u003d -15 ...-1,5 V, este permisă o distorsiune semnificativă).

Cea mai simplă includere a unui op-amp

Luați în considerare funcționarea amplificatorului operațional ca un amplificator diferențial separat, adică fără a include componente externe în considerare. În acest caz, amplificatorul operațional se comportă ca un amplificator convențional cu o intrare diferențială, adică comportamentul amplificatorului operațional este descris după cum urmează:

V_{\mathrm {out} }=(V_{+}-V_{-})\cdot G_{\mathrm {openloop} },

(unu)

Unde

V out - tensiune de ieșire;
V + - tensiune la intrarea neinversoare;
V - tensiune la intrarea inversoare;
G openloop - câștig în buclă deschisă, adică câștigul propriu al amplificatorului operațional, fără feedback.

Toate tensiunile sunt considerate relativ la punctul comun al circuitului. Metoda considerată de pornire a sistemului de operare (fără feedback) nu este practic utilizată [3] din cauza dezavantajelor sale grave inerente:

câștigul intrinsec este normalizat într-un interval foarte larg și poate varia de mii de ori (depinde cel mai mult de frecvența și temperatura semnalului);
câștigul propriu este foarte mare (valoarea tipică 10 6 la DC ) și nu poate fi ajustat;
punctul de referință al tensiunilor de intrare și de ieșire nu poate fi reglat.

Amplificatorul operațional ideal

Pentru a lua în considerare funcționarea unui amplificator operațional într-un mod de feedback, este mai întâi necesar să introducem conceptul de amplificator operațional ideal . Op-amp-ul ideal este o abstractizare fizică , adică nu poate exista cu adevărat, cu toate acestea, poate simplifica semnificativ luarea în considerare a funcționării circuitelor pe amplificatorul operațional prin utilizarea unor modele matematice simple.

Un amplificator operațional ideal este descris de formula (1) și are următoarele caracteristici:

câștig intrinsec infinit de mare [4] ;
rezistența de intrare infinit mare a intrărilor V - și V + , adică curentul care circulă prin aceste intrări este zero;
impedanța de ieșire zero a ieșirii amplificatorului operațional;
capacitatea de a seta ieșirea la orice valoare de tensiune;
o rată infinit mare de creștere a tensiunii la ieșirea amplificatorului operațional;
lățime de bandă de la DC la infinit.

Punctele 5 și 6 decurg de fapt din formula (1), deoarece nu include întârzieri și schimbări de fază. Din formula (1) rezultă că, pentru a menține tensiunea dorită la ieșire, este necesar să se mențină următoarea diferență de tensiune de intrare:

$V_{+}-V_{-}={\frac {V_{\mathrm {out} }}{G_{\mathrm {openloop} }}}$

Deoarece câștigul intrinsec al unui amplificator operațional ideal este infinit de mare, diferența de tensiune de intrare tinde spre zero. Aceasta implică cea mai importantă proprietate a unui amplificator operațional ideal, care simplifică luarea în considerare a circuitelor care îl folosesc:

Un amplificator operațional ideal acoperit de feedback negativ menține aceeași tensiune la intrările sale [5] [6]

Cu alte cuvinte, în aceste condiții, egalitatea este întotdeauna valabilă:

V_{+}-V_{-}=0

(2)

Nu ar trebui să credeți că amplificatorul operațional egalizează tensiunile la intrările sale aplicând tensiune la intrări „din interior”. De fapt, amplificatorul operațional setează ieșirea la o tensiune care, prin feedback, va acționa asupra intrărilor în așa fel încât diferența de tensiune de intrare să scadă la zero.

Este ușor de verificat validitatea egalității (2). Să presupunem că (2) este încălcat - există o mică diferență de tensiune. Apoi, tensiunea diferenţială de intrare, amplificată în amplificatorul operaţional, ar determina (datorită câştigului infinit) o tensiune de ieşire infinit de mare, care, în conformitate cu definiţia FOS , ar reduce şi mai mult diferenţa de tensiuni de intrare. Și așa mai departe până când egalitatea (2) este satisfăcută. Rețineți că tensiunea de ieșire poate fi orice - este determinată de tipul de feedback și de tensiunea de intrare.

Cele mai simple circuite de feedback

Din luarea în considerare a principiului de funcționare a unui amplificator operațional ideal, urmează o tehnică foarte simplă de proiectare a circuitelor:

Să fie necesar să construiți un circuit pe un amplificator operațional cu proprietățile necesare. Proprietățile necesare se află în primul rând în starea specificată a ieșirii (tensiune de ieșire, curent de ieșire etc.), care poate depinde de o anumită acțiune de intrare. Pentru a crea un circuit, trebuie să conectați un astfel de feedback la amplificatorul operațional, astfel încât, cu starea de ieșire necesară, tensiunile la intrările amplificatorului operațional (inversător și neinversător) să fie egale, iar feedback-ul să fie egal. fi negativ.

Astfel, starea cerută a sistemului va fi o stare stabilă de echilibru, iar sistemul va fi în ea pe termen nelimitat [7] . Folosind această abordare simplificată, nu este dificil să obțineți cel mai simplu circuit amplificator neinversător.

Amplificatorul trebuie să aibă o tensiune de ieșire care diferă de intrare o singură dată, adică . În conformitate cu metodologia de mai sus, aplicăm semnalul de intrare în sine la intrarea neinversoare a amplificatorului operațional și o parte a semnalului de ieșire de la divizorul rezistiv la intrarea de inversare . $K$ $U_{out}=U_{in}\cdot K$

Calculul câștigului real pentru un amplificator ideal (sau real, dar care poate fi considerat ideal cu anumite ipoteze) este foarte simplu. Rețineți că în cazul în care amplificatorul este într-o stare de echilibru, tensiunile la intrările sale pot fi considerate la fel. Pe baza acestui lucru, rezultă că scăderea de tensiune pe rezistor este , iar pe întregul divizor cu rezistență , scade . Rețineți că, deoarece impedanța de intrare a amplificatorului operațional este foarte mare, curentul care curge în intrarea inversoare (-) a amplificatorului poate fi neglijat și se poate presupune că curentul care trece prin rezistențele divizorului este același. Curentul care trece este egal și prin întregul divizor . $R_{1}$ $V_{in}$ $R_{1}+R_{2}$ $V_{out}$ $R_{1}$ $I_{R_{1}}={\frac {V_{in}}{R_{1}}}$ $I_{R_{1}+R_{2}}={\frac {V_{out}}{R_{1}+R_{2}}}$

În acest fel:

$I_{R_{1}}=I_{R_{1}+R_{2}}$

Unde:

${\frac {V_{in}}{R_{1}}}={\frac {V_{out}}{R_{1}+R_{2}}}$

$V_{out}=V_{in}\cdot {\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}=V_{in}\cdot \left(1+{\frac {R_{ 2}}{R_{1}}}}\dreapta)$

Te poți certa puțin mai ușor, observând imediat asta . ${\frac {V_{out}}{V_{in}}}={\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}$

Trebuie remarcat faptul că într-un circuit de comutare neinversător, câștigul de tensiune este întotdeauna mai mare sau egal cu 1, indiferent de valorile rezistențelor utilizate. Dacă rezistența este zero, atunci obținem un adept de tensiune care nu inversează, având un câștig de tensiune de 1. $R_{2}$

Si din moment ce:

$\forall n\in \mathbb {R} ^{+}\lim _{n\to \infty }{\frac {0}{n}}=0$ ,

atunci rezistența poate fi eliminată pur și simplu, luând-o egală cu infinitul. $R_{1}$

Astfel, coeficientul de transfer al unui amplificator construit pe un amplificator operațional cu un câștig suficient de mare depinde practic doar de parametrii de feedback. Această caracteristică utilă permite proiectarea sistemelor cu câștiguri foarte stabile, cum ar fi cele necesare în măsurători și procesare a semnalului.

Pentru un amplificator operațional conectat conform unui circuit inversor, calculul conform ipotezelor făcute nu este, de asemenea, dificil. Pentru a face acest lucru, trebuie remarcat faptul că tensiunea la mijlocul divizorului, și anume la intrarea inversoare (-) a amplificatorului este 0 (așa-numita masă virtuală). Prin urmare, căderile de tensiune pe rezistoare sunt egale, respectiv, cu tensiunile de intrare și de ieșire. De asemenea, se poate presupune că curentul prin rezistențe este același, deoarece practic nu există curent prin intrarea inversoare (-), așa cum este indicat mai sus.

De aici:

${\frac {V_{in}}{R_{in}}}=-{\frac {V_{out}}{R_{f}}}$

$V_{out}=-V_{in}\cdot {\frac {R_{f}}{R_{in}}}$

Trebuie remarcat faptul că într-un circuit de comutare inversor, câștigul poate fi mai mare sau mai mic decât unitatea și depinde de valorile rezistențelor divizor. Adică, amplificatorul poate fi folosit ca atenuator activ ( atenuator) al tensiunii de intrare. Avantajul acestei soluții față de un atenuator pasiv este că din punctul de vedere al sursei de semnal, atenuatorul arată ca o rezistență normală de sarcină conectată între semnal și masă (în acest caz, așa-numitul „virtual”), că este, este o sarcină rezistivă normală (desigur, fără a ține cont de capacități și inductanțe parazite). Acest lucru simplifică foarte mult calculul influenței sarcinii asupra sursei de semnal și potrivirea lor reciprocă.

Diferențele dintre amplificatoarele operaționale reale și ideale

Parametrii op-amp care îi caracterizează imperfecțiunea pot fi împărțiți în grupuri:

Parametri DC

Câștig limitat : factorul G openloop nu este infinit (de obicei 10 5 ÷ 10 6 DC). Acest efect este vizibil numai în cazurile în care câștigul cascadei cu amplificatorul operațional diferă de parametrul G openloop de un număr mic de ori (câștigul cascadei diferă de G openloop cu 1-2 ordine de mărime sau chiar mai puțin) .
Curentul de intrare diferit de zero (sau, aproape la fel, rezistența de intrare limitată ): valorile tipice ale curentului de intrare sunt 10 -9 ÷ 10 -12 A. Acest lucru impune restricții asupra valorii maxime a rezistenței în circuitul de feedback, precum și asupra posibilității de potrivire a tensiunii cu sursa de semnal. Unele amplificatoare operaționale au circuite suplimentare la intrare pentru a proteja intrarea de tensiune excesivă - aceste circuite pot degrada semnificativ impedanța de intrare. Prin urmare, unele amplificatoare operaționale sunt produse într-o versiune protejată și neprotejată.
Impedanță de ieșire diferită de zero . Această limitare nu este de mare importanță la frecvențe joase sau cu o capacitate de sarcină mică, deoarece prezența feedback-ului reduce efectiv impedanța de ieșire a etapei la amplificatorul operațional (aproape la valori arbitrar mici).
Tensiune de polarizare diferită de zero : cerința de egalitate a tensiunilor de intrare în starea activă pentru amplificatoarele operaționale reale nu este complet exactă - amplificatorul operațional încearcă să mențină nu exact zero volți între intrările sale, ci o tensiune mică ( tensiune de polarizare ) . Cu alte cuvinte, un amplificator operațional real se comportă ca un amplificator operațional ideal, care are un generator de tensiune cu EMF U cm conectat în serie cu una dintre intrări . Tensiunea de polarizare este un parametru foarte important, limitând precizia amplificatorului operațional, de exemplu, când se compară două tensiuni. Valorile tipice ale U cm sunt 10 -3 ÷ 10 -6 V. În timpul funcționării circuitului, în funcție de condițiile externe, cum ar fi temperatura, tensiunea de alimentare, timpul de funcționare, tensiunea de polarizare suferă o deviere imprevizibilă (în limitele date în documentație), inclusiv cu schimbarea semnului. Din această cauză, această părtinire nu poate fi compensată prin reglare sau calibrare sau îmbunătățită în orice alt mod, în plus față de alegerea unui amplificator operațional mai precis.
Câștig în mod comun diferit de zero . Un amplificator operațional ideal amplifică doar diferența de tensiuni de intrare, în timp ce tensiunile în sine nu contează. În amplificatoarele operaționale reale, valoarea tensiunii de intrare în modul comun are un anumit efect asupra tensiunii de ieșire. Acest efect este determinat de parametrul raportului de respingere a modului comun ( CMRR ) , care arată de câte ori creșterea tensiunii de ieșire este mai mică decât creșterea tensiunii în modul comun la intrarea amplificatorului operațional care a provocat-o. Valori tipice: 10 4 ÷ 10 6 .

Parametri AC

Lățime de bandă limitată . Orice amplificator are o lățime de bandă finită, dar factorul de lățime de bandă nu este deosebit de semnificativ pentru amplificatoarele operaționale, deoarece acestea sunt egalizate intern pentru a crește marja de fază .
Capacitate de intrare diferită de zero . Formează un filtru trece-înalt parazit .
Întârziere semnal diferit de zero . Acest parametru, care este indirect legat de limitarea lățimii de bandă, poate degrada performanța OOS odată cu creșterea frecvențelor de operare.
Timp de recuperare diferit de zero după saturație .

Efecte neliniare

Saturație - limitarea intervalului de valori posibile ale tensiunii de ieșire. În mod normal, tensiunea de ieșire nu poate depăși tensiunea de alimentare. Saturația apare atunci când tensiunea de ieșire „ar trebui să fie” mai mare decât tensiunea de ieșire maximă sau mai mică decât tensiunea de ieșire minimă. Amplificatorul operațional nu poate ieși din limite, iar porțiunile proeminente ale semnalului de ieșire sunt „decupate” (adică tăiate).

În momentele de saturație, amplificatorul nu acționează în conformitate cu formula (1), ceea ce provoacă o defecțiune în funcționarea OOS și apariția unei diferențe de tensiune la intrările sale, care este de obicei un semn al unei defecțiuni a circuitului (și aceasta este un semn de probleme ușor de detectat pentru instalator). O excepție este funcționarea amplificatorului operațional în modul comparator .

Rată de mișcare limitată . Tensiunea de ieșire a unui amplificator operațional nu se poate schimba instantaneu. Rata de modificare a tensiunii de ieșire este măsurată în volți pe microsecundă, valorile tipice sunt 1÷100 V/µs. Parametrul este determinat de timpul necesar reîncărcării rezervoarelor interne. Rata de slew limitată a tensiunii de ieșire duce la apariția unui tip special de distorsiune dinamică a semnalului în amplificatoarele op-amp. Motivul apariției lor este că, în primul moment după ce se aplică un salt de tensiune la intrare, feedback-ul negativ al amplificatorului operațional se dovedește a fi deschis, iar prima etapă a amplificatorului operațional intră în modul de saturație, îmbogățind semnal cu distorsiuni armonice și de intermodulație.

Limite de curent și tensiune

Tensiune de ieșire limitată . Pentru orice amplificator operațional, potențialul de ieșire nu poate fi mai mare decât potențialul șinei de putere pozitivă și nu poate fi mai mic decât potențialul șinei de putere negative (dacă nu există sarcină sau este rezistiv și nu conține o sursă de curent ). Cu alte cuvinte, tensiunea de ieșire nu poate depăși tensiunea de alimentare. De exemplu, pentru un amplificator operațional opa277 [1] Arhivat la 10 iulie 2007 pe Wayback Machine , tensiunea de ieșire variază de la V S− +0,5 V la V S+ -2 V cu o rezistență de sarcină de 10 kΩ . Lățimea acestor „zone moarte” a tensiunii de ieșire, pe care ieșirea amplificatorului operațional nu o poate atinge, depinde de o serie de condiții (rezistența la sarcină, direcția curentului de ieșire etc.). Există amplificatoare operaționale care au zone moarte minime, cum ar fi 50 mV la șinele de alimentare Wayback Machine26 ianuarie 2007 laArhivat [2]opa340pentru10 kΩdela
Curent de ieșire limitat . Majoritatea amplificatoarelor operaționale de uz general au protecție la supracurent încorporată, de obicei curent maxim de 25 mA . Protecția previne supraîncălzirea și defecțiunea amplificatorului operațional.

Putere de ieșire limitată . Majoritatea amplificatoarelor operaționale sunt proiectate pentru aplicații care nu necesită putere: rezistența la sarcină nu trebuie să fie mai mică de 2 kOhm .

Clasificarea OU

După tipul elementului de bază [8]

După sfera de aplicare

Amplificatoarele operaționale produse de industrie sunt în permanență îmbunătățite, parametrii op-amp-ului se apropie de ideal. Cu toate acestea, este imposibil sau imposibil din punct de vedere tehnic să se îmbunătățească toți parametrii simultan datorită costului ridicat al cipului rezultat. Pentru a extinde domeniul de aplicare a opamp-urilor, sunt produse diferite tipuri, în fiecare dintre care unul sau mai mulți parametri sunt remarcabili, iar restul sunt la nivelul obișnuit (sau chiar puțin mai rău). Acest lucru este justificat, deoarece, în funcție de domeniul de aplicare, sistemul de operare necesită o valoare mare a unuia sau altuia parametru, dar nu toți odată. De aici rezultă clasificarea OU pe domenii de aplicare.

Standard industrial . Acesta este numele amplificatoarelor operaționale de uz general foarte ieftine, utilizate pe scară largă, cu caracteristici medii. Un exemplu de amplificatoare operaționale „clasice”: cu o intrare bipolară - copie LM324 Archival datată 24 noiembrie 2006 la Wayback Machine , cu o intrare în câmp - copie TL084 Archival datată 13 februarie 2009 la Wayback Machine .
Amplificatoarele operaționale de precizie au tensiuni de polarizare foarte scăzute și sunt utilizate în circuite de măsurare precise. De obicei, amplificatoarele operaționale de pe tranzistoarele bipolare sunt oarecum mai bune în acest indicator decât pe cele de câmp. De asemenea, amplificatoarele operaționale de precizie necesită stabilitate pe termen lung a parametrilor. Offset-urile excepțional de mici au amplificatoare operaționale stabilizate prin întrerupere . Exemple: AD707, AD708, cu polarizare de 30µV și cel mai recent AD8551 Arhivat 11 octombrie 2010 la Wayback Machine cu polarizare tipică de 1µV.
Cu un curent de intrare mic ( electrometric ) OU. Toate amplificatoarele operaționale care au tranzistori cu efect de câmp la intrare au un curent de intrare scăzut. Dar printre ele există amplificatoare operaționale speciale cu curent de intrare extrem de scăzut. Pentru a realiza pe deplin beneficiile acestora, atunci când proiectați dispozitive care le folosesc, este chiar necesar să se țină cont de scurgerea curentului de-a lungul plăcii de circuit imprimat. Exemplu: AD549 Arhivat la 28 ianuarie 2007 la Wayback Machine cu un curent de intrare de 6⋅10 −14 A.
Microputerea și amplificatoarele operaționale programabile consumă curent scăzut pentru propria lor sursă de alimentare. Astfel de amplificatoare operaționale nu pot fi rapide, deoarece consumul de curent scăzut și viteza mare sunt cerințe care se exclud reciproc. Amplificatoarele operaționale se numesc programabile, pentru care toți curenții interni de repaus pot fi setați folosind un curent extern furnizat unei ieșiri speciale a amplificatorului operațional.
Amplificatoarele operaționale puternice ( cu curent ridicat ) pot furniza un curent mare la sarcină, adică rezistența de sarcină admisă este mai mică decât standardul de 2 kOhm și poate fi de până la 50 Ohm .
Amplificatoarele operaționale de joasă tensiune sunt operabile la o tensiune de alimentare de 3 V și chiar mai mică. De regulă, au o ieșire șin-la-șină .
amplificatoare operaționale de înaltă tensiune . Toate tensiunile pentru ele (alimentare, intrare în mod comun, ieșire maximă) sunt mult mai mari decât pentru amplificatoarele operaționale de uz general.
Amplificatoarele operaționale rapide au o rată de înclinare ridicată și o frecvență de câștig unitar. Astfel de amplificatoare operaționale nu pot fi microputere și, de regulă, sunt fabricate pe tranzistoare bipolare.
Amplificatoare operaționale cu zgomot redus .
Sistem de operare sunet . Au cel mai scăzut conținut de armonici ( THD ). Exemple: LM4562 (THD 0,00003%), OPA2132 (THD 0,00008%), LME49600 (THD 0,00003%), AD797 (THD 0,00001%) etc.
Pentru alimentare unică . Amplificatoarele operaționale CMOS oferă o tensiune de ieșire care este aproape egală cu tensiunea de alimentare (șină-șină, R2R), amplificatoarele operaționale bipolare oferă aproximativ 1,2 V mai puțin, ceea ce este semnificativ la valorile Ucc scăzute.
Difference op amps (amplificator de diferență în engleză , a nu fi confundat cu amplificator diferențial ). Ele au un remarcabil raport de respingere a tensiunii în mod comun ( CMRR ). Ei măsoară tensiuni joase pe fundalul interferențelor puternice, ceea ce este tipic, de exemplu, pentru șunturile de curent. Exemple: INA214, INA333.
Op-amp (sau mai precis, etape de amplificare gata făcute) cu un câștig variabil.
Amplificatoare operaționale special concepute pentru a funcționa ca comparator sau în moduri similare neliniare. Au mijloace pentru a reduce efectele saturației. În comparație cu amplificatoarele operaționale universale, viteza și precizia muncii vor fi mai mari.
OS specializat . Proiectat de obicei pentru sarcini specifice: de exemplu, conectarea unui fotosenzor sau a unui cap magnetic la o intrare; ieșire difuzor. Ele pot conține circuite OOS gata făcute sau rezistențe separate de precizie necesare pentru aceasta.

Combinațiile acestor categorii sunt, de asemenea, posibile, de exemplu, un amplificator operațional de mare viteză de precizie .

Alte clasificări

Pentru semnalele de intrare:

Op-amp convențional cu două intrări;
Amplificator operațional cu trei intrări [9] : a treia intrare, care are un câștig de +1 (pentru care se utilizează feedback-ul intern), este utilizată pentru a extinde capacitățile amplificatorului operațional, de exemplu, compensarea de tensiune a semnalelor de ieșire în raport cu semnalele de intrare sau capacitatea de a construi o cascadă cu o impedanță mare de ieșire în mod comun, care seamănă cu un transformator cu două înfășurări, dar cascada de pe AD8132 transmite și curent continuu, ceea ce transformatorul nu poate.

Pentru semnalele de ieșire:

Amplificator operațional convențional cu o singură ieșire;
Op-amp cu ieșire diferențială [10]

Utilizarea amplificatoarelor operaționale în circuite

Utilizarea unui amplificator operațional ca element de circuit este mult mai simplă și mai clară decât operarea cu elemente individuale care îl compun (tranzistoare, rezistențe etc.). La proiectarea dispozitivelor la prima etapă (aproximativă), amplificatoarele operaționale pot fi considerate ideale. În plus, pentru fiecare amplificator operațional, sunt determinate cerințele pe care circuitul le impune și este selectat un amplificator operațional care îndeplinește aceste cerințe. Dacă se dovedește că cerințele pentru amplificatorul operațional sunt prea stricte, atunci puteți reproiecta parțial circuitul pentru a ocoli această problemă.

Schema schematică a unui amplificator operațional

Circuite amplificatoare operaționale

Aplicații

Amplificatoarele operaționale sunt utilizate în următoarele dispozitive:

Preamplificatoare și amplificatoare tampon pentru gama de frecvențe audio și video;
comparatoare de tensiune ;
amplificatoare diferentiale ;
diferențiatori și integratori ;
filtre ;
redresoare de înaltă precizie ;
stabilizatori de tensiune și curent;
Calculatoare analogice;
convertoare analog-digitale ;
convertoare digital-analogic ;
generatoare de semnal ;
convertoare curent-tensiune și tensiune-curent.
transmiterea datelor şi controlul liniilor de comunicaţie.

Vezi și

Note

↑ Amplificator operațional? E foarte simplu! Arhivat 22 mai 2012 la Wayback Machine // cxem.net .
↑ Pentru amplificatoarele operaționale de uz general, tensiunea minimă de alimentare este puțin mai mare de ±1,5 V. Pentru o funcționare eficientă la tensiuni de alimentare scăzute, există o clasă specială de amplificatoare operaționale de joasă tensiune.
↑ Singura excepție este cel mai simplu comparator analogic .
↑ Aceasta ar părea a fi o presupunere fără sens, deoarece aceasta ar avea întotdeauna o tensiune infinită la ieșire, cu excepția cazului rar când tensiunile la intrările V - și V + sunt egale. În realitate, tensiunea de ieșire, chiar și într-un model teoretic, este întotdeauna limitată datorită utilizării feedback-ului negativ.
↑ Prin modificarea tensiunii de ieșire
↑ Dacă sistemul (OS cu OS ) este stabil
↑ Aceasta este o abordare foarte simplistă, de fapt trebuie luate în considerare și alte echilibre posibile, precum și o serie de alți factori.
↑ După tipul de bază al elementului utilizat pentru a construi circuite de intrare (punte)
↑ AD8132 este un amplificator operațional care are o a treia intrare cu câștig +1 . Consultat la 2 mai 2009. Arhivat din original pe 9 mai 2009. (nedefinit)
↑ AD8132 - Op-amp cu ieșire diferențială . Consultat la 2 mai 2009. Arhivat din original pe 9 mai 2009. (nedefinit)

Link -uri

Amplificator operațional? E foarte simplu! Arhivat 22 mai 2012 la Wayback Machine // cxem.net .
Amplificatoare operaționale în audio Arhivat 19 septembrie 2012 la Wayback Machine // cxem.net .
O explicație a funcționării amplificatorului operațional „pe degete” Copie de arhivă din 23 septembrie 2009 la Wayback Machine // easyelectronics.ru.
Amplificator operațional Arhivat 1 ianuarie 2013 la Wayback Machine // easyelectronics.ru .
O analiză detaliată a activității și a „matematicii analogice” a circuitului controlerului de viteză de pe amplificatorul operațional Arhivat 9 aprilie 2009 pe Wayback Machine // easyelectronics.ru .
Horowitz P., Hill W. Arta circuitelor : În 3 volume: T. 1. Per. din engleză - ed. a 4-a, revizuită. şi adaugă.- M .: Mir, 1993. - 413 p., ill. ISBN 5-03-002337-2 .
Curs de prelegeri Copie de arhivă din 14 aprilie 2006 la Wayback Machine // gaw.ru.
Wikibook despre amplificatoare operaționale .
Descrierea unor aplicații obișnuite de amplificator operațional Arhivat 6 septembrie 2009 la Wayback Machine .
Colecție mare de circuite op-amp cu sursă de alimentare unipolară (ing.) .
O colecție de circuite tipice care utilizează amplificatoare operaționale National Instruments (engleză) .
Bazele amplificatorului operațional de Harry Lythall. (ing.) Fundamentele aplicării OU.
Manualul aplicației Op-Amp Arhivat pe 16 iunie 2011 la Wayback Machine . Carte mare despre utilizarea OU.
Convertoare logaritmice și alte op-amp convertitoare (ing.) .
Amplificatoare operaționale . Articol informativ despre OU.
Cele mai populare op-amp-uri arhivate pe 27 octombrie 2012 la Wayback Machine . Informații de referință.

Literatură

Polonnikov D. E. Amplificatoare operaționale. Principii de construcție, teorie, circuite. - M., Energoatomizdat, 1983. - 216 p.