Circuitos amplificadores operacionales de retroalimentación

Repetidor y amplificador inversor

Al final del artículo "El amplificador operacional ideal" Se demostró que cuando se usa un amplificador operacional en varios circuitos de conmutación, la amplificación de la cascada en un único amplificador operacional (OA) depende solo de la profundidad de la retroalimentación. Por lo tanto, en las fórmulas para determinar la ganancia de un circuito en particular, no se usa la ganancia del amplificador operacional "desnudo". Eso es solo ese enorme coeficiente que se especifica en los directorios.

Entonces es bastante apropiado hacer la pregunta: "Si el resultado final (ganancia) no depende de este enorme coeficiente de" referencia ", entonces ¿cuál es la diferencia entre el amplificador operacional con amplificación varios miles de veces, y con el mismo amplificador operacional, pero con amplificación varios cientos de miles? e incluso millones?

La respuesta es bastante simple. En ambos casos, el resultado será el mismo, la ganancia en cascada estará determinada por los elementos OOS, pero en el segundo caso (opamp con alta ganancia), el circuito funciona de manera más estable, más precisamente, la velocidad de dichos circuitos es mucho mayor. Por una buena razón, los amplificadores operacionales se dividen en amplificadores operacionales de aplicación general y alta precisión, precisión.

Como ya se mencionó, los amplificadores "operativos" en cuestión se recibieron en ese momento lejano, cuando se utilizaron principalmente para realizar operaciones matemáticas en computadoras analógicas (AVM). Estas fueron operaciones de suma, resta, multiplicación, división, cuadratura y muchas otras funciones.

Estos amplificadores operacionales antediluvianos se realizaron en tubos de electrones, luego en transistores discretos y otros componentes de radio. Naturalmente, las dimensiones de incluso amplificadores operacionales de transistores eran lo suficientemente grandes como para ser utilizadas en construcciones de aficionados.

Y solo después de que, gracias a los logros de la electrónica integrada, los amplificadores operacionales se convirtieron en el tamaño de un transistor ordinario de baja potencia, el uso de estas piezas en equipos domésticos y circuitos de aficionados se justificó.

Por cierto, los amplificadores operacionales modernos, incluso de bastante alta calidad, a un precio no muy superior a dos o tres transistores. Esta declaración se aplica a los amplificadores operacionales de propósito general. Los amplificadores de precisión pueden costar un poco más.

Con respecto a los circuitos en el amplificador operacional, vale la pena señalar de inmediato que todos están alimentados por una fuente de alimentación bipolar. Tal modo es el más "habitual" para un amplificador operacional, que permite amplificar no solo señales de voltaje de CA, por ejemplo, una sinusoide, sino también señales de CC o simplemente voltaje.

Y, sin embargo, con bastante frecuencia, la fuente de alimentación de los circuitos del amplificador operacional está hecha de una fuente unipolar. Es cierto, 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 describirán más adelante, pero por ahora continuaremos con los esquemas para encender el amplificador operacional con fuente de alimentación bipolar.

La tensión de alimentación de la mayoría de los amplificadores operacionales suele estar dentro de ± 15V. Pero esto no significa en absoluto que este voltaje no se pueda hacer algo más bajo (no se recomienda más alto). Muchos amplificadores operacionales funcionan de manera muy estable a partir de ± 3V, y algunos modelos incluso ± 1.5V. Esta posibilidad se indica en la documentación técnica (Hoja de datos).

Seguidor de voltaje

Es el más simple en términos de dispositivo de circuito en un amplificador operacional; su circuito se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Circuito seguidor de voltaje en un amplificador operacional

Es fácil ver que para crear tal esquema, no se necesitaba un solo detalle, excepto el amplificador operacional en sí. Es cierto que la conexión de alimentación no se muestra en la figura, pero este esquema de los esquemas se encuentra muy a menudo. Lo único que me gustaría señalar es que entre los terminales de la fuente de alimentación del amplificador operacional (por ejemplo, para el amplificador operacional KR140UD708, estas son las conclusiones 7 y 4) y el cable común debe estar conectado condensadores de bloqueo con una capacidad de 0.01 ... 0.5 μF.

Su propósito es hacer que la operación del amplificador operacional sea más estable, para deshacerse de la autoexcitación del circuito a lo largo de los circuitos de alimentación. Los condensadores deben conectarse lo más cerca posible de los terminales de alimentación del chip. A veces, un condensador está conectado en función de un 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, tampoco hay ganancia. Entonces, ¿por qué tal esquema? Aquí es bastante apropiado recordar que hay un circuito de transistor, un seguidor de emisor, cuyo objetivo principal es hacer coincidir las cascadas con diferentes resistencias de entrada. Cascadas similares (repetidores) también se llaman buffer.

La resistencia de entrada del repetidor en el amplificador operacional se calcula como el producto de la impedancia de entrada del amplificador operacional por su ganancia. Por ejemplo, para el UD708 mencionado, la impedancia de entrada es de aproximadamente 0.5 MΩ, la ganancia es de al menos 30,000 y quizás más. Si multiplica estos números, entonces la impedancia de entrada es de 15 GΩ, que es comparable con la resistencia de un aislamiento de muy baja calidad, como el papel. Es poco probable que se logre un resultado tan alto con un seguidor de emisor convencional.

Para que las descripciones no estén en duda, a continuación se muestran las figuras que muestran el funcionamiento de todos los circuitos descritos en el programa simulador Multisim. Por supuesto, todos estos esquemas se pueden ensamblar en la placa de pruebas, pero no se pueden obtener los peores resultados en la pantalla del monitor.

En realidad, es incluso un poco mejor aquí: no es necesario ir a algún lugar del estante para cambiar la resistencia o el microcircuito. Aquí todo, incluso los instrumentos de medición, está en el programa, y ​​"obtiene" usando el mouse o el teclado.

La Figura 2 muestra la circuitería del repetidor realizada en el programa Multisim.

Figura 2

El estudio del circuito es bastante simple. Se aplica 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

El osciloscopio observa la señal en la entrada y la salida del repetidor: la señal de entrada se muestra con un haz azul, el haz de salida es rojo.

Figura 4

¿Y por qué, preguntará el lector atento, es la señal de salida (roja) el doble de grande que la entrada azul? Todo es muy simple: con la misma sensibilidad de los canales del osciloscopio, ambos sinusoides con la misma amplitud y fase se fusionan en uno, se esconden uno detrás del otro.

Para poder distinguir ambos a la vez, tuvimos que reducir la sensibilidad de uno de los canales, en este caso la entrada. Como resultado, la onda sinusoidal azul se volvió exactamente la mitad del tamaño en la pantalla y dejó de esconderse detrás de la roja. Aunque para lograr dicho resultado, simplemente puede cambiar los rayos con los controles del osciloscopio, dejando la sensibilidad de los canales igual.

Ambas sinusoides están ubicadas simétricamente en relación con el eje de tiempo, lo que indica que la componente constante de la señal es igual a cero. ¿Y qué sucederá si se 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 salió 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 sugiere que el repetidor transmitió con precisión el componente constante de la señal. Pero la mayoría de las veces intentan deshacerse de este componente constante, hacerlo igual a cero, lo que evita el uso de elementos de circuito como condensadores de aislamiento entre etapas.

El repetidor es, por supuesto, bueno e incluso hermoso: no se necesitaba un solo detalle adicional (aunque hay circuitos repetidores con "adiciones" menores), pero no recibieron ninguna ganancia.¿Qué tipo de amplificador es este? Para obtener un amplificador, solo agregue algunos detalles, cómo hacerlo se describirá más adelante.

Amplificador inversor

Para hacer un amplificador inversor desde el amplificador operacional, es suficiente 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 resultó malo, sino solo que la señal de salida será opuesta en fase a la entrada. No es de extrañar que el amplificador se llame inversión. Aquí sería apropiado recordar el transistor incluido en el esquema con OE. Allí, también, la señal de salida en el colector del transistor está en antifase con la señal de entrada suministrada a la base.

Aquí es donde vale la pena recordar cuánto esfuerzo debe hacer para obtener una sinusoide limpia y sin distorsiones en el colector del transistor. Es necesario seleccionar el sesgo en función del transistor en consecuencia. Esto, como regla, es bastante complicado, dependiendo de muchos parámetros.

Cuando se usa un amplificador operacional, es suficiente simplemente calcular la resistencia de las resistencias de acuerdo con la fórmula y obtener una ganancia dada. Resulta que configurar un circuito en un amplificador operacional es mucho más simple que configurar varias cascadas de transistores. Por lo tanto, uno no debe temer que el esquema no funcione, no funcionará.

Figura 8

Aquí todo es igual que en las figuras anteriores: la señal de entrada se muestra en azul, es roja después del amplificador. Todo corresponde a la fórmula K = - (R2 / R1). La señal de salida está en antifase con la entrada (que corresponde al signo menos en la fórmula), y la amplitud de la señal de salida es exactamente dos veces la entrada. Lo que también es cierto con la relación (R2 / R1) = (20/10) = 2. Para obtener la ganancia, por ejemplo, 10, es suficiente aumentar la resistencia de la resistencia R2 a 100KΩ.

De hecho, el circuito de un amplificador inversor puede ser algo más complicado, tal opción se muestra en la Figura 9.

Figura 9Circuito amplificador inversor

Aquí apareció una nueva parte: la resistencia R3 (más bien, simplemente desapareció del circuito anterior). Su propósito es compensar las corrientes de entrada de un opamp real para reducir la inestabilidad de la temperatura del componente DC en la salida. El valor de esta resistencia se selecciona mediante la fórmula R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Los opamps modernos altamente estables permiten que la entrada no inversora se conecte a un cable común directamente sin la resistencia R3. Aunque la presencia de este elemento no hará nada malo, pero a la escala actual de producción, 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 por claridad, en una línea de texto no parecerían tan familiares y comprensibles, no serían tan notables.

Figura 10

Sobre la ganancia se mencionó anteriormente. Aquí, las resistencias de entrada y salida de un amplificador no inversor son notables. 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 de acuerdo con 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 impedancia de salida. Resultará ser una cifra bastante pequeña, incluso para un amplificador operacional promedio de tipo UD7 con su K ”igual a no más de 30,000. En este caso, esto es bueno: después de todo, cuanto menor es la resistencia de salida de la cascada (esto se aplica no solo a las cascadas en el amplificador operacional), más potente es la carga, en un valor razonable , por supuesto, dentro de los límites, esta cascada se puede conectar.

Se debe hacer una observación separada sobre la unidad en el denominador de la fórmula para calcular la resistencia de salida. Suponga que la relación R2 / R1 es, por ejemplo, 100. Esta es la relación obtenida en el caso de la ganancia del amplificador inversor 100.Resulta que si esta unidad se descarta, nada cambiará mucho. De hecho, esto no es del todo cierto.

Suponga que la resistencia de la resistencia R2 es cero, como es el caso con el repetidor. Entonces, sin unidad, todo el denominador se convierte en cero, y la resistencia de salida también es cero. Y si entonces este cero está en algún lugar del denominador de la fórmula, ¿cómo se ordena dividirlo? Por lo tanto, es simplemente imposible deshacerse de esta unidad aparentemente insignificante.

En un artículo, incluso lo suficientemente grande, simplemente no escriba. Por lo tanto, tendrá todo lo que no encajaba en el próximo artículo. Habrá una descripción de un amplificador no inversor, un amplificador diferencial, un amplificador de potencia unipolar. También se dará una descripción de los circuitos simples para verificar el amplificador operacional.

Boris Aladyshkin