Circuitos de amplificador operacional de realimentação

Repetidor e amplificador inversor

No final do artigo “O amplificador operacional ideal” Foi mostrado que, ao usar um amplificador operacional em vários circuitos de comutação, a amplificação da cascata em um único amplificador operacional (OA) depende apenas da profundidade do feedback. Portanto, nas fórmulas para determinar o ganho de um circuito específico, o ganho do amplificador operacional “vazio”, por assim dizer, não é usado. Esse é apenas o enorme coeficiente especificado nos diretórios.

Então é bastante apropriado fazer a pergunta: “Se o resultado final (ganho) não depende desse enorme coeficiente de“ referência ”, qual é a diferença entre o opamp com amplificação milhares de vezes e com o mesmo opamp, mas com amplificação várias centenas de milhares e até milhões? "

A resposta é bem simples. Nos dois casos, o resultado será o mesmo, o ganho em cascata será determinado pelos elementos do OOS, mas no segundo caso (opamp com alto ganho), o circuito funciona de maneira mais estável, mais precisa, a velocidade de tais circuitos é muito maior. Por uma boa razão, os amplificadores operacionais são divididos em amplificadores operacionais de aplicação geral e alta precisão.

Como já mencionado, os amplificadores “operacionais” em questão foram recebidos naquele momento, quando eram usados ​​principalmente para realizar operações matemáticas em computadores analógicos (AVMs). Foram operações de adição, subtração, multiplicação, divisão, quadratura e muitas outras funções.

Esses amplificadores operacionais antediluvianos foram realizados em tubos de elétrons, posteriormente em transistores discretos e outros componentes de rádio. Naturalmente, as dimensões de amplificadores operacionais de transistor eram grandes o suficiente para serem usadas em construções amadoras.

E somente depois, graças às conquistas da eletrônica integrada, os amplificadores operacionais tornaram-se do tamanho de um transistor comum de baixa potência, o uso dessas peças em equipamentos domésticos e circuitos amadores tornou-se justificado.

A propósito, amplificadores operacionais modernos, mesmo de qualidade bastante alta, a um preço ligeiramente superior a dois ou três transistores. Esta declaração se aplica a amplificadores operacionais de uso geral. Amplificadores de precisão podem custar um pouco mais.

Em relação aos circuitos no amplificador operacional, vale a pena fazer imediatamente uma observação de que todos eles são alimentados por uma fonte de energia bipolar. Esse modo é o mais "usual" para um amplificador operacional, que permite amplificar não apenas os sinais de tensão CA, por exemplo, um sinusóide, mas também sinais CC ou simplesmente tensão.

No entanto, muitas vezes a fonte de alimentação dos circuitos no amplificador operacional é feita a partir de uma fonte unipolar. É verdade que, neste caso, não é possível aumentar a tensão constante. Mas muitas vezes acontece que isso simplesmente não é necessário. Os circuitos com fonte de alimentação unipolar serão descritos mais adiante, mas por enquanto continuamos com os esquemas de ativação do amplificador operacional com fonte de alimentação bipolar.

A tensão de alimentação da maioria dos amplificadores operacionais está geralmente dentro de ± 15V. Mas isso não significa que essa voltagem não possa ser um pouco menor (não é recomendável aumentar). Muitos amplificadores operacionais funcionam de maneira muito estável a partir de ± 3V, e alguns modelos até ± 1,5V. Essa possibilidade é indicada na documentação técnica (DataSheet).

Seguidor de tensão

É o dispositivo mais simples em termos de circuitos em um amplificador operacional; seu circuito é mostrado na Figura 1.

Figura 1. Circuito seguidor de tensão em um amplificador operacional

É fácil ver que, para criar esse esquema, não foi necessário um único detalhe, exceto o próprio sistema operacional. É verdade que a figura não mostra a conexão de energia, mas esse esquema dos esquemas é encontrado com muita frequência. A única coisa que gostaria de observar é que entre os terminais da fonte de alimentação do amplificador operacional (por exemplo, para o amplificador operacional KR140UD708, estas são as conclusões 7 e 4) e o fio comum deve ser conectado capacitores de bloqueio com uma capacidade de 0,01 ... 0,5 μF.

Seu objetivo é tornar a operação do amplificador operacional mais estável, para se livrar da auto-excitação do circuito ao longo dos circuitos de potência. Os capacitores devem ser conectados o mais próximo possível dos terminais de energia do chip. Às vezes, um capacitor é conectado com base em um grupo de vários microcircuitos. Os mesmos capacitores podem ser vistos em placas com microcircuitos digitais; seu objetivo é o mesmo.

O ganho do repetidor é igual à unidade ou, em outras palavras, também não há ganho. Então, por que esse esquema? Aqui é bastante apropriado lembrar que existe um circuito de transistor - um seguidor de emissor, cujo objetivo principal é combinar cascatas com diferentes resistências de entrada. Cascatas semelhantes (repetidores) também são chamadas de buffer.

A resistência de entrada do repetidor no amplificador operacional é calculada como o produto da impedância de entrada do amplificador operacional por seu ganho. Por exemplo, para o UD708 mencionado, a impedância de entrada é de aproximadamente 0,5 MΩ, o ganho é de pelo menos 30.000 e talvez mais. Se você multiplicar esses números, a impedância de entrada é de 15 GΩ, o que é comparável à resistência de um isolamento não de alta qualidade, como papel. É improvável que um resultado tão alto seja alcançado com um seguidor de emissor convencional.

Para que as descrições não tenham dúvidas, abaixo estão as figuras que mostram a operação de todos os circuitos descritos no programa-simulador Multisim. Obviamente, todos esses esquemas podem ser montados na tábua de pão, mas nem os piores resultados podem ser obtidos na tela do monitor.

Na verdade, é um pouco melhor aqui: você não precisa ir a algum lugar da prateleira para trocar o resistor ou o microcircuito. Aqui tudo, mesmo instrumentos de medição, está no programa e "fica" usando o mouse ou o teclado.

A Figura 2 mostra o circuito do repetidor feito no programa Multisim.

Figura 2

O estudo do circuito é bastante simples. Um sinal sinusoidal com uma frequência de 1 KHz e uma amplitude de 2 V é aplicado à entrada do repetidor do gerador funcional, conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3

O sinal na entrada e saída do repetidor é observado pelo osciloscópio: o sinal de entrada é exibido por um feixe azul, o feixe de saída é vermelho.

Figura 4

E por que, perguntará o leitor atento, o sinal de saída (vermelho) é duas vezes maior que a entrada azul? Tudo é muito simples: com a mesma sensibilidade dos canais do osciloscópio, ambos os sinusóides com a mesma amplitude e fase se fundem em um, se escondem atrás um do outro.

Para distinguir os dois ao mesmo tempo, tivemos que reduzir a sensibilidade de um dos canais, neste caso a entrada. Como resultado, a onda senoidal azul se tornou exatamente metade do tamanho da tela e parou de se esconder atrás da vermelha. Embora para alcançar esse resultado, você pode simplesmente mudar os raios com os controles do osciloscópio, deixando a sensibilidade dos canais a mesma.

Ambos os sinusóides estão localizados simetricamente em relação ao eixo do tempo, o que indica que o componente constante do sinal é igual a zero. E o que acontecerá se um pequeno componente DC for adicionado ao sinal de entrada? O gerador virtual permite que você altere a onda senoidal ao longo do eixo Y. Vamos tentar alterá-la para cima em 500mV.

Figura 5

O que saiu disso é mostrado na Figura 6.

Figura 6

É perceptível que os sinusóides de entrada e saída aumentaram em meio volt, sem mudar nada. Isso sugere que o repetidor transmitiu com precisão o componente constante do sinal. Mas na maioria das vezes eles tentam se livrar desse componente constante, tornando-o igual a zero, o que evita o uso de elementos de circuito como capacitores de isolamento entre estágios.

O repetidor é, é claro, bom e até bonito: não foi necessário um único detalhe adicional (embora existam circuitos de repetidores com pequenas "adições"), mas eles não receberam nenhum ganho.Que tipo de amplificador é esse? Para obter um amplificador, basta adicionar alguns detalhes, como fazer isso será descrito mais adiante.

Amplificador de inversão

Para fazer um amplificador inversor do amplificador operacional, basta adicionar apenas dois resistores. O que veio disso é mostrado na Figura 7.

Figura 7. Circuito amplificador do inversor

O ganho desse amplificador é calculado pela fórmula K = - (R2 / R1). O sinal de menos não significa que o amplificador ficou ruim, mas apenas que o sinal de saída será oposto em fase à entrada. Não é de admirar que o amplificador seja chamado de inversão. Aqui seria apropriado recuperar o transistor incluído no esquema com o OE. Também, o sinal de saída no coletor do transistor está na fase antifase com o sinal de entrada fornecido à base.

É aqui que vale a pena lembrar quanto esforço você deve fazer para obter um senoide puro e não distorcido no coletor do transistor. É necessário selecionar a polarização com base no transistor em conformidade. Como regra, isso é bastante complicado, dependendo de muitos parâmetros.

Ao usar um amplificador operacional, basta calcular a resistência dos resistores de acordo com a fórmula e obter um determinado ganho. Acontece que configurar um circuito em um amplificador operacional é muito mais simples do que configurar várias cascatas de transistores. Portanto, não se deve ter medo de que o esquema não funcione, não funcione.

Figura 8

Aqui tudo é o mesmo que nas figuras anteriores: o sinal de entrada é mostrado em azul, depois o amplificador é vermelho. Tudo corresponde à fórmula K = - (R2 / R1). O sinal de saída está no modo antifase com a entrada (que corresponde ao sinal de menos na fórmula), e a amplitude do sinal de saída é exatamente duas vezes a entrada. O que também é verdade com a razão (R2 / R1) = (20/10) = 2. Para obter o ganho, por exemplo, 10, basta aumentar a resistência do resistor R2 para 100KΩ.

De fato, o circuito de um amplificador inversor pode ser um pouco mais complicado, tal opção é mostrada na Figura 9.

Figura 9Circuito amplificador de inversão

Uma nova peça apareceu aqui - o resistor R3 (em vez disso, simplesmente desapareceu do circuito anterior). Seu objetivo é compensar as correntes de entrada de um opamp real, a fim de reduzir a instabilidade da temperatura do componente DC na saída. O valor desse resistor é selecionado pela fórmula R3 = R1 * R2 / (R1 + R2).

Opamps modernos altamente estáveis ​​permitem que a entrada não inversora seja conectada diretamente a um fio comum sem o resistor R3. Embora a presença desse elemento não faça nada de ruim, mas na escala atual de produção, quando economizam em tudo, eles preferem não instalar esse resistor.

As fórmulas para calcular o amplificador inversor são mostradas na Figura 10. Por que na figura? Sim, apenas para maior clareza, em uma linha de texto eles não pareceriam tão familiares e compreensíveis, não seriam tão visíveis.

Figura 10

Sobre o ganho foi mencionado anteriormente. Aqui, as resistências de entrada e saída de um amplificador não inversor são dignas de nota. Tudo parece claro com a resistência de entrada: ela é igual à resistência do resistor R1, mas a resistência de saída terá que ser calculada de acordo com a fórmula mostrada na Figura 11.

A letra K ”indica o coeficiente de referência do amplificador operacional. Aqui, por favor, calcule qual será a impedância de saída. Será um número bastante pequeno, mesmo para um amplificador operacional médio do tipo UD7 com seu K "igual a não mais que 30.000. Nesse caso, isso é bom: afinal, quanto menor a resistência de saída da cascata (isso se aplica não apenas às cascatas no amplificador operacional), mais poderosa é a carga, em razoável é claro que, dentro dos limites, essa cascata pode ser conectada.

Uma observação separada deve ser feita sobre a unidade no denominador da fórmula para o cálculo da resistência de saída. Suponha que a razão R2 / R1 seja, por exemplo, 100. Essa é a razão obtida no caso do ganho do amplificador inversor 100.Acontece que, se esta unidade for descartada, nada mudará muito. De fato, isso não é inteiramente verdade.

Suponha que a resistência do resistor R2 seja zero, como no caso de um repetidor. Então, sem unidade, todo o denominador se torna zero e a resistência de saída também é zero. E se esse zero aparecer em algum lugar no denominador da fórmula, como você ordena dividi-lo? Portanto, é simplesmente impossível se livrar dessa unidade aparentemente insignificante.

Em um artigo, mesmo grande o suficiente, apenas não escreva. Portanto, você terá tudo o que não coube no próximo artigo. Haverá uma descrição de um amplificador não inversor, um amplificador diferencial, um amplificador de potência unipolar. Uma descrição também será dada de circuitos simples para verificar o opamp.

Boris Aladyshkin