Cos'è l'amplificatore operazionale?
Op-amp è l'abbreviazione di Operation Amplificatore, un amplificatore ad alto guadagno accoppiato direttamente. Nel termine Amplificatore operazionale, "Operativo" indica che l'amplificatore può eseguire determinate operazioni come: somma, sottrazione, confronto, ecc. La parola "Amplificazione" suggerisce che può amplificare il segnale in ingresso.
Ideale op Amp
Un amplificatore operazionale ideale non esiste praticamente ma ha le migliori caratteristiche. Tutti i pratici amplificatori operazionali sono costruiti per ottenere caratteristiche simili come un amplificatore operazionale ideale. Parliamo di alcune delle caratteristiche di un amplificatore operazionale ideale.
Caratteristiche ideali dell'amplificatore operazionale
- L'amplificatore operazionale ideale fornisce un guadagno di tensione infinito.
- Ha un'impedenza di ingresso infinita.
- Ha una resistenza di uscita pari a zero.
- Ha una larghezza di banda infinita.
- Il rapporto di reiezione di modo comune è infinito.
- Il rapporto di reiezione dell'alimentazione è infinito.
- La velocità di risposta è 0.
Inversione dell'amplificatore operazionale
L'amplificatore operazionale ha varie modalità di funzionamento. L'amplificatore operazionale invertente rappresenta il tipo di processo in cui il segnale di ingresso viene fornito attraverso il terminale invertente dell'amplificatore operazionale. La fase dell'uscita dell'amplificatore viene invertita nel processo di amplificazione. L'amplificatore operazionale invertente ha un guadagno maggiore rispetto all'amplificatore operazionale non invertente.
Amplificatore operazionale non invertente
La non inversione è un'altra modalità di funzionamento che utilizza un amplificatore operazionale. Qui, il segnale di ingresso viene fornito utilizzando il terminale non invertente dell'amplificatore operazionale. Pertanto, la fase di uscita rimane la stessa e non viene invertita durante il funzionamento. Questo è il motivo per cui questa operazione che utilizza un amplificatore operazionale è nota come "amplificatore operazionale non invertente". Questo amplificatore operazionale fornisce una maggiore stabilità del sistema grazie al sistema di feedback negativo, ma ha un guadagno inferiore rispetto a un amplificatore operazionale invertente. Tra un amplificatore operazionale non invertente e un amplificatore operazionale invertente, un amplificatore invertente ha più preferenze.
Circuiti operazionali | Circuiti operazionali di base
I circuiti degli amplificatori operazionali sono specifici per le loro operazioni. Un amplificatore operazionale è in grado di eseguire diverse operazioni matematiche. I circuiti sono realizzati in base alle necessità. L'immagine sotto rappresenta un tipico simbolo di circuito di un amplificatore operazionale.
Possiamo osservare che un amplificatore operazionale ha due ingressi (contrassegnati come 1 e 2). L'ingresso contrassegnato con "-" è il terminale invertente. L'ingresso etichettato con il segno "+" è il terminale non invertente. La coppia di collegamento della tensione, indicata come + Vsat e -Vsat, sono la tensione di saturazione positiva e la tensione di saturazione negativa, rappresentano il limite massimo e minimo dell'amplificatore operazionale; quelli possono essere osservati all'uscita.
Le tensioni di saturazione vengono applicate all'amplificatore operazionale per bilanciare l'amplificatore operazionale rispetto al suolo. L'output viene raccolto dal terminale "O".
741 amplificatore operazionale
Gli amplificatori operazionali sono ora disponibili nei mercati tramite circuiti integrati. Uno di questi IC è l'amplificatore operazionale 741. È un circuito integrato monolitico (tutte le connessioni sono formate su un unico pezzo di silicio cristallino). L'IC è costituito da un amplificatore operazionale. Fairchild Semiconductor all'inizio degli anni Sessanta lo sviluppò per la prima volta. Il numero 741 indica che l'IC ha sette pin funzionali, quattro pin di ingresso e un pin di uscita.
741 pinout dell'amplificatore operazionale
Il diagramma seguente mostra la piedinatura dell'IC. La terminologia dell'IC, costituita da un amplificatore operazionale, descrive anche i pin. Il numero 7 da 741 rappresenta sette pin funzionali, quattro pin di ingresso e un pin di uscita.
741 schema amplificatore operazionale
La figura seguente rappresenta il diagramma schematico di un amplificatore operativo 741.
Integratore di amplificatori operazionali
Abbiamo accennato in precedenza e un amplificatore operazionale può eseguire diverse operazioni matematiche. Scopriamo come un amplificatore operazionale può eseguire un'operazione di "integrazione" su un segnale di ingresso. Per implementare l'integratore utilizzando un amplificatore operazionale, abbiamo bisogno di un condensatore, un paio di resistenze e un amplificatore operazionale! Lo schema del circuito seguente mostra il circuito integratore dell'amplificatore operazionale.
Funzionamento dell'integratore
Il concetto di terreno virtuale – funziona perché assume il OP AMP guadagno infinito. Ecco perché il nodo "A" nell'immagine è un terreno virtuale. Lascia che la corrente 'i' fluisca attraverso la resistenza R. Quindi, la corrente potrebbe essere misurata come i = V1/R.
Qui, V1 è la tensione di ingresso fornita nel terminale invertente e il terminale non invertente è collegato a terra con un resistore e, a causa dell'elevata impedenza di ingresso, la stessa corrente fluirà attraverso il percorso di retroazione, avendo un condensatore in quello. Quindi, la tensione di uscita può essere scritta come:
Vo = - 1 / C 0 t [i dt]
Oppure, Vo = - 1 / RC 0 t [V1 dt]
Quindi, possiamo dire che la tensione di uscita è proporzionale all'integrale nel tempo della tensione di ingresso ed è per questo che il circuito è definito come integratore o integratore Miller.
Comparatore operazionale
Un comparatore op-amp o un comparatore di tensione, o un comparatore, è un dispositivo elettronico che confronta due tensioni di ingresso e fornisce un'uscita indicativa. L'uscita indica quale tensione dei due ingressi è più straordinaria nei valori.
L'amplificatore operazionale è progettato in configurazioni a circuito aperto per utilizzare un amplificatore operazionale come comparatore.
- Se la tensione nel terminale non invertente è superiore alla tensione nel terminale invertente, l'uscita viene commutata sulla tensione di saturazione positiva dell'amplificatore operazionale.
- Se la tensione del terminale invertente è maggiore della tensione nel terminale non invertente, l'o / p viene commutato alla tensione di saturazione -ve dell'amplificatore operazionale.
Circuito comparatore operazionale
L'immagine sotto rappresenta il circuito comparatore dell'amplificatore operazionale.
Guadagno dell'amplificatore operazionale
Il guadagno dell'amplificatore operazionale si riferisce al rapporto tra la tensione di uscita e la tensione di ingresso e l'amplificatore operazionale ha due tipi di guadagno come segue.
- Guadagno a circuito chiuso: Se al sistema dell'amplificatore operazionale è associato un sistema di feedback, il guadagno del sistema è noto come guadagno ad anello chiuso.
- Guadagno ad anello aperto: Se al circuito dell'amplificatore operazionale non è associato un sistema di feedback, il guadagno è un guadagno ad anello aperto.
Per un amplificatore operazionale ideale, il guadagno è infinito per qualsiasi frequenza. Per i veri amplificatori, il guadagno è una costante assoluta. Il guadagno è il parametro di prestazione dell'amplificatore.
Guadagno non invertente dell'amplificatore operazionale
L'espressione generale della tensione di uscita dell'amplificatore non invertente è: Vout = k * vin
L'equazione di uscita dell'amplificatore non invertente è: V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin
Quindi, confrontando entrambe le equazioni, il valore di k sarà
K = [1 + (Rf / R1)]
Questa espressione del resistore è nota come guadagno dell'amplificatore non invertente. Possiamo osservare che se Rf = R1, Vo = 2 * Vin. Quindi, la tensione di ingresso viene amplificata di un fattore 2. Il rapporto (Rf / R1) controlla tipicamente il guadagno. Aumentando Rf si aumenta il valore del guadagno.
Buffer amplificatore operazionale
Un buffer amplificatore operazionale o un buffer a guadagno unitario o un circuito inseguitore di tensione è un modello di amplificatore non invertente appositamente progettato. Osservare il circuito dell'amplificatore non invertente indicato sopra. Se rendessimo zero la resistenza di feedback e la resistenza infinita del terminale invertente, il guadagno dell'amplificatore sarebbe unitario. Questo è il motivo per cui questo circuito è noto come buffer di guadagno unitario. Questo buffer viene utilizzato per l'adattamento dell'impedenza.
Amplificatore operazionale differenziale
L'amplificatore operazionale differenziale o amplificatore differenziale è l'amplificatore operazionale che amplifica la differenza tra le due tensioni di ingresso e la fornisce come uscita ed esegue l'operazione di sottrazione, a differenza di un amplificatore sommatore che somma le tensioni di ingresso.
Il circuito sotto mostra il circuito di un amplificatore differenziale.
Operazioni
Usando il concetto di terra virtuale, possiamo concludere che la tensione al nodo A è la stessa della tensione al nodo B.Usando KCL, possiamo scrivere che -
(V1 - Vx) / R1 = (Vx - VO) / R2
& (V2 - Vx) / R1 = Vx / R2
Qui, V1 è la tensione di ingresso. Vx è la tensione al nodo A (oltre a B). Vo è la tensione di uscita. Ora supponiamo che l'amplificatore operazionale abbia un'impedenza di ingresso elevata. Confrontando e utilizzando entrambe le equazioni, possiamo scrivere:
Vo = (V2 - V1) * R2 / R1
Questa equazione di output giustifica l'operazione.
Inversione del guadagno dell'amplificatore operazionale
L'espressione generale della tensione di uscita dell'amplificatore invertente è: Vout = -k * Vin
L'equazione di uscita dell'amplificatore invertente è: V0 = - (Rf / R1) * Vin
Ora, confrontando entrambe le equazioni, possiamo dire:
K = (Rf / R1)
È il guadagno ad anello chiuso dell'amplificatore invertente.
Sommando l'amplificatore operazionale
L'amplificatore operazionale sommatore o amplificatore operazionale sommatore è l'amplificatore che amplifica la somma delle tensioni di ingresso e fornisce come uscita. Esegue operazioni di somma o addizione, a differenza di un amplificatore differenziale che esegue operazioni di sottrazione.
L'immagine sotto rappresenta l'amplificatore operazionale sommatore.
Funzionamento
Utilizzando il concetto di terra virtuale, il potenziale al nodo A è lo stesso del potenziale al nodo B. Applicare KCL, possiamo scrivere -
I1 + I2 + I3 +… + IN = IO
Oppure, V1 / R1 + V2 / R2 +… + Vn / Rn = - Vo / Rf
Oppure, Vo = - [(V1 * Rf / R1) + (Rf * V2 / R2) +… + (Rf * Vn / Rn)
Ora se R1 = R2 =… = Rn = Rf, allora possiamo scrivere -
Vo = - [V1 + V2 +… + Vn]
Amplificatore operazionale con inseguitore di tensione | Seguace dell'amplificatore operazionale
Un amplificatore operazionale inseguitore di tensione o un buffer di guadagno unitario o un circuito inseguitore di tensione è un modello di amplificatore non invertente appositamente progettato e se abbiamo realizzato il feedback resistenza zero e il terminale invertente infinito resistenza, il guadagno dell'amplificatore sarebbe l'unità. Poiché la tensione di uscita segue solo la tensione di ingresso senza amplificazione, l'amplificatore è noto come inseguitore di tensione op ap. Questo è il motivo per cui questo circuito è anche noto come buffer di guadagno unitario. Questo buffer viene utilizzato per la corrispondenza dell'impedenza.
Amplificatore operazionale discreto
L'amplificatore operazionale discreto è costruito per fornire il minimo residuo tra gli ingressi positivi e negativi, causando così un ulteriore guadagno elevato. Gli amplificatori operazionali discreti sono generalmente utilizzati per applicazioni audio piuttosto che gli amplificatori operazionali convenzionali. Presenta diversi vantaggi rispetto agli amplificatori operazionali convenzionali in quanto è possibile un design personalizzato, richiede componenti inferiori, fornisce una migliore stabilità della temperatura, ecc.
Lm741 amplificatore operazionale
L'lm741 è un circuito integrato monolitico che ha un amplificatore operazionale al suo interno. Ha otto perni. L'IC non richiede la compensazione della frequenza esterna. Fornisce un CMRR più elevato e consuma meno energia. Di seguito viene fornita la piedinatura di lm741.
| Codice PIN | Descrizione |
| 1, 5 | Offset NULL per la rimozione dell'offset e il bilanciamento con il terreno. |
| 2 | Terminale di ingresso invertente |
| 3 | Terminale non invertente |
| 4 | Tensione di saturazione negativa |
| 6 | Uscita dell'amplificatore operazionale |
| 7 | Tensione di saturazione positiva |
| 8 | Nessuna connessione (NC) |
Differenziatore dell'amplificatore operazionale
Amplificatore operazionale differenziatore o differenziale operazionale esegue l'operazione di differenziazione su un segnale di tensione di ingresso. Per implementare il differenziatore utilizzando un amplificatore operazionale, abbiamo bisogno di un condensatore, un paio di resistenze e un amplificatore operazionale! Lo schema del circuito seguente mostra il circuito del differenziatore dell'amplificatore operazionale.
Equazioni dell'amplificatore operazionale
Le equazioni dell'amplificatore operazionale sono generalmente indicate come equazioni di uscita di un amplificatore operazionale. Le equazioni di uscita rappresentano la relazione tra le tensioni di ingresso e di uscita. Il fattore di guadagno può anche essere determinato dalle equazioni di uscita. Di seguito sono riportate alcune delle equazioni di uscita di alcuni amplificatori di base.
Equazioni dell'amplificatore operazionale non invertente: V0 = [1 + (Rf / R1)] * Vin
Inversione delle equazioni dell'amplificatore operazionale: V0 = - (Rf / R1) * Vin
Tipi di amplificatori operazionali
L'amplificatore operazionale ha diversi tipi piuttosto che diverse modalità di funzionamento. Diversi tipi di amplificatori operazionali eseguono varie operazioni matematiche. Alcuni di loro sono -
- Inversione dell'amplificatore operazionale
- Amplificatore operazionale non invertente
- Differenza amplificatore operazionale
- Amplificatore sommatore
- integratore
- Amplificatore differenziale
- Amplificatore logaritmico
- Comparatore
- Convertitore da corrente a tensione
- Convertitore da tensione a corrente
Amplificatore operazionale invertente vs non invertente
Facciamo un'analisi comparativa tra amplificatore operazionale invertente e non invertente.
| Oggetto di confronto. | Inversione dell'amplificatore operazionale | Amplificatore operazionale non invertente |
| Terminale di ingresso | L'ingresso è fornito attraverso il terminale invertente. | L'ingresso è fornito tramite un terminale non invertente. |
| Polarità di uscita | La polarità della tensione di ingresso viene modificata nell'uscita. | La polarità dell'ingresso rimane la stessa nell'uscita. |
| Guadagno | Il guadagno è dato come: Av = - (Rf / R1) | Il guadagno è dato come: Av = (1 + Rf / R1) |
| Impedenze di ingresso | L'impedenza di ingresso è inferiore a quella dell'amplificatore operazionale non invertente. | L'impedenza di ingresso è maggiore dell'inversione dell'amplificatore operazionale. |
| Fase di uscita | L'ingresso e l'uscita sono in fase. | L'ingresso e l'uscita sono fuori fase. |
Amplificatore operazionale con feedback negativo
Per un sistema a circuito chiuso di un amplificatore operazionale, se il sistema di feedback è collegato al terminale invertente dell'amplificatore operazionale, il sistema di feedback è noto come feedback negativo. Un amplificatore operazionale che funziona con feedback negativo incorporato è noto come feedback negativo. Gli amplificatori operazionali con feedback negativo hanno una migliore stabilità del sistema, ma il guadagno è inferiore rispetto all'amplificatore operazionale con feedback positivo.
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