L'amplificatore operazionale è un componente elettronico ad alto guadagno utilizzato principalmente per amplificare i segnali di tensione. È un amplificatore differenziale e l'uscita dipende dalla differenza di tensione tra i due ingressi (positivo+ e negativo −). L'amplificatore operazionale ha le caratteristiche di alto guadagno. In circostanze ideali, il guadagno ad anello aperto è molto elevato (teoricamente vicino all'infinito). Quando l'impedenza di ingresso è elevata, assorbe quasi la corrente di ingresso ed evita interferenze con il circuito front-end. Quando l'impedenza di uscita è bassa, può pilotare direttamente il circuito post-stadio e può implementare doppio ingresso e uscita singola. Uscita=guadagno × (ingresso positivo - ingresso negativo).
Applicazioni e tipi comuni di amplificatori operazionali
Le applicazioni comuni degli amplificatori operazionali includono amplificatori di tensione, filtri (passa basso, passa alto, passa banda), comparatori di segnali (relativi ai comparatori), integratori e differenziali, buffer (inseguitore di tensione), calcoli analogici (addizione, sottrazione, integrazione, ecc.). I circuiti comuni includono amplificatori inverter, con ingresso collegato all'estremità inverter e funzione di amplificazione inversa, e amplificatori in fase, con ingresso collegato all'estremità positiva e uscita e ingresso nella stessa fase. Nel circuito inseguitore di tensione, ingresso fase positiva=uscita, che fornisce conversione di impedenza senza amplificazione di tensione.
Esempi di circuiti amplificatori in fase
Esempi di circuiti amplificatori in fase
Il circuito dell'amplificatore in fase nella figura sopra è preso come esempio. Il guadagno ad anello chiuso è determinato dalla resistenza di retroazione Rf e dal partitore di tensione Rg. Il segnale di ingresso e il segnale di uscita dell'amplificatore in fase sono nella stessa fase.
Esempi di circuiti amplificatori invertiti
Esempi di circuiti amplificatori invertiti
Prendiamo come esempio il circuito dell'amplificatore inverter nella figura sopra. Supponendo che questo circuito amplificatore utilizzi un amplificatore ideale, il guadagno ad anello chiuso è determinato dalla resistenza di retroazione Rf e dalla resistenza di ingresso Rin. La differenza di fase tra il segnale di ingresso e il segnale di uscita dell'amplificatore inverter è di 180 gradi.
Progettazione di un alimentatore regolato lineare regolabile con amplificatore operazionale
L'obiettivo dell'alimentatore regolato lineare regolabile è fornire una tensione di uscita stabile e regolabile e l'uscita rimane stabile anche se la tensione di ingresso o il carico cambiano. La struttura di base dell'alimentatore regolato lineare regolabile comprende una sorgente di tensione di riferimento (come TL431, diodo zener o IC di riferimento di precisione), un amplificatore di errore (amplificatore operazionale), un componente di regolazione (solitamente BJT o MOSFET di potenza), una rete divisore di tensione con resistore di retroazione (impostazione della tensione di uscita).
Esempio di circuito di alimentazione regolato lineare regolabile
Esempio di circuito di alimentazione regolato lineare regolabile
Prendendo come esempio il circuito di alimentazione lineare regolabile nella figura sopra, il nucleo di questo circuito è composto da LM358, diodo regolatore, triodo e circuito di feedback negativo, R9 e D9 costituiscono un circuito di stabilizzazione della tensione. La tensione di rottura di D9 è 2,5 V. A causa dell'elevata impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale, non è necessario un diodo stabilizzatore di tensione per fornire molta corrente. In questo momento, IN1+dell'amplificatore operazionale è 2,5 V. L'amplificatore operazionale, il triodo, R12 e RP3 formano un circuito di feedback negativo. L'intervallo di tensione calcolato dovrebbe essere compreso tra 2,5 V e 15 V. Poiché la tensione di alimentazione effettiva dell'amplificatore operazionale è ± 12 V, dalla tabella dei dati è noto che l'oscillazione dell'uscita dell'amplificatore operazionale rispetto alla barra di alimentazione è compresa tra 1,35 V e 1,61 V. La tensione Vce massima del D882 è 0,5 V. L'intervallo di uscita massimo calcolato di Vout dovrebbe essere compreso tra 9,89 V e 10,15 V. Pertanto, l'intervallo effettivo della tensione di uscita dovrebbe essere compreso tra 2,5 V e 10,15 V.
È necessario prestare attenzione alla stabilità della tensione di riferimento durante la progettazione del circuito di alimentazione regolato lineare regolabile. Dovranno essere utilizzate una deriva a bassa temperatura e una sorgente di riferimento ad alta stabilità (come TL431 o LM4040). Quando si seleziona il tipo di amplificatore operazionale, l'intervallo di tensione di uscita deve coprire l'estremità di uscita (rail-to-rail), con bassa tensione di offset e caratteristiche di bassa deriva. Quando si seleziona il tipo di componenti di potenza, è necessario selezionare il BJT o MOSFET appropriato in base alla corrente di uscita per garantirne la dissipazione del calore e un campo di lavoro sicuro. Occorre prestare attenzione anche alla protezione termica e alla stabilità. Per correnti elevate, deve essere utilizzato il dissipatore di calore e deve essere presa in considerazione la compensazione RC per evitare oscillazioni. Per l'impostazione dell'impedenza di feedback, devono essere evitati valori di resistenza R1 e R2 troppo elevati (si consiglia entro un intervallo di diversi k Ω) per migliorare la stabilità e la capacità antirumore. e la tensione di ingresso deve essere superiore alla tensione di uscita massima+VCE (caduta di tensione saturata) o Vds (MOSFET), è possibile aggiungere una resistenza di campionamento della corrente e un comparatore secondario per realizzare la funzione di protezione da sovracorrente.
Questo design ha le caratteristiche di regolazione fine della tensione di uscita, elevata generazione di calore del transistor di potenza, bassa efficienza (caratteristiche lineari), basso rumore e risposta rapida, applicabile solo alla situazione in cui la tensione di ingresso è superiore alla tensione di uscita, struttura semplice, facile integrazione e meccanismo di protezione e buona dissipazione del calore sono richiesti per applicazioni ad alta potenza.