Amplificatorul operațional sau op-amp, așa cum este mai des numit, reprezintă unul dintre blocurile de bază ale circuitelor electronice analogice.

Amplificatoarele operaționale sunt dispozitive lineare care au toate proprietățile necesare pentru amplificarea DC aproape ideală și, prin urmare, sunt utilizate în mod extensiv în condiționarea semnalului, filtrarea sau pentru a efectua operații matematice cum ar fi adunarea, scăderea, integrarea și diferențierea.

Un amplificator operațional, op-amp pe scurt, este fundamental un dispozitiv de amplificare a tensiunii, conceput pentru a fi utilizat cu componente externe de feedback cum ar fi rezistoare și condensatoare între terminalele sale de ieșire și de intrare. Aceste componente de feedback determină funcția rezultată sau "funcționarea" amplificatorului și datorită diferitelor configurații de feedback, fie rezistive, capacitive sau ambele, amplificatorul poate efectua o varietate de operații diferite, dând naștere numelui său de "Amplificator operațional =A.O.".

Un A.O. este în principiu un dispozitiv cu trei terminale care constă din două intrări de impedanță ridicată. Una dintre intrări este denumită Inverting Input (intrare inversoare), marcată cu un semn "minus" (-). Cealaltă intrare se numește Non-inverting Input (intrare neinversoare), marcată cu un semn "plus" (+).

Un al treilea terminal reprezintă portul de ieșire al A.O., care poate absorbi sau furniza fie o tensiune, fie un curent. Într-un A. O. liniar, semnalul de ieșire este factorul de amplificare, cunoscut sub numele de câștigul amplificatorului (A) înmulțit cu valoarea semnalului de intrare și în funcție de natura acestor semnale de intrare și ieșire, pot exista patru clasificări diferite ale câștigului unui amplificator operațional.

• Tensiune - tensiune "in" și tensiune "out"

• Curent - curent "in" și curent "out"

• Transconductanță - tensiune "in" și curent "out"

• Transrezistență - curent "in" și tensiune "out"

Deoarece majoritatea circuitelor cu A.O. sunt amplificatoare de tensiune, vom limita tutorialele din această secțiune doar la amplificatoare de tensiune (Vin și Vout).

Semnalul de tensiune de ieșire de la un A.O. este diferența dintre semnalele aplicate celor două intrări individuale. Cu alte cuvinte, un semnal de ieșire A.O. este diferența dintre cele două semnale de intrare, deoarece etajul de intrare al unui A.O. este de fapt un amplificator diferențial, după cum se arată mai jos.

Amplificator diferențial

Circuitul de mai jos prezintă o formă generalizată a unui amplificator diferențial cu două intrări, marcate V1 și V2. Cele două tranzistoare identice TR1 și TR2 sunt ambele polarizate în același punct de funcționare, cu emitoarele lor conectate împreună și legate la șina comună, -VEE, prin intermediul rezistorului RE.

Circuitul funcționează cu o alimentare dublă +Vcc și -VEE care asigură o alimentare constantă. Tensiunea Vout care apare la ieșirea amplificatorului este diferența dintre cele două semnale de intrare, deoarece cele două intrări Baze sunt în antifază una cu cealaltă.

Deci, deoarece polarizarea directă a tranzistorului TR1 este mărită, polarizarea directă a tranzistorului TR2 este redusă și invers. Atunci, dacă cele două tranzistoare sunt perfect potrivite, curentul care trece prin rezistorul din emitor comun RE va rămâne constant.

Ca și semnalul de intrare, semnalul de ieșire este echilibrat și deoarece tensiunile de colector oscilează fie în direcții opuse (antifază), fie în aceeași direcție (în fază) semnalul de tensiune de ieșire, preluat între cele două colectoare este, presupunând un circuit perfect echilibrat, zero - diferența între cele două tensiuni de colector.

Acesta este cunoscut sub numele de mod comun de operare, când câștigul de mod comun al amplificatorului este câștigul de ieșire atunci când intrarea este zero.

A. O. are o ieșire (deși sunt unele cu o ieșire diferențială suplimentară) cu impedanță joasă, care este raportată la un terminal comun de masă și ar trebui să ignore orice semnal de mod comun, dacă un semnal identic este aplicat ambelor intrări inversoare și neinversoare, care nu ar trebui să se schimbe la ieșire.

Totuși, la amplificatoarele reale există întotdeauna unele variații, iar raportul dintre variația tensiunii de ieșire și variația tensiunii de intrare de mod comun este denumit Common Mode Rejection Ratio -CMRR pe scurt (Raportul de rejecție a modului-comun).

A. O. are un câștig DC foarte mare în buclă deschisă și prin aplicarea unei forme de Feedback negativ putem produce un circuit de A. O. care are o caracteristică de câștig foarte precisă care depinde doar de feedback-ul utilizat. Rețineți că termenul "buclă deschisă" înseamnă că nu există componente de feedback utilizate în jurul amplificatorului, astfel că bucla de feedback este deschisă.

Un A. O. răspunde doar la diferența dintre tensiunile de pe cele două terminale de intrare, cunoscută uzual ca "tensiune de intrare diferențială" și nu la potențialul lor comun. Atunci, dacă același potențial de tensiune este aplicat la ambele terminale, rezultatul va fi zero. Un câștig de A. O. este cunoscut sub numele de "câștig diferențial în buclă deschisă" cu simbolul (Ao).

Circuitul echivalent al unui amplificator operațional ideal

Parametrii A. O. și caracteristica idealizată

Câștigul în buclă deschisă (Avo)

Infinit - Funcția principală a unui A. O. este amplificarea semnalului de intrare, iar un câștig în buclă deschisă mai mare este mai bun. Câștigul în buclă deschisă este câștigul A.O. fără feedback pozitiv sau negativ, iar pentru un astfel de amplificator câștigul va fi infinit, dar valorile reale tipice variază de la aproximativ 20.000 la 200.000.

Impedanța de intrare ZIN

Infinită - Impedanța de intrare este raportul dintre tensiunea de intrare și curentul de intrare și se presupune că este infinită pentru a împiedica orice curent care curge de la sursa de alimentare în circuitele de intrare ale amplificatorului (IIN = 0). A.O. reale au curenți de scăpări de la câțiva picoamperi la câțiva miliamperi.

Impedanța de ieșire Zout

Zero - Impedanța de ieșire a A.O. ideal este considerată a fi zero acționând ca o sursă de tensiune internă perfectă, fără rezistență internă, astfel încât să poată furniza cât mai mult curent la sarcină. Această rezistență internă este efectiv în serie cu sarcina, reducând astfel tensiunea de ieșire disponibilă pentru sarcină. A.O. reale au impedanțe de ieșire în gama de 100-20 kΩ.

Lățimea de bandă BW

Infinită - Un A.O. ideal are un răspuns infinit în frecvență și poate amplifica orice semnal de frecvență de la DC la cele mai înalte frecvențe AC, deci se presupune că are o lățime de bandă infinită. Cu A.O. real, lățimea de bandă este limitată de produsul Gain-Bandwidth (GB), care este egal cu frecvența la care câștigul amplificatorului devine unitate.

Tensiunea de offset (VIO)

Zero - Ieșirea amplificatorului va fi zero atunci când diferența de tensiune între intrările inversoare și non-inversoare este zero, aceeași sau când ambele intrări sunt la masă. A.O. real are o anumită cantitate de tensiune de offset la ieșire.

Din aceste caracteristici "idealizate" de mai sus, putem observa că rezistența de intrare este infinită, astfel încât nici un curent nu curge în niciunul dintre terminalele de intrare (regula de curent) și tensiunea de offset de intrare diferențială este zero (regula de tensiune). Este important să ne amintim aceste două proprietăți, deoarece ne vor ajuta să înțelegem funcționarea A.O. în ceea ce privește analiza și proiectarea circuitelor A.O.

Totuși, A.O. reale, cum ar fi comunul μA741, de exemplu, nu au câștig sau lățime de bandă infinite, dar au un "câștig în buclă deschisă" tipic, definit ca amplificarea de ieșire a amplificatorului fără semnale de reacție externe conectate la acesta și pentru un A.O. tipic este de aproximativ 100 dB la DC (zero Hz). Acest câștig de ieșire scade liniar cu frecvența până la "Câștig unitate" sau 1, la aproximativ 1 MHz și acest lucru este prezentat în următoarea curbă de răspuns a câștigului în buclă deschisă.

Curba de răspuns în frecvență în buclă deschisă

Din această curbă de răspuns în frecvență se poate observa că produsul câștigului cu lățimea de bandă față de frecvență este constant în orice punct de-a lungul curbei. De asemenea, frecvența câștigului unitate (0 dB) determină, de asemenea, câștigul amplificatorului în orice punct de-a lungul curbei. Această constantă este în general cunoscută sub numele de Produs Gain Bandwidth sau GBP. Prin urmare:

GBP = câștig x lățime de bandă = A x BW

De exemplu, din graficul de mai sus câștigul amplificatorului la 100 kHz este dat ca 20 dB sau 10, atunci produsul câștig - lățime de bandă este calculat ca:

GBP = A x BW = 10 x 100.000 Hz = 1.000.000

În mod similar, câștigul A.O. la 1 kHz = 60 dB sau 1000, prin urmare GBP este dat ca:

GBP = A x BW = 1.000 x 1.000 Hz = 1.000.000. La fel!.

Câștigul de tensiune (AV) al A.O. poate fi găsit utilizând următoarea formulă:

și în Decibeli sau (dB) este dat ca:

Lățimea de bandă a unui A.O.

Lățimea de bandă a unui A.O. este domeniul de frecvență peste care câștigul de tensiune al amplificatorului este mai mare de 70,7% sau -3dB (unde 0 dB este valoarea maximă) a valorii sale maxime de ieșire, după cum se arată mai jos.

Aici am folosit linia de 40 dB ca exemplu. Punctul -3dB sau 70,7% din Vmax este punctul mai jos din curba de răspuns de frecvență dat la 37 dB. Dacă tragem o linie până când intersectează curba principală GBP, ne dă un punct de frecvență chiar deasupra liniei de 10 kHz la aproximativ 12 până la 15 kHz. Acum putem calcula acest lucru mai exact, deoarece deja cunoaștem GBP a amplificatorului, în acest caz special 1 MHz.

Amplificator operațional. Exemplul nr. 1

Folosind formula 20log(A), putem calcula lățimea de bandă a amplificatorului ca:

37 = 20 log (A) prin urmare, A = anti-log (37 ÷ 20) = 70,8

GBP ÷ A = Lățime de bandă, prin urmare, 1.000.000 ÷ 70.8 = 14.124 Hz sau 14 kHz

Atunci, lățimea de bandă a amplificatorului la un câștig de 40 dB este de 14 kHz așa cum a fost prezis din grafic.

Amplificatorul operațional. Exemplu nr. 2

Dacă câștigul A.O. a fost redus la jumătate, să spunem 20 dB, în curba de răspuns în frecvență de mai sus, punctul -3 dB ar fi acum la 17 dB. Acest lucru ar da A.O. un câștig general de 7,08, deci A = 7,08.

Dacă vom folosi aceeași formulă ca mai sus, acest câștig nou ne-ar da o lățime de bandă de aproximativ 141,2 kHz, de zece ori mai mare decât frecvența dată la punctul de 40 dB. Prin urmare, se poate observa că, prin reducerea "câștigului în buclă deschisă" globală a unui A.O, lărgimea de bandă este mărită, și viceversa.

Cu alte cuvinte, o lățime de bandă a A.O. este invers proporțională cu câștigul său (A ~ 1/BW). De asemenea, acest punct de frecvență de colț -3 dB este cunoscut în general sub denumirea de "punct de jumătate de putere", deoarece puterea de ieșire a amplificatorului este la jumătate din valoarea maximă așa cum se arată:

Rezumat Amplificatorul operațional

Știm acum că un A.O. este un amplificator diferențial cu amplificare DC foarte mare, care utilizează una sau mai multe rețele de feedback extern pentru a controla răspunsul și caracteristicile sale. Putem conecta rezistoare sau condensatoare externe la A.O. în mai multe moduri pentru a forma circuite de bază "Building Block" cum ar fi amplificator tip Inversor, Neinversor, Repetor de tensiune, Sumator, Diferențial, Integrator și Differențiator.

Un A.O. „ideal“ sau perfect este un dispozitiv cu anumite caracteristici speciale , cum ar fi câștig infinit în buclă deschisă, rezistență de intrare infinită RIN, rezistența de ieșire ROUT zero, lățime de bandă infinită (de la 0 la ∞) și offset zero (ieșirea este exact zero când intrarea este zero).

Există un număr foarte mare de IC cu A.O. disponibile pentru a se potrivi fiecărei aplicații posibile de la configurații bipolare standard, de precizie, de mare viteză, zgomot redus, de înaltă tensiune etc, la configurații standard cu tranzistoare FET cu joncțiune.

A.O. sunt disponibile în ambalaje IC de câte un amplificator unic, dual sau quad în cadrul unui singur dispozitiv. Cel mai frecvent utilizat din toate A.O. din kiturile și proiectele electronice de bază este standardul industrial μA-741.

În următorul tutorial despre amplificatoare operaționale, vom folosi feedback-ul negativ conectat în jurul A.O. pentru a produce un circuit standard de amplificator în buclă închisă numit circuit amplificator inversor care produce un semnal de ieșire defazat cu 180^o de intrare.