Método básico de análisis para amplificadores operacionales: circuito abierto virtual, cortocircuito virtual. Para circuitos de aplicación de amplificadores operacionales con los que no esté familiarizado, utilice este método básico de análisis.
Los amplificadores operacionales son dispositivos ampliamente utilizados. Al conectarse a redes de retroalimentación adecuadas, pueden utilizarse como amplificadores de precisión de CA y CC, filtros activos, osciladores y comparadores de tensión.
- Aplicación de amplificadores operacionales en filtrado activo
La figura anterior muestra un circuito típico de filtro activo (circuito Saron-Kayl, un tipo de circuito Butterworth). La ventaja del filtrado activo es que permite que las señales superiores a la frecuencia de corte decaigan más rápidamente, y sus características de filtrado no requieren alta capacitancia ni resistencia.
Los puntos de diseño de este circuito son: para cumplir con la frecuencia de corte adecuada, los valores de resistencia de R233 y R230 deben ser lo más consistentes posible, y la capacitancia de C50 y C201 debe ser consistente (cuando los valores de resistencia y capacitancia del circuito RC de dos etapas son iguales, se denomina circuito Saron-Kayl), de modo que los tipos de dispositivos se puedan normalizar y, al mismo tiempo, se mantenga el rendimiento del filtrado. Entre ellos, la resistencia R280 evita que la entrada se suspenda, lo que provocaría una salida anormal del amplificador operacional.
Los tres circuitos de filtro paso bajo activo de segundo orden más utilizados para filtrado son: Butterworth, curva plana, monótonamente decreciente y más suave;
El circuito más utilizado en el filtrado paso bajo de Butterworth es el circuito Saron-Kayl, que es el circuito simulado.
Para un filtro, necesitas conocer su frecuencia de corte, o puedes escribir la función de transferencia y la respuesta de frecuencia.
Si el filtro también tiene una función de amplificación, necesita conocer la ganancia del filtro.
Cuando los valores de resistencia y capacitancia del circuito RC de dos etapas son iguales, se denomina circuito Serenka. Se introduce una retroalimentación negativa en el circuito activo de segundo orden para que la tensión de salida caiga rápidamente en el rango de alta frecuencia.
La ganancia de banda de paso del circuito de filtro de paso bajo activo de segundo orden es 1+Rf/R1, que es la misma que la del circuito de filtro de paso bajo de primer orden;
Tenga en cuenta que la unidad de m es ohmio y la unidad de N es u
Por lo tanto, la frecuencia de corte se calcula como
Chebyshev, en rápida decadencia, pero con ondulaciones en la banda de paso;
Bessel (elíptico), el desplazamiento de fase es proporcional a la frecuencia y el retardo de grupo es esencialmente constante.
2. Aplicación del amplificador operacional en el comparador de voltaje
Este circuito es en realidad una combinación de un comparador de cruce por cero y un circuito amplificador profundo.
La salida se amplifica mediante (1+R292/R273). Cuanto mayor sea el factor de amplificación, más pronunciado será el flanco ascendente de la onda cuadrada.
También hay un valor de resistencia de componente clave en este circuito al que se debe prestar atención, que es R275, que determina la velocidad ascendente de la onda cuadrada.
3. Diseño de circuito de fuente de corriente constante
Como se muestra en la figura, el proceso de análisis del principio de corriente constante es el siguiente:
U5B (el amplificador operacional inferior en la figura anterior) es un seguidor de voltaje, por lo que V1 = V4;
De acuerdo con el principio virtual corto del amplificador operacional, para el amplificador operacional U4A (el amplificador operacional superior en la figura anterior): V3=V5;
Combinando las ecuaciones anteriores, obtenemos:
Cuando el voltaje de referencia Vref se fija en 1.8 V, la resistencia R30 es 3.6 y la salida de corriente es constante en 0.5 mA.
Este circuito de fuente de corriente constante permite diseñar fuentes de corriente constante para otras corrientes. La idea básica es que todas las resistencias deben ser de alta precisión con valores de resistencia constantes. La tensión de referencia de entrada (utilizando un chip de tensión de referencia especial) se divide por el valor de la resistencia para obtener la corriente de salida.
Sin embargo, en la práctica, para proteger el circuito de la fuente de corriente constante, generalmente se conectan un diodo y una resistencia en serie en el extremo de salida. Esto, en primer lugar, evita que interferencias externas entren en el circuito de la fuente de corriente constante y lo dañen, y en segundo lugar, evita que la carga externa se cortocircuite para no dañar el circuito.
5. Circuito de medición de resistencia térmica
El circuito de la figura anterior es un circuito típico de medición de resistencias térmicas/par. La idea de la medición es: se añade una fuente de corriente constante de 1-10 mA a la carga, lo que genera un cierto voltaje en la carga, el cual se filtra activamente. Tras el procesamiento, la señal se ajusta (amplificación o atenuación) y, finalmente, se envía a la interfaz del ADC.
Al utilizar este circuito, preste atención a la protección en la entrada. Los TVS pueden conectarse en paralelo, pero tenga en cuenta el impacto de los condensadores en la precisión de la medición. Por supuesto, en ocasiones de bajo coste, el diagrama de circuito anterior se puede simplificar al siguiente circuito.
En el uso de amplificadores operacionales, el seguidor de tensión es una aplicación común. Las ventajas de este circuito son: primero, reduce el impacto de la carga en la fuente de señal; segundo, mejora la capacidad de la señal para soportar carga.
7. Aplicación de fuente de alimentación única
En el uso real de amplificadores operacionales, generalmente se utilizan dos fuentes de alimentación para mantener las características de frecuencia. Sin embargo, a veces, con una sola fuente de alimentación, se puede lograr el funcionamiento normal del amplificador.
Primero, utilizamos el circuito seguidor del amplificador operacional para lograr un divisor de voltaje VCC/2:
Por supuesto, si los requisitos no son muy altos, podemos dividir directamente el voltaje con resistencias para obtener +VCC/2, pero debido a las características de la división de voltaje de la resistencia, su velocidad de respuesta dinámica será muy lenta, así que úselo con precaución.
Después de obtener +VCC/2, podemos usar una sola fuente de alimentación para lograr la función de amplificación de señal, como se muestra a continuación:
En este circuito, R66=R67//R68, y la ganancia de salida de la señal es G=-R67/R68.
La aplicación específica se muestra en la figura a continuación: el amplificador operacional se alimenta con un único +5V_AD, y el voltaje del chip AD es de 3.3 V (obtenido por el chip de voltaje de referencia REF3033). Los 3.3 V se dividen por resistencias y se aplican al amplificador operacional para obtener 1.65 V, que se suministran al terminal de entrada en fase del amplificador operacional.
