Metodo di analisi di base per amplificatori operazionali: circuito aperto virtuale, cortocircuito virtuale. Per circuiti applicativi con amplificatori operazionali non familiari, utilizzare questo metodo di analisi di base.
Gli amplificatori operazionali sono dispositivi ampiamente utilizzati. Se collegati ad apposite reti di retroazione, possono essere utilizzati come amplificatori di precisione CA e CC, filtri attivi, oscillatori e comparatori di tensione.
- Applicazione degli amplificatori operazionali nel filtraggio attivo
La figura sopra mostra un tipico circuito di filtro attivo (circuito Saron-Kayl, un tipo di circuito Butterworth). Il vantaggio del filtraggio attivo è che può far decadere più rapidamente i segnali superiori alla frequenza di taglio e le caratteristiche di filtraggio non richiedono capacità e resistenza elevate.
I punti chiave di progettazione di questo circuito sono: a condizione di rispettare la frequenza di taglio appropriata, i valori di resistenza di R233 e R230 devono essere selezionati il più possibile costanti, e la capacità di C50 e C201 deve essere selezionata come costante (quando i valori di resistenza e capacità del circuito RC a due stadi sono uguali, si parla di circuito Saron-Kayl), in modo che i tipi di dispositivi possano essere normalizzati mantenendo le prestazioni di filtraggio. Tra questi, il resistore R280 impedisce la sospensione dell'ingresso, che causerebbe un'uscita anomala dell'amplificatore operazionale.
I tre circuiti di filtro passa-basso attivo di secondo ordine più comunemente utilizzati per il filtraggio sono: Butterworth, curva monotonicamente decrescente, piatta e più uniforme;
Il circuito più utilizzato nel filtraggio passa-basso Butterworth è il circuito Saron-Kayl, che è il circuito simulato.
Per un filtro è necessario conoscere la sua frequenza di taglio oppure è possibile scrivere la funzione di trasferimento e la risposta in frequenza.
Se il filtro ha anche una funzione di amplificazione, è necessario conoscere il guadagno del filtro.
Quando i valori di resistenza e capacità del circuito RC a due stadi sono uguali, si parla di circuito Serenka. Un feedback negativo viene introdotto nel circuito attivo del secondo ordine per far scendere rapidamente la tensione di uscita nella gamma delle alte frequenze.
Il guadagno della banda passante del circuito del filtro passa-basso attivo di secondo ordine è 1+Rf/R1, che è lo stesso del circuito del filtro passa-basso di primo ordine;
Nota che l'unità di m è ohm e l'unità di N è u
Quindi la frequenza di taglio è calcolata come
Chebyshev, in rapido decadimento, ma con increspature nella banda passante;
Bessel (ellittico), lo sfasamento è proporzionale alla frequenza e il ritardo di gruppo è essenzialmente costante.
2. Applicazione dell'amplificatore operazionale nel comparatore di tensione
Questo circuito è in realtà una combinazione di un comparatore a passaggio per lo zero e di un circuito amplificatore profondo.
L'uscita è amplificata da (1+R292/R273). Maggiore è il fattore di amplificazione, più ripido è il fronte di salita dell'onda quadra.
In questo circuito c'è anche un valore di resistenza del componente chiave a cui bisogna prestare attenzione, ovvero R275, che determina la velocità di salita dell'onda quadra.
3. Progettazione del circuito sorgente a corrente costante
Come mostrato nella figura, il processo di analisi del principio di corrente costante è il seguente:
U5B (l'amplificatore operazionale inferiore nella figura sopra) è un inseguitore di tensione, quindi V1=V4;
Secondo il principio di cortocircuito virtuale dell'amplificatore operazionale, per l'amplificatore operazionale U4A (l'amplificatore operazionale superiore nella figura sopra): V3=V5;
Combinando le equazioni precedenti, otteniamo:
Quando la tensione di riferimento Vref è fissata a 1.8 V, il resistore R30 è 3.6 e la corrente di uscita è costante a 0.5 mA.
Questo circuito generatore di corrente costante può essere utilizzato per progettare generatori di corrente costante per altre correnti. L'idea di base è: tutti i resistori devono utilizzare resistori ad alta precisione con valori di resistenza costanti. La tensione di riferimento in ingresso (utilizzando uno speciale chip di riferimento) viene divisa per il valore di resistenza per ottenere la corrente di uscita.
Tuttavia, nell'uso reale, per proteggere il circuito di generazione di corrente costante, un diodo e un resistore sono generalmente collegati in serie all'estremità di uscita. Il primo vantaggio è quello di impedire che interferenze esterne entrino nel circuito di generazione di corrente costante, danneggiandolo, e in secondo luogo, di impedire che il carico esterno vada in cortocircuito, in modo da non danneggiare il circuito di generazione di corrente costante.
5. Circuito di misura della resistenza termica
Il circuito nella figura sopra è un tipico circuito di misura di una coppia/resistenza termica. L'idea di misura è la seguente: un generatore di corrente costante da 1 a 10 mA viene aggiunto al carico, generando una certa tensione sul carico, che viene poi filtrata attivamente. Dopo l'elaborazione, il segnale viene regolato (amplificazione o attenuazione) e infine inviato all'interfaccia ADC.
Quando si utilizza questo circuito, prestare attenzione all'applicazione della protezione sul lato di ingresso. I TVS possono essere collegati in parallelo, ma occorre prestare attenzione all'impatto dei condensatori sulla precisione della misurazione. Naturalmente, in alcune occasioni a basso costo, lo schema elettrico sopra riportato può essere semplificato nel seguente circuito.
Nell'uso degli amplificatori operazionali, l'inseguitore di tensione è un'applicazione comune. I vantaggi di questo circuito sono: in primo luogo, riduce l'impatto del carico sulla sorgente del segnale; in secondo luogo, migliora la capacità del segnale di trasportare il carico.
7.Applicazione di un'unica alimentazione
Nell'uso reale degli amplificatori operazionali, generalmente utilizziamo due alimentatori per mantenere le caratteristiche di frequenza degli amplificatori operazionali. Tuttavia, a volte, nell'uso reale, abbiamo un solo alimentatore e possiamo comunque ottenere il normale funzionamento dell'amplificatore operazionale.
Per prima cosa utilizziamo il circuito follower dell'amplificatore operazionale per realizzare un partitore di tensione VCC/2:
Naturalmente, se i requisiti non sono molto elevati, possiamo dividere direttamente la tensione con i resistori per ottenere +VCC/2, ma a causa delle caratteristiche della divisione della tensione del resistore, la sua velocità di risposta dinamica sarà molto lenta, quindi usatelo con cautela.
Dopo aver ottenuto +VCC/2, possiamo utilizzare un singolo alimentatore per ottenere la funzione di amplificazione del segnale, come mostrato di seguito:
In questo circuito, R66=R67//R68 e il guadagno di uscita del segnale è G=-R67/R68.
L'applicazione specifica è illustrata nella figura seguente: l'amplificatore operazionale è alimentato da un singolo +5V_AD e la tensione del chip AD è di 3.3V (ottenuta dal chip di riferimento REF3033). I 3.3V vengono divisi per resistenze e seguiti dall'amplificatore operazionale per ottenere 1.65V, che vengono forniti al terminale di ingresso in fase dell'amplificatore operazionale.
