1. Amplificatoare ideale

Amplificatoare ideale

Această secțiune utilizează a sisteme abordare pentru a prezenta fundamentele amplificatoarelor operaționale ideale. Ca atare, considerăm op-ampul ca un bloc cu terminale de intrare și ieșire. Nu ne interesează în prezent dispozitivele electronice individuale din cadrul op-amp.

Un op-amp este un amplificator care este alimentat adesea de tensiuni de alimentare pozitive și negative. Acest lucru permite ca tensiunea de ieșire să se învârtă atât peste, cât și sub potențialul pământului. Op-amp-ul găsește o aplicație largă în multe sisteme electronice lineare.

Numele amplificator operațional este derivat dintr-una din utilizările inițiale ale circuitelor op-amp; pentru a efectua matematica operațiuni în computerele analogice. Această cerere tradițională este discutată mai târziu în acest capitol. Ear-op-amperii au folosit o singură intrare inversă. O schimbare pozitivă a tensiunii la intrare a provocat o modificare negativă la ieșire.

Prin urmare, pentru a înțelege funcționarea op-amp, este necesar să se familiarizeze mai întâi cu conceptul de surse controlate (dependente), deoarece ele formează baza modelului op-amp.

Sursele dependente de 1.1

Sursele dependente (sau controlate) produc o tensiune sau curent a cărui valoare este determinată de o tensiune sau de curent existent într-o altă locație din circuit. În schimb, dispozitivele pasive produc o tensiune sau curent a căror valoare este determinată de o tensiune sau curent existentă în aceeași locație în circuit. Atât sursele de tensiune independente cât și dependente sunt elemente active. Asta este, ei sunt capabili de a furniza energie unui dispozitiv extern. Elementele pasive nu sunt capabile să genereze energie, deși pot stoca energie pentru livrare ulterior, ca în cazul condensatoarelor și inductoarelor.

Figura de mai jos ilustrează o configurație echivalentă a unui dispozitiv de amplificare utilizat adesea în analiza circuitului. Cel mai dreptrezistor este sarcina. Vom găsi câștigul de tensiune și curent al acestui sistem. Câștigul de tensiune, Av este definit ca raportul dintre tensiunea de ieșire și tensiunea de intrare. În mod similar, câștigul curent, Ai este raportul dintre curentul de ieșire și curentul de intrare.

Amplificatoare ideale

Figura 1 - Circuit echivalent al unui dispozitiv de amplificare în stare solidă

Curentul de intrare este:

Curentul din al doilea rezistor, i1, se găsește direct din legea lui Ohm:

(2)

Tensiunea de ieșire este dată de:

(3)

În ecuația (3), indică o combinație paralelă de rezistențe. Curentul de ieșire se găsește direct din legea lui Ohm.

(4)

Câștigurile de tensiune și curent sunt apoi găsite prin formarea rapoartelor:

(5)

(6)

 1.2 Circuitul echivalent de operare amplificator
Amplificatoare ideale

Figura 2 - Amplificator operațional și circuit echivalent

Fasigurați-vă 2 (A) prezintă simbolul pentru amplificatorul operațional, iar Figura 2 (b) prezintă circuitul său echivalent. Terminalele de intrare sunt v+ și v-. Terminalul de ieșire este vafară. Conexiunile la sursa de alimentare sunt la +V, -V și terminale de masă. Conexiunile de alimentare sunt adesea omisă din desenele schematice. Valoarea tensiunii de ieșire este limitată de +V și -V deoarece acestea sunt cele mai pozitive și negative tensiuni în circuit.

Modelul conține o sursă de tensiune dependentă a cărei tensiune depinde de diferența de tensiune de intrare dintre v+ și v-. Cele două terminale de intrare sunt cunoscute sub numele de non-inversoare și răsturnând intrări, respectiv. În mod ideal, ieșirea amplificatorului nu depinde de magnitudinea celor două tensiuni de intrare, ci numai de diferența dintre acestea. Definim tensiune de intrare diferențială, vd, ca diferență,

(7)

Tensiunea de ieșire este proporțională cu tensiunea de intrare diferențială și desemnează raportul ca amplificare în bucle deschise, G. Astfel, tensiunea de ieșire este

(8)

De exemplu, o intrare de  (E este, de obicei, o mică amplitudine) aplicată la intrarea neinversivă cu terminalul de inversare legat la pământ, produce  la ieșire. Când același semnal sursă este aplicat la intrarea inversoare cu borna neinversoare legată la pământ, ieșirea este .

Impedanța de intrare a op-amperului este prezentată ca o rezistență în figura 2 (b).
Impedanța de ieșire este reprezentată în figură ca o rezistență, Ro.

Un amplificator operațional ideal este caracterizat după cum urmează:

Acestea sunt, de obicei, apropieri bune față de parametrii op-amperi reali. Parametrii tipici ai op-amperilor reali sunt:

Utilizarea op-amperilor ideali pentru a aproxima real op-amperi este o simplificare valoroasă pentru analiza circuitului.
Să explorăm implicația câștigului în buclă deschisă fiind infinită. Dacă vom rescrie ecuația (8)
după cum urmează: 

(9)

si lasa G apropierea de infinit, vedem asta

(10)

Rezultatele ecuației (10) observând că tensiunea de ieșire nu poate fi infinită. Valoarea tensiunii de ieșire este limitată de valorile de alimentare cu energie pozitivă și negativă. Ecuația (10) indică faptul că tensiunile de la cele două borne sunt aceleași:

(11)

Prin urmare, egalitatea ecuației (11) ne determină să spunem că există un scurtcircuit virtual între terminalele de intrare.

Deoarece rezistența de intrare a op-amp ideal este infinită, curentul în fiecare intrare, terminalul de inversiune și terminalul neinversiv, este zero.
Când se utilizează op-amperi reali într-un mod de amplificare liniară, câștigul este foarte mare, iar Ecuația (11) este o aproximare bună. Cu toate acestea, mai multe aplicații pentru op-amperi reali utilizează dispozitivul într-un mod neliniar. Aproximarea ecuației (11) nu este valabilă pentru aceste circuite. 

Deși op-amp-urile practice au un câștig de tensiune mare, acest câștig variază în funcție de frecvență. Din acest motiv, un op-amp nu este utilizat în mod normal în forma prezentată în Figura 2 (a). Această configurație este cunoscută sub denumirea de buclă deschisă deoarece nu există feedback din ieșire la intrare. Vedem mai târziu că, în timp ce configurația cu buclă deschisă este utilă pentru aplicațiile de comparator, configurația mai obișnuită pentru aplicațiile liniare este circuitul cu buclă închisă cu feedback.

Elementele externe sunt folosite pentru a „feedback” o parte din semnalul de ieșire la intrare. Dacă elementele de feedback sunt plasate între ieșire și intrare inversă, câștigul în buclă închisă este redus, deoarece o porțiune a ieșirii scade din intrare. Vom vedea mai târziu că feedback-ul nu numai că scade câștigul general, ci face și că câștigul este mai puțin sensibil la valoarea lui G. Cu feedback-ul, câștigul în buclă închisă depinde mai mult de elementele circuitului de feedback și mai puțin de opțiunea de bază câștig de tensiune amplificator, G. De fapt, câștigul în buclă închisă este în esență independent de valoarea lui G-depinde doar de valorile elementelor circuitului extern. 

Figura (3) ilustrează un circuit op-amp cu feedback negativ cu o singură etapă.
Amplificatoare ideale

Figura 3 - Amplificatorul op-invers

Prin urmare, vom analiza acest circuit în secțiunea următoare. Pentru moment, rețineți că un singur rezistor, RF, este utilizat pentru a conecta tensiunea de ieșire, vafară la intrarea inversoare, v-.  

Un alt rezistor, Ra este conectat de la intrarea inversoare, v-, la tensiunea de intrare, va. Un al treilea rezistor, R este plasat între intrarea neinversoare și sol.
Circuitele care utilizează op-amperi, rezistențe și condensatoare pot fi configurate pentru a efectua multe operații utile, cum ar fi însumarea, scăderea, integrarea, diferențierea, filtrarea, compararea și amplificarea.

1.3 Metoda de analiză

Analizam circuitele folosind cele doua proprietati ideale op-amp:

  • Tensiunea dintre v+ și v- este zero sau v+ = v-.
  • Curentul în ambele v+ și v- terminal este zero.

Aceste observații simple conduc la o procedură de analiză a oricărui circuit op-amp ideal, după cum urmează:

  • Scrieți ecuația nodului curent al lui Kirchhoff la terminalul neinversiv, v+.
  • Scrieți ecuația nodului curent al lui Kirchhoff la terminalul inversor, v-.
  • set v+ = v- și de a rezolva câștigurile dorite în buclă închisă.

Când aplicați legile lui Kirchhoff, amintiți-vă că curentul în ambele v+ și v- terminal este zero.