Amplificatoarele operaționale (op-amps) există de peste opt decenii și își au originile în primele calculatoare analogice. Ele sunt încă incluse în cursurile de inginerie electronică și sunt prezentate ca o componentă fundamentală a blocului de construcție analogică pe care inginerii o pot folosi în multe aplicații. Aceste dispozitive analogice, de mare câștig și cu intrare diferențială sunt incredibil de versatile fiind disponibile pentru o gamă largă de specificații.
“Umilul” amplificator operațional
Menționarea unui amplificator operațional datează de câteva zeci de decenii, de la începutul anilor 1940, când conceptul inițial de amplificator de tensiune cuplat în curent continuu și cu câștig ridicat folosea supape termoionice (în vid). Primele amplificatoare operaționale au fost adoptate rapid într-o gamă largă de aplicații, de la radar la calculatoare analogice, iar utilitatea lor continuă să crească. În prezent, amplificatoarele operaționale se află în centrul aproape tuturor dispozitivelor electronice, de la ceasuri pentru fitness de larg consum la roboți industriali, vehicule autonome și sateliți de comunicații.
Figura 1: Schema internă a amplificatorului operațional multi-etaj UA741CD de uz general de la STMicroelectronics (sursa ST)
Unul dintre cele mai populare amplificatoare operaționale, un dispozitiv, care încă se mai produce astăzi, este 741. Deși nu a fost primul amplificator operațional de tip circuit integrat bazat pe semiconductori (acest merit revenindu-i modelului Fairchild 702) Fairchild µA741 s-a impus rapid ca amplificator operațional pentru a fi integrat în orice proiect. Lansat în 1968, dispozitivul 741 continuă să fie produs în prezent și este disponibil în capsule pin-compatibile de la mai mulți furnizori. Printre exemple se numără STMicroelectronics și Texas Instruments.
Un amplificator operațional are, de obicei, o singură ieșire și intrări diferențiale inversoare și neinversoare. Utilizat ca amplificator în buclă deschisă, caracteristicile sale de câștig ridicat creează o ieșire de multe mii de ori mai mare decât diferența de potențial dintre intrări. Adesea, un amplificator operațional este utilizat într-o configurație în buclă închisă − vedeți figura 2 − cu reacție negativă pentru a limita și controla câștigul în funcție de aplicație. Tensiunea de ieșire a unui amplificator operațional, în ciuda specificațiilor de câștig, este limitată de nivelurile liniilor de alimentare.
Câștigul amplificatorului neinversor este ilustrat în figura 2, cu tensiunea de ieșire, Vout, determinată de divizorul de tensiune format din rezistorii R1 și R2.
Configurațiile amplificatoarelor operaționale includ amplificatoare diferențiale, repetoare, diferențiatoare sau integratoare. Potrivite pentru diverse aplicații, funcțiile includ, de obicei, filtre active, schimbătoare de nivel, memorie tampon, condiționare de semnal, amplificare de semnale mici (AC/DC) și generator de funcții. Pe scurt, amplificatorul operațional este o componentă de bază perfectă în aproape orice dispozitiv.
Figura 2: O configurație de amplificator operațional neinversor în buclă închisă cu reacție negativă asigurată de R2 (sursa Mouser)
Din perspectiva înțelegerii modului în care funcționează un amplificator operațional, un dispozitiv ideal prezintă următoarele caracteristici:
- câștig în tensiune infinit − tensiunea de ieșire este determinată exclusiv de tensiunea de intrare și de circuitul de reacție.
- impedanță de intrare infinită − acest lucru stabilește că nu va trece niciun curent în niciuna dintre intrări
- impedanță de ieșire zero − sarcina, prin urmare, nu are impact asupra performanței amplificatorului
- lățimea de bandă infinită − astfel, se adaptează de la curent continuu la orice frecvență fără modificări de fază sau de câștig
- ieșirea este zero atunci când intrarea diferențială este zero.
Un infografic util care explică elementele de bază ale unui amplificator operațional și câteva configurații populare de circuite poate fi descărcat de la Mouser, accesând link-ul: https://emea.info.mouser.com/opamp-reference?pid=Mouser&cid=TW
Figura 3: Măsurarea vitezei de variație a semnalului de ieșire a unui AO, urmărind modificările semnalului de ieșire (sursa TI)
Amplificatoare operaționale în practică
Deși, pentru a ajuta la explicarea teoriei de bază a unui amplificator operational, este utilă o caracterizare a dispozitivului ideal, în realitate, toate amplificatoarele operaționale prezintă atribute pe care inginerii trebuie să le înțeleagă pe deplin.
Această secțiune a articolului evidențiază și explică pe scurt unii dintre parametrii cheie pe care îi veți găsi în fișa tehnică a unui amplificator operațional. În funcție de tipul de aplicație, unele dintre aceste criterii ar putea influența direct procesul de selecție a dispozitivului.
Tensiunea de offset la intrare: Ieșirea ar trebui să fie zero atunci când intrarea diferențială este zero într-un amplificator operațional ideal. Cu toate acestea, din cauza unor mici diferențe apărute în timpul fabricării dispozitivului, unele porți de tranzistor prezintă diferențe infime. Tensiunea de decalaj pe intrare este tensiunea care trebuie aplicată la intrările diferențiale pentru a crea o tensiune de ieșire zero (Vio). Valorile tipice ale lui Vio variază considerabil, de la câțiva zeci de µV la sute de mV. Vio poate reprezenta o pondere semnificativă atunci când se măsoară tensiuni de intrare foarte mici, ceea ce duce la o tensiune de ieșire eronată.
Curentul de polarizare la intrare: Acesta este curentul nedorit care circulă pe intrările diferențiale. Apare de obicei din cauza curenților de scurgere și variază în funcție de tehnologia de procesare. Poate rezulta, de asemenea, din componentele de polarizare utilizate în jurul intrărilor. Deși un curent de polarizare de intrare (Iib) poate fi foarte mic, de obicei pA sau nA, în circuitele de intrare cu impedanță mare poate apărea o reducere semnificativă a tensiunii, astfel încât să aibă un impact asupra ieșirii.
Produsul câștig-lățime de bandă: GBP ilustrează modul în care se comportă amplificatorul operațional pe o gamă de frecvențe, prezentând de obicei o reducere treptată a câștigului pe măsură ce crește frecvența. Acesta indică frecvența la care câștigul se reduce la 20 dB.
Intrări “rail-to-rail”: Un amplificator operațional cu intrări “rail-to-rail” (linie-la-linie) poate suporta tensiuni de intrare între +Vcc și -Vcc.
Ieșiri “rail-to-rail”: Similar cu cele de mai sus, tensiunea de ieșire a amplificatorului operațional poate varia între +Vcc și -Vcc.
Slew rate: Viteza de variație a semnalului de ieșire a amplificatorului operațional determină cât de repede se poate modifica ieșirea acestuia în comparație cu semnalul de intrare. În aplicațiile de înaltă frecvență, viteza de variație este esențială, deoarece dacă ieșirea nu se poate adapta la viteza de variație a semnalului de intrare, integritatea semnalului este compromisă, ceea ce duce la distorsiuni. Aceasta se măsoară în mV/s deoarece tensiunea de ieșire oscilează de la 10% la 90% din valoarea de vârf – vedeți figura 3.
Capacitanța de intrare: Capacitanța de intrare a unui amplificator operațional poate avea un impact asupra performanțelor sale pe măsură ce crește frecvența semnalelor de intrare. Pentru o aplicație cum ar fi măsurarea tensiunii bateriei, acest factor va avea o importanță minoră, dar pentru filtrarea activă a semnalelor cu ultrasunete, de exemplu, devine un factor de luat în considerare.
Nivelul de zgomot: La fel ca multe componente, amplificatoarele operaționale au mai multe surse de zgomot capabile să inducă zgomot pe semnalul de ieșire atunci când semnalul de intrare nu este prezent. Acestea includ zgomotul termic și zgomotul 1/f. Se recomandă selectarea unui amplificator operațional cu zgomot redus pentru cazurile de utilizare cu câștig ridicat și lățime de bandă largă.
Zero drift: Impactul unor factori precum tensiunea de offset de intrare, evidențiată mai sus, variază în funcție de temperatură și timp. Un amplificator operațional cu zero drift utilizează o abordare de tip “input swapping” sau de “tăiere” pentru a anula aceste influențe.
Consumul de curent: Consumul de putere este din ce în ce mai mult o prioritate pentru multe aplicații, nu numai pentru a maximiza eficiența energetică, ci și pentru a prelungi durata de viață a bateriei, în special pentru senzorii IoT/IIoT. Amplificatoarele operaționale au specificații de putere mult mai mici decât alte circuite integrate, cum ar fi un microcontroler. Cu toate acestea, există amplificatoare operaționale speciale de joasă putere, având curenți de operare de până la 900 nA pe intrare și sunt excelente pentru aplicațiile alimentate de la baterii.
Exemple de amplificatoare operaționale
Figura 4: Un exemplu de utilizare a amplificatorului operațional de precizie ST TSZ121 pentru măsurarea curentului într-un dispozitiv portabil, care evidențiază importanța selectării unui amplificator operațional cu o tensiune de offset la intrare scăzută (sursa ST)
Producătorii de semiconductori își optimizează de obicei portofoliul de amplificatoare operaționale în mai multe categorii, în funcție de specificațiile dispozitivului. De exemplu, ST le împarte în produse de joasă putere, tensiune de offset scăzută la intrare, înaltă tensiune, precizie, rail-to-rail și de mare viteză. Analog Devices folosește o abordare similară, identificând produsele potrivite pentru aplicații specifice.
Figura 5: ST eDesignSuite prezintă un proiect de măsurare a curentului utilizând amplificatorul operațional ST TSZ121 (sursa ST)
Un exemplu de amplificator operațional cu offset scăzut la intrare, de precizie și zero drift este seria ST TSZ121. Disponibilă în diferite configurații de capsule, simple, duble și cvadruple, seria TSZ121 este o serie de amplificatoare operaționale de intrare și ieșire rail-to-rail. Acestea pot opera de la o sursă de alimentare de 1,8V până la 5,5VDC, au un consum de putere scăzut, de 40µA (@ 5V) și prezintă o tensiune de offset tipică de 5µV (@ 25°C). Seria se potrivește aplicațiilor portabile, alimentate de la baterii, circuitelor de condiționare a semnalelor și echipamentelor de instrumentație medicală. Figura 4 ilustrează utilizarea TSZ121 într-un circuit de măsurare a curentului unui dispozitiv alimentat de la baterii.
Figura 6: Proiectarea unui filtru trece-bandă utilizând Analog Design Filter Wizard (sursa Analog Devices)
Un rezistor de șunt de precizie de 8 mΩ este plasat în serie cu sarcina bateriei. Un curent de 100 mA trece prin rezistorul de șunt, generând o tensiune de 800 µV, care este aplicată la intrările diferențiale prin intermediul a doi rezistori de 10 Ω. Configurația amplificatorului operațional are un câștig de 1.000, astfel încât veți măsura o tensiune de 0,8 V la ieșire. Cu toate acestea, în practică, având o tensiune de offset la intrare de 5 µV, tensiunea reală măsurată la ieșire va fi de 0,805 V. Acest scenariu arată importanța tensiunii de offset la intrare asupra unei măsurători. Dacă, de exemplu, ar fi fost selectat un amplificator operațional cu o tensiune de decalaj de intrare de 200 µV, s-ar fi produs o eroare de măsurare semnificativ mai mare.
Este disponibilă o placă de prototipare “low side” pentru a accelera un proiect bazat pe TSZ121. STEVAL-ISQ014V1 încorporează un rezistor de șunt de 30 mΩ. De asemenea, pentru a ajuta inginerii în dezvoltarea și simularea circuitelor bazate pe amplificatoare operaționale, ST eDesignSuite oferă o metodă rapidă și convenabilă de selectare și prototipare a unui proiect − vedeți Figura 5.
Figura 7: Schema circuitului unui filtru trece-bandă cu un amplificator operațional cu consum redus de putere ADA4062 selectat pentru primul etaj (sursa Analog Devices)
O altă utilizare pe scară largă a amplificatoarelor operaționale este în circuitele de filtrare activă. Figura 6 evidențiază proiectarea unui filtru trece-bandă pentru frecvențe audio utilizând Analog Design Filter Wizard.
Parametrii filtrului dorit sunt o frecvență centrală de 800 Hz și o bandă de trecere de 3 dB @ 300 Hz. Puteți ajusta rapid parametrii filtrului pentru a obține banda de trecere dorită. Următorul pas este selectarea componentelor − vedeți figura 7. Fie puteți accepta sugestiile expertului, fie puteți alege manual din portofoliul de amplificatoare operaționale de la Analog Device.
Amplificatorul ADA4062 de la Analog Devices are un slew rate tipic de 3,3 V/µs, un curent de polarizare la intrare redus, de 50 pA și o tensiune de offset la intrare de 500 µV. Amplificatorul operațional poate funcționa pe linii de ±5 V până la ±15 V și are un consum tipic de curent de 165 µA.
Integrați un amplificator operațional în următorul vostru proiect
Amplificatoarele operaționale au un rol important în aplicațiile alimentate de la baterii. Specificațiile lor de curent ultra-redus le permit să efectueze în mod constant o funcție de măsurare sau de condiționare a semnalului fără a afecta semnificativ durata de viață a bateriei. Aceste dispozitive flexibile își pot găsi probabil un loc în următorul proiect al oricărui inginer.
Autor: Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Follow us on Twitter