Progettazione PCB - Comprensione di base dell'amplificatore operativo

Per conoscere meglio gli amplificatori operativi, le seguenti 16 domande e risposte possono rapidamente familiarizzare con le basi degli amplificatori operativi.

1. In generale, ci sarà una resistenza dell'equilibrio nel circuito dell'amplificatore invertito / in fase. Qual è la funzione di questa resistenza all'equilibrio?

(1) Fornire un bias statico adatto per i transistor all'interno del chip.

I circuiti all'interno del chip sono solitamente accoppiati direttamente, che possono regolare automaticamente il punto di lavoro statico. Tuttavia, se un pin di ingresso è collegato direttamente all'alimentazione elettrica o alla terra, la sua funzione di regolazione automatica è anormale, perché i transistor all'interno del chip non possono aumentare la tensione del cavo di terra o tirare giù la tensione dell'alimentazione elettrica, che porta al chip non può soddisfare le condizioni di interruzione virtuale breve e virtuale, il circuito deve essere analizzato separatamente.

(2) Per eliminare l'influenza della corrente di base statica sulla tensione di uscita, la grandezza dovrebbe essere bilanciata con la resistenza equivalente del percorso DC esterno ai due terminali di ingresso, che è anche la ragione del suo nome.

2. Qual è la funzione di amplificatore operativo proporzionale in fase con un condensatore sulla resistenza di feedback[/ H1] (1) resistenza di feedback e condensatore formano un filtro passa alto, che è particolarmente potente per l'amplificazione locale ad alta frequenza.

(2) Prevenire auto eccitazione.

Comprensione di base dell'amplificatore operativo

3. Quali sono le conseguenze se il circuito di amplificazione in fase dell'amplificatore operativo non è collegato alla resistenza dell'equilibrio?

La combustione dell'amplificatore operativo può danneggiare l'amplificatore operativo e la resistenza può svolgere il ruolo di divisione della tensione.

4. Che ruolo può giocare la resistenza pull-down nel tirare su il condensatore all'ingresso dell'amplificatore operativo?

Si tratta di ottenere il problema di feedback positivi e feedback negativi, che dipende dalla connessione specifica. Ad esempio, se prendo il segnale di tensione di ingresso corrente e il segnale di tensione di uscita e quindi prendo un cavo all'estremità dell'uscita per collegarlo alla sezione di ingresso, quindi a causa della resistenza sopra, parte del segnale di uscita ottiene un valore di tensione dopo aver passato attraverso la resistenza, deviando la tensione di ingresso per ridurre la tensione di ingresso, che è un feedback negativo. Poiché l'uscita del segnale dalla sorgente del segnale è sempre costante, il segnale di uscita può essere corretto da feedback negativo.

5. L'amplificatore operativo è collegato in un integratore. Qual è il ruolo della resistenza parallela RF ad entrambe le estremità del condensatore integrato?

La resistenza di scarica è utilizzata per impedire che la tensione di uscita esca fuori controllo.

6. Perché resistori e condensatori sono solitamente collegati in serie all'ingresso degli amplificatori operativi?

Se avete familiarità con il circuito interno dell'amplificatore operativo, saprete che non importa quale amplificatore operativo è composto da diversi transistor o tubi MOS. In assenza di componenti esterni, l'amplificatore operativo è un comparatore. Quando la tensione al terminale in fase è alta, emetterà un livello simile alla tensione positiva, e viceversa... Ma questo amplificatore operativo sembra essere di poco aiuto. Solo quando si forma un circuito esterno sotto forma di feedback, l'amplificatore operativo può avere le funzioni di amplificazione, inversione e così via

7. Quali sono le conseguenze se la resistenza dell'equilibrio del circuito di amplificazione in fase dell'amplificatore operativo è sbagliata?

(1) Il terminale di inversione in fase è sbilanciato e ci sarà anche uscita quando l'ingresso è 0. Quando il segnale di ingresso è in ingresso, il valore di uscita è sempre un numero fisso maggiore (o minore) del valore teorico di uscita.

(2) L'errore causato dalla corrente di polarizzazione in ingresso non può essere eliminato.

8. Qual è il fattore di amplificazione di un amplificatore operativo integrato ideale, qual è l'impedenza di ingresso e qual è la tensione tra l'ingresso in fase e l'ingresso invertinte?

L'ingrandimento è infinito, l'impedenza di ingresso è infinitesimale, e la tensione tra la stessa direzione di ingresso e l'ingresso inverso è quasi la stessa (non 0!!! (10V all'estremità opposta e 9.9999V all'estremità opposta)

9. Scusatemi, perché il guadagno open-loop di un amplificatore operativo ideale è infinito?

(1) Il guadagno effettivo a circuito aperto dell'amplificatore operativo è più di 100000, che è molto, molto grande. Pertanto, il guadagno open-loop dell'amplificatore operativo effettivo è immaginato come infinito e il terreno virtuale è derivato.

(2) Il terreno virtuale derivato è solo per l'amplificatore invertitore.

Si vede nel libro che il guadagno a circuito aperto dell'amplificatore operativo è infinito, di modo che quando progettiamo il circuito, il guadagno a circuito chiuso non può essere limitato dal guadagno a circuito aperto, ma dipende solo dai componenti esterni. È sacrificare il grande guadagno a ciclo aperto per la stabilità del guadagno a ciclo chiuso.

(3) Si ricava che il terreno virtuale non è solo l'amplificatore invertinte quando l'amplificatore operativo è collegato con feedback negativo; Non c'è terreno virtuale in feedback positivi.

(4) È ben inteso che se il guadagno è piccolo, per una tensione di uscita, la differenza tra le tensioni applicate ad entrambe le estremità dell'amplificatore operativo è relativamente grande. Se è collegato allo stato di feedback negativo, la tensione ad entrambe le estremità dell'amplificatore operativo sarà incoerente, con conseguente errore di amplificazione.

(5) Ci sono due condizioni per la realizzazione di "short virtuale" di amplificatore operativo:

1) il guadagno a circuito aperto dell'amplificatore operativo dovrebbe essere abbastanza grande;

2) ci deve essere circuito di feedback negativo.

In primo luogo, sappiamo che la tensione di uscita Vo dell'amplificatore operativo è uguale alla differenza vid tra la tensione di ingresso di fase positiva e la tensione di ingresso di fase inversa moltiplicata per il guadagno a circuito aperto dell'amplificatore operativo. Cioè, VO = vid * a = (VI - VI -) * a (1) poiché la tensione di uscita dell'amplificatore operativo non supererà la tensione di alimentazione in pratica, è un valore limitato.

In questo caso, se a è grande, (VI - VI -) deve essere piccolo; Se (VI - VI -) è piccolo in una certa misura, possiamo effettivamente considerarlo come 0. In questo momento, ci sarà VI = VI -, cioè la tensione all'ingresso in fase dell'amplificatore operativo è uguale alla tensione all'ingresso invertinte, che sembra essere collegato insieme. Questo è chiamato "cortocircuito virtuale". Si noti che non sono realmente collegati, e c'è resistenza tra di loro, che deve essere tenuto a mente.

Nella discussione di cui sopra, come otteniamo il risultato di "short virtuale"?

Il nostro punto di partenza è la formula (1), che è la caratteristica dell'amplificatore operativo. Non c'è nessun problema. Possiamo stare certi. Poi, abbiamo fatto due ipotesi importanti. Uno è che la tensione di uscita dell'amplificatore operativo è limitata, il che non è un problema. Naturalmente, l'uscita dell'amplificatore operativo non supererà l'alimentazione, quindi questa ipotesi è vera, quindi non ne parleremo in futuro. Il secondo è che il guadagno open-loop a dell'amplificatore operativo è molto grande.

L'a di un normale amplificatore operativo è solitamente fino alla 6a, 7a potenza di 10 o anche superiore. Questa ipotesi non è generalmente un problema, ma non dimenticate che l'effettivo guadagno open-loop dell'amplificatore operativo è anche correlato al suo stato di funzionamento. Se si lascia la regione lineare, a non è necessariamente grande. Pertanto, questa seconda ipotesi è condizionata. Prima ricordiamolo.

Pertanto, sappiamo che quando il guadagno open-loop a dell'amplificatore operativo è grande, l'amplificatore operativo può avere "corto virtuale". Ma questa è solo una possibilità, non automatica. Nessuno crederà che i due ingressi di un amplificatore operativo siano "corto virtuale"“ "corto virtuale" possono essere realizzati solo in un circuito specifico.

Le condizioni per l'esistenza di "short virtuale" sono:

1) il guadagno a circuito aperto dell'amplificatore operativo dovrebbe essere abbastanza grande;

2) ci deve essere circuito di feedback negativo.

Dopo aver compreso le condizioni del "corto virtuale", possiamo facilmente giudicare quando possiamo e non possiamo utilizzare "corto virtuale" per l'analisi del circuito. Infatti, la condizione (1) è vera per la maggior parte degli amplificatori operativi, e la chiave dipende dall'area di lavoro.

Se è il circuito nel libro, giudicare dal calcolo; Se si tratta di un circuito reale, è possibile sapere se la tensione di uscita dell'amplificatore operativo è ragionevole misurando lo strumento. Un'altra situazione relativa al "virtual short" è chiamata "virtual ground", cioè il "virtual short" quando un terminale di ingresso è messo a terra, che non è una situazione nuova.

Alcuni libri dicono che "virtual short" può essere utilizzato solo a condizione di feedback negativi profondi. Non credo sia esatto. Penso che il pensiero di fondo sia che nel caso di feedback negativi profondi, l'amplificatore op è più probabile che funzioni nella regione lineare. Ma questo non è vero. Quando il segnale in ingresso è troppo grande, l'amplificatore op con feedback negativo profondo entra ancora nella saturazione.

Pertanto, dovrebbe essere giudicato attendibilmente dal valore della tensione di uscita.

10. Il segnale di ingresso è direttamente aggiunto al terminale di ingresso in fase e il terminale di ingresso invertinte è messo a terra attraverso la resistenza. Perché u_= U =Uiâ � 0? Non è un posto vuoto?

Supplemento del problema: alcune condizioni devono essere soddisfatte per formare carenza e corto. Deve soddisfare determinate condizioni per formare una terra virtuale? Che cos'è? Perché?

(1) Nel circuito dell'amplificatore in fase, l'uscita fa sì che u () traccia automaticamente U (-) attraverso il feedback, in modo che u () - U (-) sarà vicino a 0. Sembra che entrambe le estremità siano cortocircuiti, quindi è chiamato "corto virtuale".

(2) A causa del fenomeno corto virtuale e dell'elevata resistenza in ingresso dell'amplificatore operativo, la corrente che scorre attraverso i due terminali di ingresso dell'amplificatore operativo è molto piccola, vicina a 0. Questo fenomeno si chiama "rottura virtuale" (rottura virtuale deriva dal corto virtuale, non pensate che i due siano contraddittori)

(3) La terra virtuale è nel circuito dell'amplificatore operativo invertinte, () terminale è messo a terra, (-) input e rete di feedback. A causa dell'esistenza di virtual short, u (-) e U () [potenziale uguale a 0] sono molto vicini, quindi si chiama falsa messa a terra a (-) fine - "virtual ground"

(4) Circa le condizioni: il corto virtuale è una caratteristica importante dello stato di funzionamento a circuito chiuso (in breve, con feedback) del circuito amplificatore in fase e la terra virtuale è una caratteristica importante del circuito amplificatore inverso nello stato di funzionamento a circuito chiuso. Prestare attenzione a capire la condizione del corto virtuale (come "vicino all'uguaglianza"), dovrebbe essere OK.

11. Penso sempre che ci sia qualcosa di strano nel modello di amplificatore operativo. Il primo è "virtual short", perché "virtual short". Quando l'amplificatore operativo è collegato all'amplificatore in fase, le potenzialità dei due ingressi sono le stesse. In questo momento, se la forma d'onda dell'ingresso misurato è la stessa, è come un segnale di modalità comune. Infatti, ci sono ancora piccoli segnali in modalità differenziale sui due ingressi, tuttavia, in questo modo, il "virtual short" artificialmente (perché il virtual short è il risultato di feedback negativo profondo, che è artificiale) aumenta il segnale in modalità comune ai due ingressi, che pone una sfida alle prestazioni dell'amplificatore operativo. Perché gli amplificatori operativi dovrebbero essere utilizzati in questo modo?

(1) Il segnale di modo comune dell'amplificatore in fase è molto più grande di quello dell'amplificatore invertitore e il requisito del rapporto di rifiuto di modo comune è alto.

(2) Il mio parere sulla "capacità di soppressione del segnale in modalità comune degli stessi amplificatori e inversi" i vantaggi e gli svantaggi (valore DB) del rapporto di soppressione del segnale in modalità comune dell'amplificatore operativo dipendono principalmente dalla simmetria e dal guadagno dell'amplificatore differenziale interno (solo interno) dell'amplificatore operativo. È ovvio che nessun amplificatore operativo fornisce il suo rapporto di rifiuto in modalità comune e attacca le condizioni strutturali dei circuiti esterni.

Per l'input singolo, sia in fase che inversa, il valore di modalità comune equivalente è la metà del valore di input. Tuttavia, poiché l'impedenza di ingresso dell'amplificazione in fase è solitamente maggiore di quella dell'amplificazione inversa, la sua capacità anti-interferenza è certamente peggiore.

Come accennato in precedenza, quando si inverte l'ingresso, la tensione del terminale di inversione è quasi zero, quindi c'è solo un cambiamento del tubo nella tensione del collettore del tubo differenziale. Durante l'ingresso in fase, la tensione all'estremità invertita è uguale a quella all'estremità in fase, quindi la tensione in modalità comune è uguale alla tensione in ingresso! Vale a dire, la tensione del collettore del transistor a coppia differenziale cambia nella stessa direzione oltre alle parti dei due transistor che cambiano in direzioni diverse allo stesso tempo, che è la tensione di uscita di modo comune.

Viene aggiunto in fase con la tensione di uno dei tubi. Pertanto, è facile portare alla saturazione (o cut-off) del tubo. Fortunatamente, l'amplificazione della tensione di modalità comune è solo una decine di migliaia di ingrandimento della modalità differenziale.

Quanto sopra non significa che il rapporto di rifiuto della modalità comune dell'ingresso in modo differenziale e dell'ingresso in modo comune dell'amplificatore sia diverso! Dovrebbe essere in ingresso in fase, e un segnale di modalità comune equivalente all'ingresso sarà aggiunto! Pertanto, la modalità di amplificazione in fase deve essere utilizzata con cautela quando il segnale in ingresso è grande.

12. Perché gli amplificatori operativi devono essere generalmente scalati inversamente?

La differenza principale tra il metodo di input inverso e il metodo di input in fase è:

Per il metodo di ingresso invertito, una resistenza di bilanciamento è collegata al suolo al terminale in fase e non c'è corrente su questa resistenza (perché la resistenza di ingresso dell'amplificatore operativo è molto grande), quindi questo terminale in fase è approssimativamente uguale al potenziale di terra, che è chiamato "terreno virtuale", Il potenziale elettrico del terminale di inversione e del terminale in fase è molto vicino, quindi c'è anche "terreno virtuale" al terminale di inversione.

Il vantaggio del terreno virtuale è che non c'è segnale di ingresso in modalità comune. Anche se il rapporto di rigetto della modalità comune di questo amplificatore operativo non è alto, non c'è uscita in modalità comune. Il metodo di connessione in ingresso in fase non ha "terreno virtuale". Quando viene utilizzato un segnale di ingresso singolo terminale, verrà generato un segnale di ingresso in modalità comune. Anche se viene utilizzato un amplificatore operativo con un elevato rapporto di rifiuto in modalità comune, ci sarà comunque un'uscita in modalità comune.

Pertanto, in generale, verrà utilizzato il metodo di connessione inversa in ingresso per quanto possibile.

13. Alcuni amplificatori operativi produrranno anche se nessuna tensione è in ingresso dopo l'accensione, e l'uscita non è piccola, quindi VCC / 2 è spesso usato come tensione di riferimento.

L'amplificatore operativo ha un'uscita senza alcun ingresso, il che è causato dalla struttura di progettazione asimmetrica dell'amplificatore operativo stesso, cioè la tensione di offset in ingresso Vos, che è un parametro di prestazione molto importante dell'amplificatore operativo. VCC / 2 è spesso utilizzato come tensione di riferimento dell'amplificatore operativo perché l'amplificatore operativo è nello stato di funzionamento di singolo alimentatore. In questo momento, il vero riferimento dell'amplificatore operativo è VCC / 2. Pertanto, un bias DC di VCC / 2 è spesso fornito all'estremità positiva dell'amplificatore operativo, e il terreno è spesso utilizzato come riferimento quando vengono forniti gli alimentatori positivi e negativi.

Molte questioni devono essere prestate attenzione nella selezione dell'amplificatore operativo. In condizioni non molto rigide, la tensione di funzionamento, la corrente di uscita, il consumo energetico, il prodotto di larghezza di banda di guadagno, il prezzo, ecc. dell'amplificatore operativo spesso devono essere considerati. Naturalmente, quando l'amplificatore operativo viene utilizzato in condizioni speciali, devono essere presi in considerazione diversi fattori di influenza.

14. Perché il circuito dell'amplificatore composto da amplificatore operativo generalmente campiona la modalità di ingresso inverso?

(1) La differenza principale tra il metodo di input inverso e il metodo di input in fase è:

Per il metodo di ingresso invertito, una resistenza di bilanciamento è collegata al suolo al terminale in fase e non c'è corrente su questa resistenza (perché la resistenza di ingresso dell'amplificatore operativo è molto grande), quindi questo terminale in fase è approssimativamente uguale al potenziale di terra, che è chiamato "terreno virtuale", Il potenziale elettrico del terminale di inversione e del terminale in fase è molto vicino, quindi c'è anche "terreno virtuale" al terminale di inversione.

Il vantaggio del terreno virtuale è che non c'è segnale di ingresso in modalità comune. Anche se il rapporto di rigetto della modalità comune di questo amplificatore operativo non è alto, non c'è uscita in modalità comune. Il metodo di connessione in ingresso in fase non ha "terreno virtuale". Quando viene utilizzato un segnale di ingresso singolo terminale, verrà generato un segnale di ingresso in modalità comune. Anche se viene utilizzato un amplificatore operativo con un elevato rapporto di rifiuto in modalità comune, ci sarà comunque un'uscita in modalità comune. Pertanto, in generale, verrà utilizzato il metodo di connessione inversa in ingresso per quanto possibile.

(2) La fase positiva è l'oscillatore, la fase invertita può stabilizzare l'amplificatore e il feedback negativo è collegato

(3) In linea di principio, è possibile collegare il circuito di amplificazione proporzionale in fase. Tuttavia, nell'applicazione pratica, il segnale amplificato (cioè segnale in modalità differenziale) è spesso molto piccolo. In questo momento, si dovrebbe prestare attenzione a sopprimere il rumore (solitamente segnale in modalità comune). Il circuito di amplificazione proporzionale in fase ha scarsa capacità di soppressione al segnale di modalità comune e il segnale da amplificare sarà sommerso nel rumore, che non è favorevole alla post-elaborazione. Pertanto, il circuito di amplificazione proporzionale inverso con buona capacità di soppressione è generalmente selezionato.

15. Quali sono le caratteristiche importanti dell'amplificatore?

(1) Se la tensione su entrambi gli ingressi dell'amplificatore operativo è 0V, la tensione di uscita dovrebbe anche essere uguale a 0V. Ma in realtà, c'è sempre una certa tensione all'uscita, che è chiamata tensione offset Vos. Se la tensione offset all'uscita è divisa per il guadagno di rumore del circuito, il risultato è chiamato tensione offset in ingresso o tensione offset di riferimento in ingresso. Questa funzione è solitamente data in Vos nella tabella dati.

Il Vos è equivalente ad una sorgente di tensione collegata in serie con l'ingresso invertinte dell'amplificatore operativo. Una tensione differenziale deve essere applicata ad entrambi gli ingressi dell'amplificatore per produrre un'uscita 0V.

(2) L'impedenza di ingresso dell'amplificatore operativo ideale è infinita, quindi non ci sarà corrente che fluirà nell'ingresso. Tuttavia, un vero amplificatore operativo che utilizza transistor bipolare (BJT) nello stadio di ingresso richiede una certa corrente operativa, che viene chiamata corrente di bias (IB). Di solito ci sono due correnti di polarizzazione: IB e IB -, che fluiscono rispettivamente nei due ingressi. La gamma di valori IB è molto grande, che è un tipo speciale di amplificatore operativo