Circuits et paramètres de base de l'amplificateur opérationnel expliqués

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Dans l'article suivant, nous discutons des principaux paramètres de l'ampli op et des circuits d'application de base de l'ampli op associés avec des équations, pour résoudre leurs valeurs de composants spécifiques.

Les amplificateurs opérationnels (amplificateurs opérationnels) sont un type spécialisé de circuit intégré qui comprend un amplificateur à gain élevé couplé directement avec des caractéristiques de réponse globales ajustées par une rétroaction.



L'ampli-op tire son nom du fait qu'il peut exécuter un large éventail de calculs mathématiques. En raison de sa réponse, un amplificateur opérationnel est également connu sous le nom de circuit intégré linéaire et constitue le composant central de nombreux systèmes analogiques.

Un ampli op présente un gain extraordinairement élevé (éventuellement proche de l'infini), qui peut être ajusté via une rétroaction. L'ajout de condensateurs ou d'inductances au réseau de rétroaction peut entraîner un gain qui change avec la fréquence, affectant l'état opérationnel global du circuit intégré.



Comme le montre la figure ci-dessus, l'ampli op fondamental est un appareil à trois bornes ayant deux entrées et une sortie. Les bornes d'entrée sont classées comme 'inverseuses' ou 'non inverseuses'.

Paramètres de l'ampli op

Lorsqu'il est alimenté avec des tensions d'entrée égales, la sortie de l'amplificateur opérationnel idéal, ou 'ampli op', est zéro ou '0 volt'.

VIN 1 = VIN 2 donne VOUT = 0

Les amplificateurs opérationnels pratiques ont une entrée imparfaitement équilibrée, provoquant la circulation de courants de polarisation inégaux à travers les bornes d'entrée. Afin d'équilibrer la sortie de l'ampli op, une tension de décalage d'entrée doit être fournie entre les deux bornes d'entrée.

1) Courant de polarisation d'entrée

Lorsque la sortie est équilibrée, ou lorsque V DEHORS = 0, le courant de polarisation d'entrée (I B ) est égal à la moitié des courants individuels totaux entrant dans les deux connexions d'entrée. C'est souvent un très petit nombre; par exemple, je B = 100 nA est une valeur normale.

2) Courant de décalage d'entrée

La différence entre chaque courant individuel atteignant les bornes d'entrée est connue sous le nom de courant de décalage d'entrée (I cette ). Encore une fois, il est souvent d'une valeur extrêmement faible; par exemple, une valeur commune est I cette = 10 nA.

3) Tension de décalage d'entrée

Afin de maintenir l'ampli op équilibré, une tension de décalage d'entrée V cette doit être appliqué sur le terminal d'entrée. Habituellement, la valeur de V cette est = 1 mV.

Valeurs de I cette et V cette peuvent tous deux varier avec la température, et cette variation est appelée I cette dérive et V cette dérive, respectivement.

4) Rapport de réjection de l'alimentation (PSRR)

Le rapport entre la variation de la tension de décalage d'entrée et la variation correspondante de la tension d'alimentation est appelé taux de rejet d'alimentation, ou PSRR. Celle-ci est souvent comprise entre 10 et 20 uV/V.

Les paramètres supplémentaires pour les amplificateurs opérationnels qui pourraient être mentionnés sont :

5) Gain en boucle ouverte/Gain en boucle fermée

Le gain en boucle ouverte fait référence au gain d'un ampli-op sans circuit de retour, tandis que le gain en boucle fermée fait référence au gain d'un ampli-op avec un circuit de retour. Il est généralement représenté par A .

6) Taux de réjection en mode commun (CMRR)

Il s'agit du rapport entre le signal de différence et le signal de mode commun et sert de mesure des performances d'un amplificateur différentiel. Nous utilisons les décibels (dB) pour exprimer ce ratio.

7) Taux de balayage

La vitesse de balayage est la vitesse à laquelle la tension de sortie d'un amplificateur change dans des conditions de signal élevées. Il est représenté par l'unité V/us.

Circuits d'application de base d'amplificateur opérationnel

Dans les paragraphes suivants, nous découvrirons plusieurs circuits de base d'amplis op intéressants. Chacune des conceptions de base est expliquée avec des formules pour résoudre leurs valeurs et caractéristiques de composants.

AMPLIFICATEUR OU TAMPON

Le circuit d'un amplificateur inverseur, ou d'un onduleur, est illustré à la figure 1 ci-dessus. Le gain du circuit est donné par :

Arrêt = - R2/R1

Notez que le gain est négatif, indiquant que le circuit fonctionne comme un suiveur de tension à inversion de phase, si les deux résistances sont égales (c'est-à-dire R1 = R2). La sortie serait identique à l'entrée, avec la polarité inversée.

En réalité, les résistances peuvent être retirées pour un gain unitaire et remplacées par des fils de raccordement directs, comme illustré à la Fig. 2 ci-dessous.

Ceci est possible car R1 = R2 = 0 dans ce circuit. En règle générale, R3 est retiré du circuit suiveur de tension inverseur.

La sortie de l'ampli op amplifiera le signal d'entrée si R1 est inférieur à R2. Par exemple, si R1 est de 2,2 K et R1 est de 22 K, le gain peut être exprimé comme suit :

Désactivé = - 22 000/2 200 = -10

Le symbole négatif indique une inversion de phase. Les polarités d'entrée et de sortie sont inversées.

En rendant R1 plus grand que R2, le même circuit peut également atténuer (diminuer la force de) le signal d'entrée. Par exemple, si R1 est de 120 K et R2 de 47 K, le gain du circuit serait d'environ :

Désactivé = 47 000/120 000 = - 0,4

Encore une fois, la polarité de la sortie est l'inverse de celle de l'entrée. Bien que la valeur de R3 ne soit pas particulièrement importante, elle devrait être à peu près égale à la combinaison parallèle de R1 et R2. Lequel est:

R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)

Pour le démontrer, considérons notre exemple précédent, où R1 = 2,2 K et R2 = 22 K. La valeur de R3 dans cette situation devrait être approximativement :

R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48 400 000/24 ​​200 = 2000 Ω

Nous pouvons choisir la valeur de résistance standard la plus proche pour R3 car la valeur précise n'est pas nécessaire. Une résistance de 1,8 K ou de 2,2 K pourrait être utilisée dans ce cas.

L'inversion de phase créée par le circuit de la Fig. 2 peut ne pas être acceptable dans plusieurs situations. Pour utiliser l'amplificateur opérationnel comme un amplificateur non inverseur (ou comme un simple tampon), connectez-le comme illustré à la Fig. 3 ci-dessous.

Le gain dans ce circuit s'exprime comme suit :

Arrêt = 1 + R2/R1

La sortie et l'entrée ont la même polarité et sont en phase.

Gardez à l'esprit que le gain doit toujours être au minimum de 1 (unité). Il n'est pas possible d'atténuer (réduire) les signaux à l'aide d'un circuit non inverseur.

Le gain du circuit sera comparativement plus fort si la valeur R2 est nettement supérieure à R1. Par exemple, si R1 = 10 K et R2 = 47 K, le gain de l'ampli op sera comme indiqué ci-dessous :

Désactivé = 1 + 470 000/10 000 = 1 + 47 = 48

Cependant, si R1 est significativement plus grand que R2, le gain ne sera qu'un peu supérieur à l'unité. Par exemple, si R1 = 100 K et R2 = 22 K, le gain serait :

Désactivé = 1 + 22 000/100 000 = 1 + 0,22 = 1,22

Dans le cas où les deux résistances sont identiques (R1 = R2), le gain serait toujours de 2. Pour vous en convaincre, essayez l'équation de gain dans quelques scénarios.

Une situation spécifique est lorsque les deux résistances sont définies sur 0. En d'autres termes, comme le montre la figure 4 ci-dessous, des connexions directes sont utilisées à la place des résistances.

Le gain est exactement un dans ce cas. Ceci est conforme à la formule de gain :

Arrêt = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1

L'entrée et la sortie sont identiques. Les applications pour ce circuit suiveur de tension non inverseur incluent l'adaptation d'impédance, l'isolement et le tampon.

ADDER (Amplificateur Sommateur)

Un certain nombre de tensions d'entrée peuvent être ajoutées à l'aide d'un ampli op. Comme illustré à la Fig. 5 ci-dessous, les signaux d'entrée V1, V2,… Vn sont appliqués à l'amplificateur opérationnel via les résistances R1, R2,… Rn.

Ces signaux sont ensuite combinés pour produire le signal de sortie, qui est égal à la somme des signaux d'entrée. La formule suivante peut être utilisée pour calculer les performances réelles de l'ampli-op en tant qu'additionneur :

VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))

Voir le symbole négatif. Cela signifie que la sortie a été inversée (la polarité est inversée). En d'autres termes, ce circuit est un additionneur inverseur.

Le circuit peut être modifié pour fonctionner comme un additionneur non inverseur en commutant les connexions aux entrées inverseuses et non inverseuses de l'amplificateur opérationnel, comme illustré sur la figure 6 ci-dessous.

L'équation de sortie pourrait être simplifiée en supposant que toutes les résistances d'entrée ont des valeurs identiques.

VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)

AMPLIFICATEUR DIFFÉRENTIEL

La figure 7 ci-dessus illustre le circuit de base d'un amplificateur différentiel. Les valeurs des composants sont définies de sorte que R1 = R2 et R3 = R4. Par conséquent, les performances du circuit peuvent être calculées à l'aide de la formule suivante :

VOUT = VIN 2 - VIN 1

Tant que l'ampli op peut accepter que les entrées 1 et 2 aient des impédances différentes (l'entrée 1 a une impédance de R1 et l'entrée 2 a une impédance de R1 plus R3).

Additionneur/soustracteur

La figure 8 ci-dessus illustre la configuration d'un circuit additionneur/soustracteur d'amplificateur opérationnel. Dans le cas où R1 et R2 ont les mêmes valeurs et R3 et R4 sont également réglés sur les mêmes valeurs, alors :

VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)

En d'autres termes, Vout = V3 + V4 est le total des entrées V3 et V4 alors que c'est la soustraction des entrées V1 et V2. Les valeurs de R1, R2, R3 et R4 sont sélectionnées pour correspondre aux caractéristiques de l'ampli op. R5 doit être égal à R3 et R4, et R6 doit être égal à R1 et R2.

MULTIPLICATEUR

Des opérations de multiplication simples peuvent être effectuées avec le circuit illustré à la figure 9 ci-dessus. Gardez à l'esprit qu'il s'agit du même circuit que sur la Fig. 1. Pour obtenir un gain constant (et par la suite une multiplication de la tension d'entrée dans le rapport R2/R1) et des résultats précis, des résistances de précision avec les valeurs prescrites pour R1 et R2 Devrait être utilisé. Notamment, la phase de sortie est inversée par ce circuit. La tension en sortie sera égale à :

VOUT = - (VIN x Off)

où Av est le gain, déterminé par R1 et R2. VOUT et VIN sont respectivement les tensions de sortie et d'entrée.

Comme le montre la figure 10 ci-dessus, la constante de multiplication peut être modifiée si R2 est une résistance variable (potentiomètre). Autour de l'arbre de commande, vous pouvez monter un cadran d'étalonnage avec des marques pour divers gains communs. La constante de multiplication peut être lue directement à partir de ce cadran à l'aide d'une lecture calibrée.

INTÉGRATEUR

Un amplificateur opérationnel fonctionnera, à tout le moins, théoriquement comme un intégrateur lorsque l'entrée inverseuse est couplée à la sortie via un condensateur.

Comme indiqué sur la figure 11 ci-dessus, une résistance parallèle doit être connectée aux bornes de ce condensateur afin de maintenir la stabilité du courant continu. Ce circuit implémente la relation suivante pour intégrer le signal d'entrée :

La valeur de R2 doit être sélectionnée pour correspondre aux paramètres de l'ampli op, de sorte que :

VOUT = R2/R1 x VIN

DIFFÉRENCIATEUR

Le circuit d'amplificateur opérationnel différenciateur comprend un condensateur dans la ligne d'entrée qui se connecte à l'entrée inverseuse et une résistance qui connecte cette entrée à la sortie. Cependant, ce circuit a des limites claires, donc une configuration préférable serait de mettre en parallèle la résistance et le condensateur comme illustré sur la figure 12 ci-dessus.

L'équation suivante détermine la performance de ce circuit :

VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt

AMPLIFICATEURS LOG

Le circuit fondamental (Fig. 13 ci-dessus) utilise un transistor NPN et un amplificateur opérationnel pour générer une sortie proportionnelle au log de l'entrée :

VOUT = (- k log dix ) VEN/VEN O

Le circuit 'inversé', fonctionnant comme un amplificateur anti-log fondamental, est représenté dans le schéma inférieur. Typiquement, le condensateur est de faible valeur (par exemple, 20 pF).

AMPLI AUDIO

Un ampli op est essentiellement un amplificateur à courant continu, mais peut également être utilisé pour des applications à courant alternatif. Un amplificateur audio simple est illustré à la figure 14 ci-dessus.

MÉLANGEUR AUDIO

Une modification de l'amplificateur audio est illustrée dans ce circuit (Fig. 15 ci-dessus). Vous pouvez voir comment il ressemble au circuit additionneur de la Fig. 5. Les différents signaux d'entrée sont mélangés ou fusionnés. Le potentiomètre d'entrée de chaque signal d'entrée permet le réglage du niveau. Les proportions relatives des différents signaux d'entrée dans la sortie peuvent ainsi être ajustées par l'utilisateur.

SÉPARATEUR DE SIGNAL

Le circuit séparateur de signal illustré à la Fig. 16 ci-dessus est tout le contraire d'un mélangeur. Un signal de sortie unique est divisé en plusieurs sorties identiques qui alimentent différentes entrées. Les multiples lignes de signal sont séparées les unes des autres à l'aide de ce circuit. Pour ajuster le niveau requis, chaque ligne de sortie comprend un potentiomètre séparé.

CONVERTISSEUR DE TENSION EN COURANT

Le circuit présenté à la Fig. 17 ci-dessus amènera les impédances de charge R2 et R1 à subir le même flux de courant.

La valeur de ce courant serait proportionnelle à la tension du signal d'entrée et indépendante de la charge.

Cependant, en raison de la résistance d'entrée élevée fournie par la borne non inverseuse, le courant sera de valeur relativement faible. Ce courant a une valeur directement proportionnelle à VIN/R1.

CONVERTISSEUR DE COURANT EN TENSION

Si la tension de sortie est égale à IIN x R2 et que la conception (Fig. 18 ci-dessus) est utilisée, le courant du signal d'entrée peut circuler directement via la résistance de rétroaction R2.

Autrement dit, le courant d'entrée est transformé en une tension de sortie proportionnelle.

Le circuit de polarisation créé à l'entrée inverseuse définit une limite inférieure sur le flux de courant, ce qui empêche tout courant de passer par R2. Pour éliminer le 'bruit', un condensateur peut être ajouté à ce circuit comme illustré sur la figure.

SOURCE ACTUELLE

La figure 19 ci-dessus montre comment un ampli op peut être utilisé comme source de courant. Les valeurs de résistance peuvent être calculées à l'aide des équations suivantes :

R1 = R2

R3 = R4 + R5

Le courant de sortie peut être évalué à l'aide de la formule suivante :

Iout = (R3 x VIN) / (R1 x R5)

MULTIVIBRATEUR

Vous pouvez adapter un ampli op pour l'utiliser comme multivibrateur. La figure 20 ci-dessus affiche deux circuits fondamentaux. La conception en haut à gauche est un multivibrateur à fonctionnement libre (astable), dont la fréquence est contrôlée par :

Un circuit multivibrateur monostable qui peut être activé par une entrée d'impulsion d'onde carrée peut être vu dans le diagramme en bas à droite. Les valeurs des composants fournies sont pour un ampli op CA741.

GÉNÉRATEUR D'ONDES CARRÉES

La figure 21 ci-dessus illustre un circuit générateur d'onde carrée fonctionnel centré autour d'un ampli op. Ce circuit générateur d'ondes carrées pourrait être le plus simple. Seulement trois résistances externes et un condensateur sont nécessaires en plus de l'ampli op lui-même.

Les deux éléments principaux qui déterminent la constante de temps du circuit (fréquence de sortie) sont la résistance R1 et le condensateur C1. Cependant, la connexion de rétroaction positive basée sur R2 et R3 a également un impact sur la fréquence de sortie. Bien que les équations soient souvent quelque peu compliquées, elles peuvent être simplifiées pour des rapports R3/R2 particuliers. Pour illustrer :

Si R3/R2 ≈ 1.0 alors F ≈ 0.5/(R1/C1)

ou,

Si R3/R2 ≈ 10 alors F ≈ 5/(R1/C1)

La méthode la plus pratique consiste à utiliser l'un de ces rapports standard et à modifier les valeurs de R1 et C1 pour obtenir la fréquence requise. Pour R2 et R3, des valeurs conventionnelles peuvent être employées. Par exemple, le rapport R3/R2 sera de 10 si R2 = 10K et R3 = 100K, donc :

F = 5/(R1/C1)

Dans la plupart des cas, nous connaîtrons déjà la fréquence requise et nous n'aurons qu'à choisir les valeurs de composants appropriées. La méthode la plus simple consiste à choisir d'abord une valeur C1 qui semble raisonnable, puis à réorganiser l'équation pour trouver R1 :

R1 = 5/(F x C1)

Regardons un exemple typique de fréquence 1200 Hz que nous recherchons. Si C1 est connecté à un condensateur de 0,22 uF, alors R1 doit avoir la valeur indiquée dans la formule suivante :

R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940 Ω

Une résistance typique de 18K peut être utilisée dans la majorité des applications. Un potentiomètre peut être ajouté en série avec R1 pour augmenter l'utilité et l'adaptabilité de ce circuit, comme illustré à la Fig. 22 ci-dessous. Cela permet de régler manuellement la fréquence de sortie.

Pour ce circuit, les mêmes calculs sont utilisés, mais la valeur de R1 est modifiée pour correspondre à la combinaison en série de la résistance fixe R1a et de la valeur ajustée du potentiomètre R1b :

R1 = R1a + R1b

La résistance fixe est insérée pour garantir que la valeur de R1 ne tombe jamais à zéro. La plage de fréquences de sortie est déterminée par la valeur fixe de R1a et la résistance la plus élevée de R1b.

GÉNÉRATEUR À LARGEUR D'IMPULSIONS VARIABLE

Une onde carrée est totalement symétrique. Le rapport cyclique du signal d'onde carrée est défini comme le rapport du temps de niveau haut au temps de cycle total. Les ondes carrées ont par définition un rapport cyclique de 1:2.

Avec seulement deux composants supplémentaires, le générateur d'ondes carrées de la section précédente peut être transformé en un générateur d'ondes rectangulaires. La figure 23 ci-dessus illustre le circuit mis à jour.

La diode D1 limite le passage du courant via R4 sur les alternances négatives. R1 et C1 constituent la constante de temps exprimée dans l'équation suivante :

T1 = 5/(2C1 x R1)

Cependant, sur les demi-cycles positifs, la diode est autorisée à conduire, et la combinaison parallèle de R1 et R4 avec C1 définit la constante de temps, comme indiqué dans le calcul suivant :

T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))

La longueur totale du cycle est juste le total des deux constantes de temps de demi-cycle :

Tt = T1 + T2

La fréquence de sortie est l'inverse de la constante de temps totale de l'ensemble du cycle :

F = 1/Tt

Ici, le rapport cyclique ne sera pas égal à 1:2 car la constante de temps pour les sections de niveau haut et bas du cycle sera différente. Des formes d'onde asymétriques seront produites en conséquence. Il est possible de rendre R1 ou R4 réglable, ou même les deux, mais sachez que cela modifierait à la fois la fréquence de sortie et le rapport cyclique.

OSCILLATEUR SINUSOÏDAL

L'onde sinusoïdale, illustrée à la Fig. 24 ci-dessous, est le plus fondamental de tous les signaux alternatifs.

Il n'y a absolument aucun contenu harmonique dans ce signal extrêmement pur. Il n'y a qu'une seule fréquence fondamentale dans une onde sinusoïdale. En fait, créer une onde sinusoïdale complètement pure et sans distorsion est plutôt difficile. Heureusement, en utilisant un circuit oscillateur construit autour d'un ampli-op, nous pouvons nous rapprocher d'une forme d'onde optimale.

La figure 25 ci-dessus illustre un circuit oscillateur à onde sinusoïdale classique incorporant un amplificateur opérationnel. Un circuit twin-T servant de filtre coupe-bande (ou coupe-bande) sert de réseau de rétroaction. Le condensateur C1 et les résistances R1 et R2 constituent un T. C2, C3, R3 et R4 constituent l'autre T. Le schéma l'a inversé. Les valeurs des composants doivent avoir les relations suivantes pour que ce circuit fonctionne correctement :

La formule suivante détermine la fréquence de sortie :

F = 1/(6,28 x R1 x C2)

En modifiant la valeur de R4, le réglage du réseau de rétroaction twin-T pourrait être quelque peu modifié. En règle générale, il peut s'agir d'un petit potentiomètre ajustable. Le potentiomètre est réglé sur sa résistance la plus élevée, puis progressivement réduit jusqu'à ce que le circuit oscille juste au bord de l'oscillation. L'onde sinusoïdale de sortie peut être corrompue si la résistance est réglée trop bas.

GÂCHETTE SCHMITT

Techniquement parlant, un déclencheur de Schmitt peut être appelé comparateur régénératif. Sa fonction principale est de transformer une tension d'entrée qui évolue lentement en un signal de sortie, à une tension d'entrée particulière.

En d'autres termes, il possède une propriété de 'jeu' appelée hystérésis qui fonctionne comme un 'déclencheur' de tension. L'ampli op devient le bloc de construction de base pour le fonctionnement du déclencheur de Schmitt (voir Fig. 26 ci-dessus). Les facteurs suivants déterminent la tension de déclenchement ou de déclenchement :

DANS voyage = (V dehors x R1) / (-R1 + R2)

Dans ce type de circuit, l'hystérésis est le double de la tension de déclenchement.

Sur la figure 27 ci-dessous, un autre circuit de déclenchement de Schmitt est représenté. Dans ce circuit, la sortie est dite 'déclenchée' lorsque l'entrée CC atteint environ un cinquième de la tension d'alimentation.

La tension d'alimentation peut être comprise entre 6 et 15 volts, donc selon la tension d'alimentation choisie, le déclencheur peut être réglé pour fonctionner entre 1,2 et 3 volts. Si nécessaire, le point de déclenchement réel pourra également être modifié en modifiant la valeur de R4.

La sortie sera la même que la tension d'alimentation dès qu'elle est déclenchée. Si la sortie est reliée à une ampoule à incandescence ou à une LED (via une résistance de ballast en série), la lampe (ou la LED) s'allumera une fois que la tension d'entrée atteindra la valeur de déclenchement, indiquant que ce niveau de tension précis a été atteint à l'entrée.

Emballer

Il s'agissait donc de quelques circuits de base d'amplis op avec leurs paramètres expliqués. J'espère que vous avez compris toutes les caractéristiques et formules liées à un ampli op.

Si vous avez une autre conception de circuit d'ampli op de base qui, selon vous, doit être incluse dans l'article ci-dessus, n'hésitez pas à les mentionner dans vos commentaires ci-dessous.