Perché gli amplificatori operazionali vengono utilizzati così frequentemente nell'elettronica analogica?


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Ho letto in diversi libri e articoli l'osservazione: "Gli amplificatori operazionali sono il pane e il burro dell'elettronica analogica", oppure "... gli amplificatori operazionali sono i mattoni più comuni nei circuiti analogici ..." e quell'effetto.

Sebbene la mia esperienza non sia abbastanza ampia da consentire o confutare tale affermazione, è certamente confermata dai circuiti che ho visto.

Mi fa pensare che mi manca qualcosa di fondamentale, per spiegare perché un componente come questo sarebbe forse qualcosa come un ciclo "for" nella programmazione o qualcosa, un modello fondamentale, che una volta disponibile trova un'applicazione pervasiva.

Cosa c'è nella natura fondamentale dell'elettronica analogica che rende un amplificatore operazionale la realizzazione di un modello così semplice e versatile?


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Sono abbastanza facili da usare che la maggior parte dei progettisti digitali, come me, possono usarli con successo come blocchi costitutivi collegati agli ingressi analogici e alle uscite digitali (o analogiche) di un microcontrollore in un design incorporato.
Tcrosley,

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Certo, ai "bei vecchi tempi" erano i transistor il pane e il burro dell'elettronica ... ma sì, è molto più semplice usare un amplificatore operazionale che dover progettare un amplificatore usando i transistor per fare lo stesso lavoro.
Baard Kopperud,

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Perché il design con OP-AMP è più semplice rispetto all'utilizzo di componenti discreti e quasi impossibile sbagliare. L'effetto di ciò è che trovare elementi discreti (JFET, BJT ecc.) È diventato sempre più difficile, al di fuori di specifiche molto specializzate (HF, ULNA, alta potenza, qualunque cosa). Quindi progettare con componenti discreti è diventato più difficile. Ciclo dall'inizio ;-).
Rmano,

Solo per ricapitolare le informazioni di base che puoi ottenere da tutte le buone risposte di seguito: un opamp è quasi un amplificatore di tensione differenziale ideale ed è estremamente versatile ed economico . Alcuni opamp di gelatina costano meno di alcuni BJT o FET ottimizzati a bassa potenza!
Lorenzo Donati supporta Monica il

Suppongo che sia analogo al motivo per cui gli MCU vengono utilizzati così spesso anziché solo porte logiche discrete.
DKNguyen,

Risposte:


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Gli amplificatori operazionali sono abbastanza vicini ad essere gli amplificatori differenziali ideali. Quindi la vera domanda è: cosa c'è di così bello negli amplificatori? Ci sono (almeno!) Tre risposte.

Innanzitutto, l'ovvio: gli amplificatori consentono di modificare l'ampiezza di un segnale. Se hai un piccolo segnale (per esempio, da un trasduttore), un amplificatore ti consente di aumentare la sua tensione a un livello utile. Gli amplificatori possono anche ridurre l'ampiezza di un segnale, il che potrebbe essere utile per adattarlo alla gamma di un ADC, ad esempio.

Gli amplificatori possono anche bufferizzare un segnale. Presentano un'alta impedenza sul lato ingresso e una bassa impedenza sul lato uscita. Ciò consente di inviare un segnale sorgente debole a un carico pesante.

Infine, il feedback negativo consente agli amplificatori di filtrare un segnale. I cosiddetti filtri attivi (che utilizzano amplificatori) sono molto più flessibili e potenti dei filtri passivi (che utilizzano solo resistori, condensatori e induttori). Vorrei anche menzionare gli oscillatori , che sono realizzati utilizzando amplificatori con feedback positivo filtrato.

Controllo dell'ampiezza, buffering e filtro sono tre delle cose più comuni che puoi fare ai segnali analogici. Più in generale, gli amplificatori possono essere utilizzati per implementare molti tipi di funzioni di trasferimento , che sono le descrizioni matematiche di base delle attività di elaborazione del segnale. Pertanto, gli amplificatori sono ovunque.

Perché gli amplificatori operazionali in particolare? Come ho detto, gli amplificatori operazionali sono essenzialmente amplificatori di alta qualità. Le loro caratteristiche chiave sono:

  • Guadagno differenziale molto elevato (a volte fino a 1.000.000!)
  • Impedenza di ingresso molto elevata (teraohms a bassa frequenza per amplificatori operazionali con ingresso FET)
  • Rapporto di reiezione di modo comune molto elevato (in genere> 1000)

Queste caratteristiche indicano che il comportamento dell'amplificatore è quasi interamente determinato dal circuito di feedback. Il feedback viene eseguito con componenti passivi come i resistori, che hanno un comportamento molto migliore rispetto ai transistor. Prova a simulare un semplice amplificatore per emettitore comune tra tensione e temperatura - non è eccezionale.

Con i moderni miglioramenti nei circuiti integrati, gli amplificatori operazionali sono economici, ad alte prestazioni e prontamente disponibili. A meno che tu non abbia bisogno di prestazioni estreme (alta potenza, altissima frequenza) non c'è più motivo di andare con amplificatori a transistor discreti.


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Permette anche di costruire cose come comparatori, trigger di schmitt, integratori, differenziatori, filtri ...
Michael

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Ci sono un sacco di buone risposte a questa domanda qui, incoraggio le persone che lo trovano in ricerca a leggerle tutte; non è una domanda a risposta singola a destra sembra :) È difficile scegliere tra di loro, ma sto rinviando alla saggezza della folla qui e accetto questa risposta in quanto ha ricevuto più del doppio dei voti "utili" secondo classificato. Grazie a tutti coloro che hanno risposto, ho imparato moltissimo dallo studio delle tue risposte :)
Scanny

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Un amplificatore operazionale è composto da tre 5 strumenti di base in uno (se non di più).

  • Innanzitutto un dispositivo di confronto, come un'istruzione if else (if a > b, output = a, else b).

  • Secondo un buffer (in = 1, out = 1, refreshed).

  • Terzo un amplificatore, come un moltiplicatore (in = 1, out = 10).

  • In quarto luogo , uno sfasamento / ritardo (in = x, out = x + 1).

  • In quinto luogo , un inverter (in = x, out = 1/x).

Tendono ad essere molto versatili e in grado di adattarsi a molti circuiti secondo necessità.

Fondamentalmente, quando un segnale viene elaborato attraverso elementi analogici discreti, la sua ampiezza - la sua tensione - diminuisce. Un amplificatore operazionale può bufferizzare e potenziare un segnale analogico, garantendo che sia leggibile o utile alla fine.

Per inciso, un ciclo for sarebbe un contatore. Un contatore decennale funziona come un for (i = 0, i < 10, i++)ciclo.


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Ed è anche molto bravo nella ricorsione.
Ignacio Vazquez-Abrams,

@ IgnacioVazquez-Abrams, per favore, spiega come è bravo a ricorsione?
Muhammad Muheeb,

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L'ho capito come una specie di scherzo e anche buono :) La ricorsione prende il risultato di una funzione e applica quella stessa funzione ad essa, e poi di nuovo (un certo numero di volte). Così come f (f (f (f (x)))). Se l'ingresso dell'amplificatore operazionale è l'argomento della funzione x, e l'amplificatore operazionale produce il risultato della funzione, il feedback negativo "ricorsivamente" applica la funzione dell'amplificatore operazionale (guadagno) all'uscita.
Scanny

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amo quelle formule / equivalente in matematica, mi fa capire rapidamente ogni termine.
Tigrou,

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Potrebbe essere un po 'confuso. "Inverter" è, a mio avviso, generalmente utilizzato per riferirsi all'inversione additiva, ovvero alla classica configurazione di amplificazione a inversione. Ma qui lo descrivi usando il senso moltiplicativo. Sebbene sia possibile utilizzare gli amplificatori operazionali per implementare 1 / x, non è banale, né sarebbe più comune di qualsiasi altra "operazione" da manuale che gli amplificatori operazionali possono essere configurati per eseguire (es. Differenziazione / integrazione).
Marshall Eubanks,

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Alcuni dei principali vantaggi di un amplificatore operazionale sono

elevata impedenza di ingresso : a causa della sua elevata impedenza di ingresso, un amplificatore operazionale non carica indebitamente il circuito precedente. Un amplificatore operazionale stesso potrebbe avere impedenza di ingresso negli anni 10 o 100 dei gigohm. Un circuito di retroazione dell'amplificatore operazionale avrà probabilmente un'impedenza di ingresso inferiore, ma l'elevata impedenza di ingresso dell'amplificatore operazionale consente che questo sia impostato interamente dagli altri componenti.

bassa impedenza di uscita : a causa della sua bassa impedenza di uscita, un circuito di amplificazione operazionale può generalmente pilotare un altro circuito di amplificazione operazionale (o un ADC o ...) senza che il carico influenzi il suo comportamento.

alto guadagno : l'alto guadagno dell'op-amp consente di utilizzarlo in un circuito di feedback negativo in modo tale che il comportamento del circuito sia dominato dagli elementi di feedback anziché dall'op-amp. Questo significa

  1. Spesso sono necessari solo pochi componenti di precisione nel circuito di feedback per ottenere prestazioni di precisione dal circuito complessivo.

  2. Poiché il comportamento del circuito è controllato dal circuito di feedback, l'amplificatore operazionale può essere utilizzato con numerosi elementi di feedback diversi per ottenere funzioni diverse come amplificazione, differenziazione, integrazione, amplificazione logaritmica, ecc. (Questa potrebbe essere la ragione principale per cui op -amps hanno una tale "applicazione pervasiva").


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Nota che stai descrivendo un amplificatore operazionale generico. Gli amplificatori operazionali specializzati di solito eccellono in una parte (basso rumore, alto guadagno, basso consumo energetico, ecc.) Pur non aderendo necessariamente alle regole "predefinite" degli amplificatori operazionali (ho visto amplificatori operazionali con un'impedenza di uscita di diversi kΩ).
Albero

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Penso che la vera risposta sia molto più semplice di quelle fornite da altri (anche se sono effettivamente vere) - gli op-amp ti permettono semplicemente di costruire tutti i "lego" di cui hai bisogno per un circuito più avanzato, vedi https: //it.wikipedia .org / wiki / Operational_amplifier # Applicazioni per maggiori dettagli. Con l'amplificatore operazionale puoi ottenere (elenco non esaustivo!):

  • un buffer di tensione / corrente,
  • un comparatore (anche con isteresi),
  • un amplificatore attivo (sia invertente che non invertente),
  • diodo ideale,
  • filtro attivo (comprese le app integratore / differenziatore),
  • raddrizzatore attivo,
  • blocchi matematici attivi (ad es. sum, diff, ply, div),
  • un synth wave (quadrato, tri, saw, anche VCO),
  • DAC e ADC,
  • convertitore di impedenza,
  • gyrator,
  • ... e molti altri.

Questo è più di tutto ciò di cui avrete probabilmente bisogno per l'elaborazione analogica essenziale - e alcune di queste cose sono pure pulite per l'elaborazione digitale. Pertanto, gli amplificatori operazionali sono sia il pane che il burro qui.

Inoltre, puoi facilmente ottenerne, ad esempio, 2 o 4 in un piccolo pacchetto con linee di alimentazione di tensione comuni e le loro caratteristiche operative (vicine a quelle del componente ideale per molte applicazioni pratiche e abbastanza ben adattate anche per amplificatori operazionali all'interno di un singolo pacchetto ) consentono di utilizzarli senza gran parte dei problemi necessari per i circuiti analogici discreti (diodo / BJT / FET) (ad es. polarizzazione, caduta di tensione, compensazione della temperatura ecc.) - consentendo di progettare circuiti più semplici, ottimizzati e mantenibili, con meno parti e risoluzione dei problemi più semplice.


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Scegliere un particolare componente elettronico e chiamare "stupido" il pane e il burro, così come tutte queste affermazioni "più importanti". Ad esempio, conta le resistenze nei circuiti analogici e sono sicuro che troverai un numero maggiore di opamps.

Inoltre, le cose cambiano. C'è stato un tempo in cui i tubi a vuoto erano il componente sciocco "più importante" o "pane e burro" dell'elettronica analogica del laico, quindi il transistor.

Non è mai necessario utilizzare un opamp, ma può essere il modo più efficiente per implementare un circuito per una specifica specifica. Dopotutto, gli opamp sono realizzati con transistor, quindi è possibile utilizzare un gruppo di transistor (con pochi altri componenti) invece.

L'attrazione degli opamp è che rappresentano un blocco comune e facilmente utilizzabile. Con la magia dei circuiti integrati, questi elementi costitutivi a volte possono essere le dimensioni e il costo dei singoli transistor. Qualsiasi opamp può essere eccessivo per una particolare applicazione, ma la grande leva dei circuiti integrati prodotti in serie consente loro di essere economici e abbastanza piccoli da essere di solito più economici e più piccoli da utilizzare un intero opamp quando solo alcuni dei suoi transistor in realtà essere necessario.

Per usare la tua analogia con un ciclo FOR in un linguaggio di programmazione, in realtà non è necessario usare questo costrutto. È possibile inizializzare, incrementare e controllare manualmente una variabile con codice esplicito. A volte lo fai quando vuoi fare cose speciali e il costrutto FOR in scatola è troppo rigido. Tuttavia, il più delle volte è più conveniente e meno soggetto a errori usare il costrutto FOR per i loop. Proprio come con gli opamp, in ogni caso non è possibile utilizzare tutte le caratteristiche di questo costrutto di alto livello in scatola, ma la sua semplicità ne vale comunque la pena. Ad esempio, la maggior parte delle lingue consente all'incremento di essere diverso da 1, ma probabilmente lo usi solo raramente.

A differenza del costrutto FOR, non esiste un compilatore che ottimizzi un opamp in un circuito discreto solo per le funzionalità richieste in quell'istanza. Tuttavia, l'enorme vantaggio della produzione di circuiti integrati di volume riduce tali funzionalità a un valore molto inferiore rispetto all'equivalente di alcune istruzioni aggiuntive in un ciclo FOR. Pensa agli opamp più che a un ciclo FOR completo di funzionalità implementato nel set di istruzioni, che richiede le stesse istruzioni per eseguire se tutte le sue funzionalità sono utilizzate o meno e meno istruzioni di quelle che dovresti usare altrimenti, anche per i casi semplici.

Gli Opamp sono un gruppo di transistor confezionati per presentare un "simpatico" blocco di costruzione e resi disponibili al costo di uno o pochi di questi transistor. Ciò non solo consente di risparmiare tempo nella progettazione per gestire tutte le sollecitazioni dei transistor e simili, ma è possibile utilizzare tecniche di produzione per garantire un buon abbinamento tra i transistor e consentire la misurazione e il taglio dei parametri più vicini all'ideale. Ad esempio, è possibile realizzare un front-end differenziale con due transistor, ma ridurre la tensione di offset dell'ingresso a pochi mV non è banale.

Tutta l'ingegneria si basa sull'utilizzo di blocchi predefiniti disponibili ad un certo punto e gli opamp sono un utile blocco per circuiti analogici. Questo non è davvero diverso dall'uso dei transistor. Molta elaborazione è stata finalizzata alla raffinazione del silicio, al suo doping, al suo taglio, al suo confezionamento e al suo collaudo che in qualche modo diamo per scontato come transistor discreto. Gli opamp sono più integrati dei singoli transistor, ma sono ancora abbastanza "bassi" nello schema delle cose.

Tornando all'analogia del software, questo è lo stesso che usare le subroutine esistenti per continuare a scrivere il codice per la tua particolare app. Nel caso delle chiamate del sistema operativo, non è possibile scegliere di utilizzarle. Sarebbe come perfezionare il tuo silicio. Opamps è più come chiamate convenienti che potresti scrivere da solo, ma farlo nella maggior parte dei casi sarebbe sciocco. Ad esempio, probabilmente hai dovuto convertire più volte un numero intero in una stringa decimale ASCII, ma quante di quelle volte hai scritto il tuo codice per quello? Probabilmente hai usato le chiamate alla libreria di runtime per questo, o hai persino chiamato quei costrutti implicitamente di livello superiore disponibili nella tua lingua (come printf in C).

L'opamp ideale ha impedenza di ingresso infinita, offset 0, impedenza di uscita 0, larghezza di banda infinita e costa $ 0. Nessun opamp è l'ideale e questi e altri parametri hanno un'importanza relativa diversa in diversi progetti. Ecco perché ci sono così tanti opamp. Ciascuno è ottimizzato per un diverso set di compromessi. Ad esempio, a volte senti che l'LM324 è un opamp "schifoso". Questo non è affatto vero. È un opamp superlativo quando il prezzo è una priorità assoluta. Quando alcuni offset mV, 1 MHz di guadagno * larghezza di banda, ecc., Sono tutti abbastanza buoni, tutto il resto è spazzatura troppo cara.


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"Gli opamp sono realizzati con transistor, quindi è possibile utilizzare un gruppo di transistor (con pochi altri componenti) invece" non segue. Un gruppo di transistor discreti ha ordini di grandezza più induttanza parassitaria, resistenza e capacità, nonché tracce più lunghe e più accoppiamento con l'ambiente circostante rispetto ai transistor all'interno dell'opamp, il che significa che l'opamp costruito da te ha un limite di frequenza molto peggiore e prestazioni di rumore rispetto alla versione IC. L'equivalente del software sarebbe la duplicazione della logica delle funzioni di libreria in un ambiente interpretato.
Ben Voigt,

"L'equivalente del software sarebbe la duplicazione della logica delle funzioni di libreria in un ambiente interpretato". Bella analogia. Tranne che in realtà è un po 'troppo benevolo sull'amplificatore roll-your-own-op: per i motivi che hai dichiarato. Il rollio delle tue caratteristiche elettriche potrebbe anche far sì che non funzioni nel modo desiderato (risultato sbagliato ..) - rispetto all'approccio iterativo alla programmazione, ipoteticamente, semplicemente lo rallenta.
Javavba,

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Per quanto riguarda il tuo commento "Mi fa pensare che mi manchi qualcosa di fondamentale, per spiegare perché un componente come questo sarebbe forse qualcosa come un" per "loop":

Potresti cercare un concetto analogo in elettronica al concetto di Turing Complete trovato nell'informatica o al concetto di completezza funzionale trovato nell'algebra booleana (e quindi nella logica digitale).

Per quanto ne so, non esiste un concetto di "completezza" nei circuiti analogici in cui tutti i circuiti possono essere derivati ​​da un insieme di blocchi di base ...

Ci sono alcune regole sui circuiti analogici che incontrerai quando studi la teoria dei sistemi e in particolare i sistemi invarianti a tempo lineare.

Spero che questo aiuti, ma potrebbe non essere quello che stai cercando.


Colpisci il "sentimento fastidioso" che ho ricevuto, qualcosa del tipo "Nel dominio del segnale, ogni stadio del circuito può essere visto come un amplificatore (anche se è un resistore). L'amplificatore attivo per scopi generali fondamentale è l'amplificatore operazionale ... ". L'ho appena
inventato

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I circuiti analogici sono in genere rappresentati come sistemi nel dominio S en.wikipedia.org/wiki/Laplace_transform o nel dominio di Fourier en.wikipedia.org/wiki/Fourier_series . La descrizione matematica di un sistema può essere descritta come una "funzione di trasferimento" in uno di questi domini (ci sono anche alcuni altri domini). In un certo senso, un amplificatore operazionale può implementare fisicamente una vasta gamma di funzioni "Transfer". Per maggiori informazioni, consultare: en.wikipedia.org/wiki/Transfer_function
LoveToCode

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L'aspetto di linearità è davvero cruciale per l'IMO.
leftaroundabout

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Esistono molti casi, sia nell'elettronica analogica che in quella digitale, in cui è possibile definire (ma non costruire) un componente ideale, quindi progettare un circuito che soddisfi i requisiti se costruito con componenti che rientrano in una certa tolleranza dell'ideale. Ragionare su progetti con componenti che hanno comportamenti ideali semplificati è spesso più facile che ragionare su progetti che utilizzano componenti del mondo reale con comportamenti del mondo reale più complicati.

In molti casi sarà possibile modellare un progetto utilizzando componenti del mondo reale, assegnare tolleranze ammissibili ai segnali in ogni fase di un progetto e quindi mostrare che componenti del mondo reale, quando viene fornita una combinazione di ingressi che rientrano nella tolleranza specificata per tali segnali, produrrà uscite che rientrano nella tolleranza specificata per tali segnali. Nei casi in cui ciò sia possibile, tale assegnazione di valori di tolleranza eviterà spesso la necessità di analisi più dettagliate.

Uno dei motivi per cui gli amplificatori operazionali sono così popolari è che in un certo senso esiste un chiaro "comportamento ideale" per un amplificatore operazionale, ed è facile caratterizzare alcune deviazioni da quel comportamento. Se si suppone che un amplificatore differenziale abbia un guadagno in ingresso differenziale 10: 1, si deve affrontare la possibilità che una parte del mondo reale possa avere un guadagno maggiore dell'ideale o minore dell'ideale. Poiché il guadagno di un amplificatore operazionale ideale è infinito, tuttavia, gli amplificatori operazionali del mondo reale destinati all'amplificazione avranno generalmente un guadagno inferiore [alcuni dispositivi, in particolare quelli destinati all'uso come comparatori, potrebbero presentare un'isteresi che potrebbe essere vista come un guadagno oltre quello di un amplificatore operazionale ideale]. Ragionare su dispositivi del mondo reale che possono deviare dall'ideale solo in una direzione è spesso più facile del ragionamento su dispositivi che possono deviare in due.


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Isolamento, adattamento di impedenza, ridimensionamento, conversione di livello, approvvigionamento di grandi quantità di corrente rispetto ai componenti digitali e generazione del segnale sono applicazioni comuni per gli op-amp.

Studia le configurazioni di base degli amplificatori operazionali per capire perché sono così popolari nella progettazione analogica, in particolare nel ruolo di oscillatore e nel condizionamento del segnale.

Anni fa, ho usato l'amplificatore operazionale invertente con guadagno per creare un convertitore RS-232 / MIL-188C per riutilizzare alcuni dati da un vecchio modello AT&T modello 40 utilizzando un PC basato su 386 che eseguiva un programma personalizzato QuickBasic 4.0.

Sono indispensabili come isolamento di ingresso e front-end di ridimensionamento per l'elaborazione del segnale digitale e possono eseguire attività ingegnose come la conversione da tensione a corrente e / o frequenza e ritorno.


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Penso che l'affermazione "pane e burro" suoni complementare al ruolo, l'opamp può essere un'ottima estensione dei circuiti, in cui ogni circuito ha una specialità.


Ad esempio, viene utilizzato come integratore e differenziatore nel campo del controllo e della regolamentazione, che altrimenti sono meglio conosciuti come filtri passa alto e passa basso.


Inoltre può essere messo in oscillazioni stabili, poiché la loro uscita è ampiamente amplificata dal guadagno dell'amplificatore, solo usando un piccolo segnale di ingresso è possibile impostare l'opamp in oscillazione usando un feedback positivo, il miglior esempio sono i trigger Schmitt, che quindi possono essere utilizzati nella cancellazione del rumore, quindi formano circuiti come Osciilatori Bistabili e MonoStable che conferiscono loro un ruolo complementare nei timer 555 .

Comparator utilizza la sua modalità di tensione comune, in realtà l'opamp ha un amplificatore differenziale in cascata seguito da un carico attivo a specchio di corrente, al suo ingresso che gli conferisce la specialità da utilizzare come comparatore in grado di confrontare gli ingressi. La maggior parte delle sue applicazioni sono sulla base di questa proprietà, l'alimentazione a doppia rotaia guida il circuito immediatamente vicino alle tensioni opposte.

Come limitatori di corrente nei circuiti in cui vengono utilizzati i condensatori, per evitare che si scarichino lentamente, vengono isolati da questi opamp dalla loro elevata impedenza di ingresso, in modo che mantengano la loro carica, il che conferisce loro un buon ruolo complementare nei circuiti Switch e Hold ad alta velocità

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