Cómo realizar un procesamiento complejo con amplificadores operacionales

Si usted entiende los bloques básicos de circuitos de amplificador operacional de construcción, usted está listo para hacer frente a las acciones de procesamiento complejas con amplificadores operacionales. El uso de circuitos de amplificadores operacionales, puede analizar un amplificador de instrumentación, resolver ecuaciones matemáticas, o crear sistemas para el procesamiento de señales, instrumentación, filtrado, control de procesos, o la conversión de digital a analógico / analógico a digital.

Analizar un amplificador de instrumentación

El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial adecuado para equipos de medición y prueba. Aquí está la etapa de entrada de un amplificador de instrumentación. Su objetivo es encontrar la salida de tensión v_O proporcional a la diferencia de las dos entradas, v₁ y v₂. Conseguir la salida deseada requiere un poco de gimnasia algebraicas, pero usted puede manejarlo.

En Nodo C2, aplicar KCL (yo₁ + yo₂ = 0) y la ley de Ohm (yo = v / R) Y terminar con

En el nodo C1, la ecuación KCL (-yo₂ + yo₃ = 0) con la ley de Ohm que lleva a

El circuito de ejemplo muestra la entrada no inversora conectada a voltajes independientes v₁ y v₂. Utilice la restricción de voltaje del amplificador operacional v_P = v_N para obtener lo siguiente:

Sustituto v₁ y v₂ en ecuaciones KCL, lo que le da

Ahora resolver v_B2 y v_B1, debido a que la tensión de salida v_O depende de estos dos valores:

La tensión de salida v_O es la diferencia entre el v_B1 y v_B2:

¡Guay! Resistencia R₂ puede ser utilizado para amplificar la diferencia v₂ - v₁. Después de todo, es más fácil de cambiar el valor de una resistencia R₂ que de dos resistencias R₁.

Implementar ecuaciones matemáticas electrónicamente

Como un ejemplo de cómo amplificadores operacionales pueden resolver ecuaciones, considere un solo tres señales de entrada de tensión de salida y:

Puede volver a escribir la ecuación de muchas maneras para determinar qué circuitos op amp que necesita para realizar los cálculos. Aquí hay una manera:

La ecuación sugiere que usted tiene un verano de inversión con tres entradas: -v₁, -v₂, y v₃. Es necesario un amplificador de inversión con una ganancia de -1 para v₁ y v₂. Entrada v₁ tiene una ganancia sumando de -10, de entrada v₂ tiene una ganancia sumando de -5, y la entrada v₃ tiene una ganancia sumando de -4.

Usted puede ver uno de los muchos circuitos posible amplificador operacional en el diagrama de la parte superior de este circuito de muestreo. Las cajas punteadas indican los dos amplificadores inversores y el verano inversora.

Las salidas de los dos amplificadores inversores son - v₁ y - v₂, y son insumos para el verano inversora. La tercera entrada para el verano es v₃. Sumando las tres entradas con ganancias requeridas implica un verano de inversión, lo que se ve en el circuito de la muestra.

Para la entrada de v₁, la relación entre la resistencia de realimentación inversora del verano de 200 k # 937- a su resistencia de entrada de 20 k # 937- ofrece una ganancia de -10. Del mismo modo, para la entrada de v₂, la relación de la resistencia de realimentación de 200 k # 937- a su resistencia de entrada de 40 k # 937- le da una ganancia de -5.

Por último, para la entrada de v₃, la relación de la resistencia de realimentación de 200 k # 937- a su resistencia de entrada de 50 k # 937- proporciona una ganancia de -4. Es posible utilizar otros valores posibles de resistencia, siempre y cuando la relación de resistencias proporciona las ganancias correctos para cada entrada.

Reducir el número de amplificadores operacionales durante el proceso de diseño ayuda a reducir los costos. Y con un poco de creatividad, usted puede reducir el número de amplificadores operacionales en el circuito reescribiendo la ecuación matemática de la relación insumo-producto:

Esto sugiere que necesita dos amplificadores operacionales. Una entrada es una combinación de entradas v₁ y v₂ formado por un verano inversora. Cuando se toma la salida del primer verano y alimentas y otra entrada a un segundo verano de inversión, el resultado es proporcional a v₃ con el aumento de -4. El diagrama inferior del circuito de ejemplo muestra una forma de implementar esta ecuación.

por v₁, la relación de la resistencia de realimentación de 100 k # 937- a la resistencia de entrada de 20 k # 937- produce una ganancia de -5. por v₂, la resistencia de entrada de 40 k # 937- le da una ganancia de -2,5. La salida de la primera verano se multiplica entonces por -2 debido a la relación de resistencia de realimentación de la segunda inversora de verano de 100 k # 937- a la resistencia de entrada de 50 k # 937-.

La entrada v₃ a la segunda verano se multiplica por -4 debido a la relación entre la resistencia de 100 k-# 937- retroalimentación al 25-k # 937- resistor.

Crear sistemas con amplificadores operacionales

Circuitos de amplificador operacional son bloques de construcción básicos para muchas aplicaciones en el procesamiento de señales, instrumentación, control de proceso, filtrado, conversión de digital a analógico, y la conversión de analógico a digital.

Por ejemplo, usted puede hacer una conversión de digital a analógico (DAC) utilizando el verano inversora. El propósito principal de este dispositivo común es convertir una señal digital que consta de 1s y 0s binarios (quizá procedentes de su ordenador personal) a una señal analógica y continuo (para hacer funcionar su motor de corriente continua en su juguete de control remoto). El dispositivo cuenta con amplias aplicaciones en robótica, televisores de alta definición, y teléfonos celulares.

Este ejemplo se simplifica al centrarse en los dispositivos de 3 bits (aunque la mayoría de las aplicaciones utilizan DAC de 8 a 24 bits). DACs tienen una tensión de salida v_o con un número de entradas digitales (b₀, b₁, b₂), Junto con una tensión de referencia V_REF. Aquí puede ver un diagrama de bloques de una entrada de 3 bits.

La siguiente ecuación le da la relación entre la entrada digital y salida analógica:

Poco b₂ es el bit más significativo (MSB) porque se pondera con el peso más grande en el poco SUM- b₀ es el bit menos significativo (LSB), ya que tiene el peso más pequeño.

Para implementar un DAC, se puede utilizar un verano invertir, como se muestra en la figura. También se muestran las entradas digitales que pueden tener sólo uno de los dos valores de tensión: Una digital 1 es igual a V_REF, y un convertidor digital 0 es igual a 0 voltios.

Las entradas v₁, v₂, y v₃ para el verano se ponderan adecuadamente para darle la salida de tensión v_O sobre la base de las tres entradas. Entrada v₁ tiene el peso, y la entrada de la mayoría v₃ tiene la menor.