He leído en varios libros y documentos la observación: "Los amplificadores operacionales son el pan de cada día de la electrónica analógica", o "... los amplificadores operacionales son el bloque de construcción más comúnmente encontrado en los circuitos analógicos ..." y para ese efecto
Aunque mi experiencia no es lo suficientemente amplia como para estar de acuerdo o refutar esa afirmación, ciertamente se confirma en los circuitos que he visto.
Me hace pensar que me falta algo fundamental, explicar por qué un componente como este podría ser algo así como un bucle "for" en la programación o algo así, un patrón fundamental que, una vez disponible, encuentra una aplicación generalizada.
¿De qué se trata la naturaleza fundamental de la electrónica analógica que hace que un amplificador operacional cumpla con un patrón tan básico y versátil?
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Respuestas:
Los amplificadores operacionales están bastante cerca de ser amplificadores diferenciales ideales. Entonces, la verdadera pregunta es, ¿qué hay de bueno en los amplificadores? Hay (¡al menos!) Tres respuestas.
Primero, lo obvio: los amplificadores le permiten cambiar la amplitud de una señal. Si tiene una señal pequeña (por ejemplo, de un transductor), un amplificador le permite elevar su voltaje a un nivel útil. Los amplificadores también pueden reducir la amplitud de una señal, lo que podría ser útil para ajustarla al rango de un ADC, por ejemplo.
Los amplificadores también pueden amortiguar una señal. Presentan una alta impedancia en el lado de entrada y una baja impedancia en el lado de salida. Esto permite que se envíe una señal de fuente débil a una carga pesada.
Finalmente, la retroalimentación negativa permite a los amplificadores filtrar una señal. Los llamados filtros activos (que usan amplificadores) son mucho más flexibles y potentes que los filtros pasivos (que usan solo resistencias, condensadores e inductores). También debo mencionar los osciladores , que están hechos con amplificadores con retroalimentación positiva filtrada.
El control de amplitud, el almacenamiento en búfer y el filtrado son tres de las cosas más comunes que puede hacer con las señales analógicas. De manera más general, los amplificadores pueden usarse para implementar muchos tipos de funciones de transferencia , que son las descripciones matemáticas básicas de las tareas de procesamiento de señales. Por lo tanto, los amplificadores están por todas partes.
¿Por qué los amplificadores operacionales en particular? Como dije, los amplificadores operacionales son esencialmente amplificadores de alta calidad. Sus características clave son:
Estas características significan que el comportamiento del amplificador está determinado casi por completo por el circuito de retroalimentación. La retroalimentación se realiza con componentes pasivos como resistencias, que se comportan mucho mejor que los transistores. Intente simular un amplificador de emisor común simple a través del voltaje y la temperatura, no es genial.
Con las mejoras modernas en los circuitos integrados, los amplificadores operacionales son baratos, de alto rendimiento y fácilmente disponibles. A menos que necesite un rendimiento extremo (alta potencia, muy alta frecuencia), ya no hay muchas razones para usar amplificadores de transistores discretos.
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Un amplificador operacional son tres 5 herramientas básicas en una (si no más).
Primero un dispositivo de comparación, como una declaración if else
(if a > b, output = a, else b).En segundo lugar un búfer
(in = 1, out = 1, refreshed).Tercero, un amplificador, como un multiplicador
(in = 1, out = 10).Cuarto , un cambio de fase / retraso
(in = x, out = x + 1).Quinto , un inversor
(in = x, out = 1/x).Tienden a ser muy versátiles y capaces de adaptarse a muchos circuitos según sea necesario.
Fundamentalmente, a medida que una señal se procesa a través de elementos discretos analógicos, su amplitud, su voltaje, cae. Un amplificador operacional puede amortiguar y aumentar una señal analógica, asegurando que sea legible o útil al final.
Por cierto, un bucle for sería un contador. Un contador de décadas funciona como un
for (i = 0, i < 10, i++)bucle.fuente
Algunos de los beneficios clave de un amplificador operacional son
alta impedancia de entrada : debido a su alta impedancia de entrada, un amplificador operacional no carga indebidamente el circuito anterior. Un amplificador operacional en sí podría tener una impedancia de entrada en los 10 o 100 de gigohms. Es probable que un circuito de retroalimentación del amplificador operacional tenga una impedancia de entrada más baja, pero la alta impedancia de entrada del amplificador operacional permite que los demás componentes lo configuren por completo.
baja impedancia de salida : debido a su baja impedancia de salida, un circuito de amplificador operacional generalmente puede controlar otro circuito de amplificador operacional (o un ADC o ...) sin que la carga afecte su comportamiento.
Ganancia alta : la alta ganancia del amplificador operacional permite que se use en un circuito de retroalimentación negativa de modo que el comportamiento del circuito esté dominado por los elementos de retroalimentación en lugar del amplificador operacional. Esto significa
A menudo, solo se requieren unos pocos componentes de precisión en el circuito de retroalimentación para lograr un rendimiento de precisión del circuito general.
Dado que el comportamiento del circuito está controlado por el circuito de retroalimentación, el amplificador operacional se puede usar con numerosos elementos de retroalimentación diferentes para lograr diferentes funciones como amplificación, diferenciación, integración, amplificación logarítmica, etc. (Esta puede ser la razón clave por la que op -amplificadores tienen tal "aplicación generalizada").
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Creo que la respuesta real es mucho más simple que las proporcionadas por otros (aunque de hecho son ciertas): los amplificadores operacionales simplemente le permiten construir todos los "legos" que necesita para un circuito más avanzado, consulte https: //en.wikipedia .org / wiki / Operational_amplifier # Aplicaciones para más detalles. Con op-amp puede obtener (¡lista no exhaustiva!):
Eso es más que todo lo que probablemente necesitará para el procesamiento analógico esencial, y algunas de esas cosas también son geniales para el procesamiento digital. Como tal, los amplificadores operacionales son el pan y la mantequilla aquí.
Además, puede obtener fácilmente, por ejemplo, 2 o 4 de ellos en un paquete pequeño con líneas de suministro de voltaje comunes y sus características de operación (cercanas a las del componente ideal para muchas aplicaciones prácticas, y bastante bien para amplificadores operacionales dentro de un solo paquete también ) permiten usarlos sin muchos de los problemas necesarios para circuitos analógicos discretos (diodo / BJT / FET) (p. ej., polarización, caída de voltaje, compensación de temperatura, etc.), lo que le permite diseñar circuitos más simples, optimizados y mantenibles, con menos piezas y Solución de problemas más fácil.
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Elegir un componente electrónico en particular y decir que el "pan y la mantequilla" es una tontería, como lo es todo este tipo de declaraciones "más importantes". Por ejemplo, cuente las resistencias en circuitos analógicos, y estoy seguro de que encontrará que superan en número a los amplificadores opacos por un amplio margen.
Además, las cosas cambian. Hubo un tiempo en que los tubos de vacío eran el componente tonto "más importante" o "pan y mantequilla" de la electrónica analógica, luego el transistor.
Nunca necesita usar un opamp, pero puede ser la forma más eficiente de implementar un circuito para una especificación particular. Después de todo, los opamps están hechos de transistores, por lo que es posible usar un montón de transistores (con algunos otros componentes) en su lugar.
La atracción de los opamps es que incorporan un bloque de construcción común y fácil de usar. Con la magia de los circuitos integrados, estos bloques de construcción pueden tener el tamaño y el costo de transistores individuales a veces. Cualquier opamp puede ser excesivo para cualquier aplicación en particular, pero el gran apalancamiento de los circuitos integrados producidos en masa les permite ser lo suficientemente baratos y pequeños para que sea generalmente más barato y más pequeño usar un opamp completo cuando solo unos pocos de sus transistores realmente ser necesario.
Para usar su analogía con un bucle FOR en un lenguaje de programación, en realidad no necesita usar esta construcción. Puede inicializar, incrementar y verificar una variable usted mismo con un código explícito. A veces haces eso cuando quieres hacer cosas especiales y la construcción FOR enlatada es demasiado rígida. Sin embargo, la mayoría de las veces es más conveniente y menos propenso a errores usar la construcción FOR para bucles. Al igual que con los opamps, es posible que no use todas las características de esta construcción de alto nivel enlatada en cada caso, pero su simplicidad hace que valga la pena de todos modos. Por ejemplo, la mayoría de los idiomas permiten que el incremento sea distinto de 1, pero probablemente solo lo use raramente.
A diferencia de la construcción FOR, no existe un compilador que optimice un opamp en un circuito discreto solo para las características que necesita en esa instancia. Sin embargo, la gran ventaja de la producción de circuitos integrados de volumen reduce esas características a mucho menos que el equivalente a unas pocas instrucciones adicionales en un bucle FOR. Piense en los opamps más como un bucle FOR con todas las funciones implementado en el conjunto de instrucciones, que toma las mismas instrucciones para ejecutar si se usan o no todas sus funciones, y menos instrucciones de las que tendría que usar de otra manera, incluso para los casos simples.
Los Opamps son un grupo de transistores empaquetados para presentar un "bonito" bloque de construcción, y están disponibles por el costo de uno o unos pocos de esos transistores. Esto no solo ahorra tiempo en el diseño para hacer frente a toda la polarización de los transistores y similares, sino que las técnicas de fabricación se pueden utilizar para garantizar una buena coincidencia entre los transistores y que permiten medir y ajustar parámetros más cercanos al ideal. Por ejemplo, puede hacer un extremo frontal diferencial con dos transistores, pero reducir el voltaje de compensación de entrada a solo unos pocos mV no es trivial.
Toda la ingeniería se basa en el uso de bloques de construcción disponibles en algún momento, y los opamps son un bloque de construcción útil para circuitos analógicos. Esto no es realmente diferente al uso de transistores. Se procesó mucho para refinar el silicio, doparlo, cortarlo, empaquetarlo y probarlo, algo que damos por sentado como un transistor discreto. Las Opamps están más integradas que los transistores individuales, pero aún tienen un nivel bastante "bajo" en el esquema de las cosas.
Volviendo a la analogía del software, esto es lo mismo que usar las subrutinas existentes para seguir escribiendo el código de su aplicación en particular. En el caso de las llamadas del sistema operativo, no tiene la opción de usarlas. Eso sería como refinar tu propio silicio. Opamps son más bien llamadas convenientes que podrías escribir tú mismo, pero hacerlo sería una tontería en la mayoría de los casos. Por ejemplo, probablemente haya tenido que convertir un número entero en una cadena decimal ASCII muchas veces, pero ¿cuántas de esas veces escribió su propio código para eso? Probablemente usó llamadas de la biblioteca en tiempo de ejecución para eso, o incluso llamó implícitamente a las construcciones de nivel superior disponibles en su lenguaje (como printf en C).
El opamp ideal tiene impedancia de entrada infinita, 0 offset, 0 impedancia de salida, ancho de banda infinito y cuesta $ 0. Ningún opamp es ideal, y estos y otros parámetros tienen una importancia relativa diferente en diferentes diseños. Es por eso que hay tantos opamps. Cada uno está optimizado para un conjunto diferente de compensaciones. Por ejemplo, a veces escuchas que el LM324 es un opamp "horrible". Esto no es cierto en absoluto. Es un opamp superlativo cuando el precio es una alta prioridad. Cuando unos pocos mV de compensación, ganancia de 1 MHz * ancho de banda, etc., son lo suficientemente buenos, todo lo demás es basura demasiado cara.
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Con respecto a su comentario "Me hace pensar que me falta algo fundamental, explicar por qué un componente como este podría ser algo así como un" for "loop":
Es posible que esté buscando un concepto análogo en electrónica al concepto de Turing Complete que se encuentra en informática o al concepto de integridad funcional que se encuentra en el álgebra booleana (y, por lo tanto, la lógica digital).
Hasta donde sé, no existe un concepto de "integridad" en los circuitos analógicos donde todos los circuitos pueden derivarse de un conjunto de bloques de construcción básicos ...
Hay algunas reglas sobre circuitos analógicos que encontrará cuando estudie la teoría de sistemas y, en particular, los sistemas invariantes de tiempo lineal.
Espero que esto ayude, pero puede que no sea lo que estás buscando.
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Hay muchos casos, tanto en electrónica analógica como digital, en los que es posible definir (pero no construir) un componente ideal, y luego diseñar un circuito que cumpla con los requisitos si se construye con componentes que están dentro de una cierta tolerancia de ideal. Razonar sobre diseños con componentes que tienen comportamientos ideales simplificados es a menudo más fácil que razonar sobre diseños que usan componentes del mundo real con comportamientos más complicados del mundo real.
En muchos casos, será posible modelar un diseño utilizando componentes del mundo real, asignar tolerancias permitidas a las señales en cada etapa de un diseño y luego mostrar esos componentes del mundo real, cuando se les da cualquier combinación de entradas que estén dentro de la tolerancia especificada para esas señales, producirá salidas que estén dentro de la tolerancia especificada para esas señales. En los casos en que esto sea posible, dicha asignación de valores de tolerancia a menudo evitará la necesidad de un análisis más detallado.
Una de las razones por las que los amplificadores operacionales son tan populares es que, en cierto sentido, existe un claro "comportamiento ideal" para un amplificador operacional, y es fácil caracterizar ciertas desviaciones de ese comportamiento. Si se supone que un amplificador diferencial tiene una ganancia de entrada diferencial de 10: 1, uno debe lidiar con la posibilidad de que una parte del mundo real tenga una ganancia que sea mayor que el ideal o menor que el ideal. Sin embargo, dado que la ganancia de un amplificador operacional ideal es infinita, los amplificadores operacionales del mundo real destinados a la amplificación generalmente tendrán una ganancia más baja [algunos dispositivos, especialmente aquellos destinados a ser utilizados como comparadores, pueden tener histéresis que podría verse como una ganancia más allá de la de un amplificador operacional ideal]. Razonar sobre dispositivos del mundo real que solo pueden desviarse del ideal en una dirección es a menudo más fácil que razonar sobre dispositivos que pueden desviarse en dos.
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El aislamiento, la adaptación de impedancia, el escalado, la conversión de nivel, el suministro de grandes cantidades de corriente en comparación con los componentes digitales y la generación de señal son aplicaciones comunes para amplificadores operacionales.
Estudie las configuraciones básicas de los amplificadores operacionales para ver por qué son tan populares en el diseño analógico, particularmente en el papel del oscilador y en el acondicionamiento de la señal.
Hace años, utilicé el amplificador operacional inversor con ganancia para crear un convertidor RS-232 / MIL-188C para recusar algunos datos de un antiguo teletipo AT&T Modelo 40 usando una PC basada en 386 que ejecuta un programa QuickBasic 4.0 personalizado.
Son indispensables como el front-end de escala y aislamiento de entrada para el procesamiento de señales digitales y pueden realizar tareas ingeniosas como la conversión de voltaje a corriente y / o frecuencia y viceversa.
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Creo que la declaración "pan y mantequilla" suena complementaria al papel, el opamp puede ser una muy buena extensión de circuitos, donde cada circuito tiene una especialidad.
Por ejemplo, se usa como integrador y diferenciador en el campo de control y regulación, que de otro modo se conocen mejor como filtros de paso alto y paso bajo.
También se puede poner en oscilaciones estables, ya que su salida se amplifica en gran medida por la ganancia del amplificador, solo con una pequeña señal de entrada puede configurar el opamp en la oscilación usando retroalimentación positiva, el mejor ejemplo son los disparadores Schmitt, que luego se pueden usar en cancelación de ruido. De allí forman circuitos como Osciladores Biestables y Monoestables que les dan un papel complementario en los 555 temporizadores .
Comparator hace uso de su modo de voltaje común, en realidad el opamp tiene un amplificador diferencial en cascada seguido de una carga activa de espejo de corriente, en su entrada que le da especialidad para ser utilizado como comparador que puede comparar las entradas. basado en esta propiedad, el suministro de doble riel impulsa el circuito inmediatamente cerca de los voltajes opuestos.
Como limitadores de corriente en los circuitos donde se utilizan condensadores, para evitar que se descarguen lentamente, estos opamps los están aislando por su alta impedancia de entrada, para que mantengan su carga, lo que les da un papel complementario agradable en los circuitos de conmutación y retención de alta velocidad.
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