Com funciona l'amplificador operacional (O-Pamp)?

Com funciona un amplificador operacional?

Un amplificador operacional (Op-Amp) és un component electrònic altament integrat que es fa servir àmpliament en circuits per a l'amplificació de senyals, filtratge, integració, diferenciació i moltes altres aplicacions. La seva funció principal és amplificar la diferència de tensió entre les seves dues entrades terminals. Aquí s'explica com funciona un amplificador operacional i els conceptes clau:

1. Estructura bàsica

• Un amplificador operacional sol tenir cinc pinos:

• Entrada no inversora (V+): Terminal d'entrada positiu.

• Entrada inversora (V−): Terminal d'entrada negatiu.

• Sortida (Vout): Senyal de sortida amplificat.

• Alimentació positiva (Vcc): Tensió d'alimentació positiva.

• Alimentació negativa (Vee): Tensió d'alimentació negativa.

2. Principi de funcionament

Supòsits per a un amplificador operacional ideal

• Guany infinit: Idealment, el guany A de l'op-amp és infinit.

• Impedància d'entrada infinita: L'impedància d'entrada Rin és infinita, volent dir que la corrent d'entrada és gairebé zero.

• Impedància de sortida zero: L'impedància de sortida Rout és zero, volent dir que la corrent de sortida pot ser arbitràriament gran sense afectar la tensió de sortida.

• Amplada de banda infinita: Idealment, l'op-amp pot funcionar a totes les freqüències sense cap limitació.

Característiques d'un amplificador operacional real

• Guany finit: En la pràctica, el guany A de l'op-amp és finit, típicament en un rang de desenes de cinquena potència a desenes de sisena potència.

• Impedància d'entrada finita: L'impedància d'entrada real no és infinita, però és molt alta (nivell de megohms).

• Impedància de sortida no zero: L'impedància de sortida real no és zero, però és molt baixa.

• Amplada de banda finita: L'amplada de banda real de l'op-amp està limitada, típicament en un rang de centenars de quilohertz a megahertz.

3. Modes bàsics d'operació

Configuració en bucle obert

Guany en bucle obert: En configuració en bucle obert, el guany A de l'op-amp amplifica directament la tensió diferencial d'entrada.

Saturació: Degut al guany elevat A, fins i tot una petita diferència de tensió d'entrada pot fer que la tensió de sortida arribi als límits de les tensions d'alimentació (és a dir, Vcc o Vee).

Configuració en bucle tancat

Retroalimentació negativa: Introduint retroalimentació negativa, es pot controlar el guany de l'op-amp per fer-lo funcionar dins d'un rang raonable.

Circuit de retroalimentació negativa: Els circuits de retroalimentació negativa comuns inclouen amplificadors inversors, amplificadors no inversors i amplificadors diferencials.

Curto virtual i obert virtual: En circuits de retroalimentació negativa, les tensions als dos terminals d'entrada de l'op-amp són gairebé iguals (curto virtual), i la corrent d'entrada és gairebé zero (obert virtual).

4. Circuits d'aplicació comuns

Amplificador inversor

Estructura del circuit: El senyal d'entrada es fa passar a través d'una resistència R1 a l'entrada inversora V−, i una resistència de retroalimentació Rf connecta la sortida Vout a l'entrada inversora V−.

Vout a l'entrada inversora V−.

Amplificador no inversor

Estructura del circuit: El senyal d'entrada es fa passar a través d'una resistència R1 a l'entrada no inversora V+, i una resistència de retroalimentació Rf connecta la sortida Vout a l'entrada inversora V−.

Amplificador diferencial

Estructura del circuit: Es fan arribar dos senyals d'entrada a l'entrada no inversora V+ i l'entrada inversora V−, i una resistència de retroalimentació Rf connecta la sortida Vout a l'entrada inversora V−.

5. Resum

Un amplificador operacional funciona amplificant la diferència de tensió entre les seves dues entrades terminals, amb la funcionalitat central que depèn d'un guany elevat i mecanismes de retroalimentació negativa. Utilitzant diferents configuracions de circuit, els op-amps poden realitzar diverses funcions com l'amplificació, el filtratge, l'integració i la diferenciació. Entendre els principis de funcionament i els circuits d'aplicació comuns dels op-amps és essencial per al disseny i la resolució de problemes en diversos sistemes electrònics.