Eu li em vários livros e documentos a observação: "Amplificadores operacionais são o pão com manteiga da eletrônica analógica" ou "... amplificadores operacionais são os componentes mais comuns encontrados em circuitos analógicos ..." e esse efeito.
Embora minha experiência não seja ampla o suficiente para concordar ou refutar essa afirmação, ela certamente está confirmada nos circuitos que vi.
Isso me faz pensar que estou perdendo algo fundamental, para explicar por que um componente como esse seria talvez algo como um loop "for" na programação ou algo, um padrão fundamental que, uma vez disponível, encontra aplicação generalizada.
Qual é a natureza fundamental da eletrônica analógica que torna um amplificador operacional o cumprimento de um padrão tão básico e versátil?
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Respostas:
Os amplificadores operacionais estão bem próximos de serem amplificadores diferenciais ideais. Então a verdadeira questão é: o que há de tão bom nos amplificadores? Existem (pelo menos!) Três respostas.
Primeiro, os amplificadores óbvios permitem alterar a amplitude de um sinal. Se você possui um pequeno sinal (por exemplo, de um transdutor), um amplificador permite aumentar sua tensão para um nível útil. Os amplificadores também podem reduzir a amplitude de um sinal, o que poderia ser útil para ajustá-lo ao alcance de um ADC, por exemplo.
Os amplificadores também podem armazenar um sinal em buffer . Eles apresentam alta impedância no lado de entrada e baixa impedância no lado de saída. Isso permite que um sinal de fonte fraca seja entregue a uma carga pesada.
Finalmente, o feedback negativo permite que os amplificadores filtrem um sinal. Os chamados filtros ativos (que usam amplificadores) são muito mais flexíveis e poderosos do que os filtros passivos (que usam apenas resistores, capacitores e indutores). Também devo mencionar osciladores , que são feitos usando amplificadores com feedback positivo filtrado.
Controle de amplitude, buffer e filtragem são três das coisas mais comuns que você pode fazer para sinais analógicos. De maneira mais geral, os amplificadores podem ser usados para implementar muitos tipos de funções de transferência , que são as descrições matemáticas básicas das tarefas de processamento de sinal. Assim, os amplificadores estão por todo o lado.
Por que amplificadores operacionais em particular? Como eu disse, os amplificadores operacionais são essencialmente amplificadores de alta qualidade. Suas principais características são:
Essas características significam que o comportamento do amplificador é quase inteiramente determinado pelo circuito de realimentação. O feedback é feito com componentes passivos, como resistores, que são muito mais comportados que os transistores. Tente simular um amplificador de emissor comum simples através de tensão e temperatura - não é ótimo.
Com as melhorias modernas nos circuitos integrados, os amplificadores operacionais são baratos, de alto desempenho e prontamente disponíveis. A menos que você precise de desempenho extremo (alta potência, frequência muito alta), não há mais motivos para usar amplificadores de transistor discretos.
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Um amplificador operacional é composto por três ferramentas básicas em uma (se não mais).
Primeiro, um dispositivo de comparação, como uma declaração if else
(if a > b, output = a, else b).Segundo um buffer
(in = 1, out = 1, refreshed).Terceiro, um amplificador, como um multiplicador
(in = 1, out = 10).Quarto , uma mudança de fase / atraso
(in = x, out = x + 1).Quinto , um inversor
(in = x, out = 1/x).Eles tendem a ser muito versáteis e capazes de se adaptar a muitos circuitos, conforme necessário.
Fundamentalmente, quando um sinal é processado através de elementos analógicos discretos, sua amplitude - sua tensão - diminui. Um amplificador operacional pode armazenar em buffer e aumentar um sinal analógico, garantindo que seja legível ou útil no final.
Aliás, um loop for seria um contador. Um contador de décadas funciona como um
for (i = 0, i < 10, i++)loop.fonte
Alguns dos principais benefícios de um amplificador operacional são:
alta impedância de entrada : devido à sua alta impedância de entrada, um amplificador operacional não carrega indevidamente o circuito anterior. Um amplificador operacional em si pode ter impedância de entrada nos anos 10 ou 100 dos gigohms. Um circuito de feedback do amplificador operacional provavelmente terá uma impedância de entrada mais baixa, mas a alta impedância de entrada do amplificador operacional permite que isso seja totalmente definido pelos outros componentes.
baixa impedância de saída : Devido à sua baixa impedância de saída, um circuito op-amp geralmente pode acionar outro circuito op-amp (ou um ADC ou ...) sem que a carga afete seu comportamento.
alto ganho : o alto ganho do amplificador operacional permite que ele seja usado em um circuito de feedback negativo, de modo que o comportamento do circuito seja dominado pelos elementos de feedback em vez do amplificador operacional. Isso significa
Freqüentemente, apenas alguns componentes de precisão são necessários no circuito de realimentação para obter um desempenho preciso do circuito geral.
Como o comportamento do circuito é controlado pelo circuito de feedback, o amplificador operacional pode ser usado com vários elementos de feedback diferentes para obter funções diferentes, como amplificação, diferenciação, integração, amplificação logarítmica, etc. (Esse pode ser o principal motivo pelo qual lâmpadas têm essa "aplicação generalizada").
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Eu acho que a resposta real é muito mais simples do que a fornecida por outros (embora sejam realmente verdadeiras) - os amplificadores operacionais permitem que você construa todos os "legos" necessários para um circuito mais avançado, consulte https: //en.wikipedia .org / wiki / Operational_amplifier # Applications para mais detalhes. Com o amplificador operacional, você pode obter (lista não exaustiva!):
Isso é mais do que tudo o que você provavelmente precisará para o processamento analógico essencial - e algumas dessas coisas também são interessantes para o processamento digital. Assim, os amplificadores operacionais são o pão e a manteiga aqui.
Além disso, você pode facilmente obter, por exemplo, 2 ou 4 deles em um pequeno pacote com linhas de alimentação de tensão comuns e suas características de operação (próximas às do componente ideal para muitas aplicações práticas, e também muito bem adaptadas para amplificadores operacionais em um único pacote ) permitem utilizá-los sem grande parte dos problemas necessários para circuitos analógicos discretos (diodo / BJT / FET) (por exemplo, polarização, queda de tensão, compensação de temperatura etc.) - permitindo projetar circuitos mais simples, simplificados e de manutenção, com menos peças e solução de problemas mais fácil.
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Escolher um componente eletrônico em particular e chamar que o "pão com manteiga" é bobagem, assim como todas essas declarações "mais importantes". Por exemplo, conte resistores em circuitos analógicos e tenho certeza de que eles superam os opamps por uma ampla margem.
Além disso, as coisas mudam. Houve um tempo em que os tubos de vácuo eram o componente bobo "mais importante" ou "pão com manteiga" dos eletrônicos analógicos, depois o transistor.
Você nunca precisa usar um opamp, mas pode ser a maneira mais eficiente de implementar um circuito para uma especificação específica. Afinal, os opamps são feitos de transistores, portanto, é possível usar vários transistores (com alguns outros componentes).
A atração dos opamps é que eles incorporam um bloco de construção comum e facilmente utilizado. Com a magia dos circuitos integrados, esses blocos de construção podem ter o tamanho e o custo de transistores únicos às vezes. Qualquer opamp pode ser um exagero para qualquer aplicação em particular, mas a grande alavancagem dos circuitos integrados produzidos em massa permite que sejam baratos e pequenos o suficiente para que seja geralmente mais barato e menor usar um opamp inteiro quando apenas alguns de seus transistores realmente ser necessário.
Para usar sua analogia com um loop FOR em uma linguagem de programação, você realmente não precisa usar essa construção. Você pode inicializar, incrementar e verificar uma variável com código explícito. Às vezes, você faz isso quando deseja fazer coisas especiais e a construção FOR enlatada é muito rígida. No entanto, na maioria das vezes é mais conveniente e menos propenso a erros usar a construção FOR para loops. Assim como nos opamps, você não pode usar todos os recursos dessa construção enlatada de alto nível em cada caso, mas sua simplicidade faz com que valha a pena. Por exemplo, a maioria dos idiomas permite que o incremento seja diferente de 1, mas você provavelmente só usa isso raramente.
Diferentemente da construção FOR, não existe um compilador que otimize um opamp em um circuito discreto para apenas os recursos necessários nessa instância. No entanto, a enorme vantagem da produção de circuitos integrados em volume reduz esses recursos para muito menos do que o equivalente a algumas instruções extras em um loop FOR. Pense nos opamps mais como sendo um loop FOR com todos os recursos implementados no conjunto de instruções, que usa as mesmas instruções para executar se todos os seus recursos são usados ou não, e menos instruções do que você teria que usar caso contrário, mesmo nos casos simples.
Os opamps são um monte de transistores reunidos para apresentar um bloco de construção "agradável" e disponibilizados pelo custo de apenas um ou alguns desses transistores. Isso não apenas economiza tempo no projeto para lidar com toda a polarização dos transistores e similares, mas as técnicas de fabricação podem ser usadas para garantir uma boa correspondência entre os transistores e que permitem medir e aparar parâmetros mais próximos do ideal. Por exemplo, você pode fazer um front end diferencial com dois transistores, mas reduzir a tensão de entrada para apenas alguns mV não é trivial.
Toda a engenharia é baseada no uso de blocos de construção disponíveis em algum momento, e os opamps são um bloco de construção útil para circuitos analógicos. Isso realmente não é diferente do que usar transistores. Muito processamento foi feito para refinar o silício, dopá-lo, cortá-lo, empacotá-lo e testá-lo, que de certa forma damos como um transistor discreto. Os opamps são mais integrados que os transistores individuais, mas ainda são bastante "baixos" no esquema das coisas.
De volta à analogia do software, é o mesmo que usar sub-rotinas existentes para continuar escrevendo o código para seu aplicativo em particular. No caso de chamadas do SO, você não tem a opção de usá-las. Seria como refinar seu próprio silício. Opamps são mais como chamadas convenientes que você pode escrever sozinho, mas fazer isso seria tolo na maioria dos casos. Por exemplo, você provavelmente teve que converter um número inteiro em uma seqüência decimal ASCII várias vezes, mas quantas vezes você escreveu seu próprio código para isso? Você provavelmente usou chamadas de biblioteca de tempo de execução para isso, ou mesmo as chamou implicitamente através de construções de nível superior disponíveis no seu idioma (como printf em C).
O opamp ideal possui impedância de entrada infinita, deslocamento 0, impedância de saída 0, largura de banda infinita e custa $ 0. Nenhum opamp é ideal, e esses e outros parâmetros têm importância relativa diferente em projetos diferentes. É por isso que existem tantos opamps. Cada um é otimizado para um conjunto diferente de trocas. Por exemplo, às vezes você ouve que o LM324 é um opamp "ruim". Isto não é verdade, de forma alguma. É um opamp superlativo quando o preço é uma alta prioridade. Quando alguns desvios de mV, ganho de 1 MHz * largura de banda etc. são bons o suficiente, tudo o resto é apenas lixo caro demais.
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Com relação ao seu comentário "Isso me faz pensar que estou perdendo algo fundamental, para explicar por que um componente como esse seria talvez algo como um loop" for ":
Você pode estar procurando por um conceito análogo em eletrônica ao conceito de Turing Complete encontrado na ciência da computação ou ao conceito de Completude Funcional encontrado na álgebra booleana (e, portanto, na lógica digital).
Até onde eu sei, não existe um conceito de "completude" em circuitos analógicos em que todos os circuitos possam ser derivados de um conjunto de blocos de construção básicos ...
Existem algumas regras sobre circuitos analógicos que você encontrará ao estudar a teoria dos sistemas e, em particular, sistemas invariantes em tempo linear.
Espero que isso ajude, mas pode não ser o que você está procurando.
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Existem muitos casos, tanto na eletrônica analógica quanto na digital, em que é possível definir (mas não construir) um componente ideal e, em seguida, projetar um circuito que atenda aos requisitos se for construído com componentes dentro de uma certa tolerância do ideal. Raciocinar sobre projetos com componentes que simplificaram os comportamentos ideais geralmente é mais fácil do que raciocinar sobre projetos usando componentes do mundo real com comportamentos do mundo real mais complicados.
Em muitos casos, será possível modelar um projeto usando componentes do mundo real, atribuir tolerâncias permitidas aos sinais em cada estágio de um projeto e depois mostrar esses componentes do mundo real, quando receber qualquer combinação de entradas que estejam dentro da tolerância especificada para esses sinais, produzirá saídas que estão dentro da tolerância especificada para esses sinais. Nos casos em que isso é possível, essa atribuição de valores de tolerância geralmente evita a necessidade de análises mais detalhadas.
Uma das razões pelas quais os amplificadores operacionais são tão populares é que existe, de certo modo, um "comportamento ideal" claro para um amplificador operacional, e é fácil caracterizar certos desvios desse comportamento. Se um amplificador diferencial deve ter um ganho de entrada diferencial de 10: 1, é preciso lidar com a possibilidade de que uma parte do mundo real possa ter um ganho maior que o ideal ou menor que o ideal. Como o ganho ideal de um amplificador operacional é infinito, no entanto, os amplificadores operacionais do mundo real destinados à amplificação geralmente terão um ganho menor [alguns dispositivos, especialmente aqueles destinados ao uso como comparadores, podem ter histerese que pode ser vista como um ganho além do de um ideal op amp]. Raciocinar sobre dispositivos do mundo real que só podem se desviar do ideal em uma direção geralmente é mais fácil do que raciocinar sobre dispositivos que podem se desviar em duas.
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Isolamento, correspondência de impedância, escala, conversão de nível, fornecimento de grandes quantidades de corrente em comparação com componentes digitais e geração de sinal são aplicações comuns para amplificadores operacionais.
Estude as configurações básicas dos amplificadores operacionais para ver por que eles são tão populares no design analógico, particularmente no papel do oscilador e no condicionamento de sinais.
Anos atrás, usei o amplificador operacional inversor com ganho para criar um conversor RS-232 / MIL-188C para recuperar alguns dados de um antigo teletipo AT&T Modelo 40 usando um PC baseado em 386 executando um programa QuickBasic 4.0 personalizado.
Eles são indispensáveis como isolamento de entrada e dimensionamento do front end para processamento de sinal digital e podem executar tarefas bacanas, como conversão de tensão em corrente e / ou frequência e retorno.
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Eu acho que a afirmação "pão com manteiga" parece complementar ao papel, o opamp pode ser uma extensão muito boa de circuitos, onde cada circuito tem uma especialidade.
Por exemplo, é usado como Integrador e Diferenciador no campo de Controle e Regulação, que são também conhecidos como filtros passa-alto e passa-baixo.
Também pode ser colocado em oscilações estáveis, pois sua saída é amplamente amplificada pelo ganho do amplificador. Usando um pequeno sinal de entrada, você pode definir o opamp em oscilação usando feedback positivo; o melhor exemplo são os gatilhos Schmitt, que podem ser usados. Portanto, eles formam circuitos como Osciladores Bistáveis e Monoestáveis, o que lhes confere um papel complementar nos 555 temporizadores .
O comparador faz uso de seu modo de tensão comum; na verdade, o opamp possui um amplificador diferencial em cascata seguido de uma carga ativa de espelho de corrente, em sua entrada, o que lhe dá especialidade para ser usado como comparador que pode comparar as entradas. com base nessa propriedade, a fonte de trilho duplo aciona o circuito imediatamente próximo das tensões opostas.
Como limitadores de corrente em circuitos onde os capacitores são usados, para impedir que eles descarregem lentamente, eles são isolados por esses opamps devido à sua alta impedância de entrada, de modo a manter sua carga, o que lhes confere um bom papel complementar nos circuitos de comutação e retenção de alta velocidade
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