Cómo realizar un procesamiento complejo con amplificadores de operación

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Por John Santiago

Si usted entiende los bloques básicos de construcción de los circuitos de amplificadores op, está listo para abordar complejas acciones de procesamiento con amplificadores op. Usando circuitos de amplificación de op amp, puede analizar un amplificador de instrumentación, resolver ecuaciones matemáticas o crear sistemas para el procesamiento de señales, instrumentación, filtrado, control de procesos o conversión digital-analógica/analógica-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 voltaje vO proporcional a la diferencia de las dos entradas, v1 y v2. Obtener el resultado deseado requiere un poco de gimnasia algebraica, pero usted puede manejarlo.

En el Nodo C2, se aplica KCL (i1 + i2 = 0) y la ley de Ohm (i = v/R) y se termina con

En el Nodo C1, la ecuación KCL (-i2 + i3 = 0) con la ley de Ohm te lleva a

El circuito de muestra muestra la entrada no inversor conectada a tensiones independientes v1 y v2. Utilice la restricción de tensión del amplificador de potencia vP = vN para obtener lo siguiente:

Sustituye v1 y v2 en ecuaciones KCL, lo que te da

Ahora resuelva para vB2 y vB1, porque el voltaje de salida vO depende de estos dos valores:

La tensión de salida vO es la diferencia entre el vB1 y el vB2:

¡Genial! La resistencia R2 se puede utilizar para amplificar la diferencia v2 – v1. Después de todo, es más fácil cambiar el valor de una resistencia R2 que el de dos resistencias R1.

Implementar ecuaciones matemáticas electrónicamente

Como ejemplo de cómo los amplificadores operativos pueden resolver ecuaciones, considere una sola salida y tres señales de entrada de voltaje:

Puedes reescribir la ecuación de muchas maneras para determinar qué circuitos de amplificación opcionales necesitas para realizar la matemática. Aquí hay una manera:

La ecuación sugiere que tienes un verano invertido con tres entradas: -v1, -v2, y v3. Necesita un amplificador inversor con una ganancia de -1 para v1 y v2. La entrada v1 tiene una ganancia de suma de -10, la entrada v2 tiene una ganancia de suma de -5 y la entrada v3 tiene una ganancia de suma de -4.

Puede ver uno de los muchos circuitos de amplificación posibles en el diagrama superior de este circuito de muestra. Las casillas punteadas indican los dos amplificadores inversores y el verano inversor.

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

Para la entrada v1, la relación entre la resistencia de retroalimentación inversa de verano de 200 kΩ y su resistencia de entrada de 20 kΩ proporciona una ganancia de -10. Del mismo modo, para la entrada v2, la relación entre la resistencia de realimentación de 200 kΩ y su resistencia de entrada de 40 kΩ le da una ganancia de -5.

Finalmente, para la entrada v3, la relación entre la resistencia de realimentación de 200 kΩ y su resistencia de entrada de 50 kΩ proporciona una ganancia de -4. Puede utilizar otros valores de resistencia posibles siempre y cuando la relación de resistencias proporcione las ganancias correctas para cada entrada.

Reducir el número de amperios operativos durante el proceso de diseño ayuda a reducir los costes. Y con un poco de creatividad, puedes reducir el número de amplificadores op en el circuito reescribiendo la ecuación matemática de la relación entrada-salida:

Esto sugiere que necesitas dos amplificadores operativos. Una entrada es una combinación de las entradas v1 y v2 formada por un verano invertido. Cuando se toma la salida del primer verano y se alimenta y otra entrada a un segundo verano invertido, el resultado es proporcional a v3 con ganancia -4. El diagrama inferior del circuito de muestra muestra muestra una manera de implementar esta ecuación.

Para v1, la relación entre la resistencia de realimentación de 100 kΩ y la resistencia de entrada de 20 kΩ produce una ganancia de -5. Para v2, la resistencia de entrada de 40 kΩ le da una ganancia de -2,5. La salida del primer verano se multiplica por -2 debido a la relación de la segunda resistencia de retroalimentación inversa de verano de 100 kΩ a la resistencia de entrada de 50 kΩ.

La entrada v3 al segundo verano se multiplica por -4 debido a la relación entre la resistencia de realimentación 100-kΩ y la resistencia 25-kΩ.

Crear sistemas con amplificadores de operación

Los circuitos Op amp son bloques básicos para muchas aplicaciones en el procesamiento de señales, instrumentación, control de procesos, filtrado, conversión digital-analógica y conversión analógica-digital.

Por ejemplo, puede realizar una conversión de digital a analógico (DAC) utilizando el verano invertido. El propósito principal de este dispositivo común es convertir una señal digital que consiste en 1s y 0s binarios (tal vez provenientes de su computadora personal) en una señal analógica y continua (para hacer funcionar su motor DC en su juguete de control remoto). El dispositivo tiene amplias aplicaciones en robótica, televisores de alta definición y teléfonos móviles.

Este ejemplo se simplifica al centrarse en dispositivos de 3 bits (aunque la mayoría de las aplicaciones utilizan DACs de 8 a 24 bits). Los DACs tienen una tensión de salida vo con un número de entradas digitales (b0, b1, b2), junto con una tensión de referencia VREF. 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 la salida analógica:

El bit b2 es el bit más significativo (MSB) porque se pesa con el mayor peso de la suma; el bit b0 es el bit menos significativo (LSB) porque tiene el menor peso.

Para implementar un DAC, puede utilizar un verano invertido, como se muestra en la figura. También se muestran las entradas digitales que pueden tener sólo uno de dos valores de voltaje: Un 1 digital es igual a VREF, y un 0 digital es igual a 0 voltios.

Las entradas v1, v2, y v3 al verano son ponderadas apropiadamente para darle el voltaje de salida vO basado en las tres entradas. La entrada v1 es la que tiene más peso y la entrada v3 la que tiene menos.

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