Circuit VR: encore plus d’amplis opérationnels

Dans le dernier Circuit VR, nous avons examiné certains circuits d’amplis op de base dans un simulateur, y compris l’amplificateur non inverseur. Parfois, vous voulez un amplificateur qui inverse le signal. C’est-à-dire qu’une entrée 5V donne une sortie -5V (ou -10V si l’amplificateur a un gain de 2). Cela correspond à un déphasage de 180 degrés qui peut être utile dans les amplificateurs, les filtres et autres circuits. Jetons un œil à un exemple de circuit simulé avec falstad.

Souvenez-vous des règles

La dernière fois, j’ai mentionné deux règles inventées qui sont de bons raccourcis pour analyser les circuits d’amplis opérationnels:

  1. Les entrées de l’ampli opérationnel ne se connectent à rien en interne.
  2. La sortie fera mystérieusement ce qu’elle peut pour rendre les entrées égales, dans la mesure où cela est physiquement possible.

En corollaire de la deuxième règle, vous pouvez facilement analyser le circuit montré ici en considérant la borne négative (inverseuse) comme une masse virtuelle. Il n’est pas connecté à la terre, mais dans un circuit d’ampli op correctement configuré, il pourrait tout aussi bien être au potentiel de la terre. Pourquoi? Parce que la borne + est mise à la terre et que la règle n ° 2 dit que l’ampli opérationnel changera les conditions pour s’assurer que les deux bornes sont identiques. Comme il ne peut pas influencer la borne +, il fera passer la tension à travers le réseau de résistances pour s’assurer que la borne – est à 0V.

Cette idée de terrain virtuel simplifie l’analyse du circuit. Vous pouvez voir sur la simulation que l’amplificateur a un gain de 3. Imaginez donc que l’entrée est 5V DC ou, si vous le souhaitez, changez la source de tension. Puisque la borne – est la masse virtuelle, nous savons que le courant traversant la résistance 1K doit être (5-0) / 1000 = 5mA. La règle n ° 1 dit que les bornes d’entrée ne donneront pas l’impression d’être connectées à quoi que ce soit, ce qui signifie que le courant traversant la résistance 3K doit également être de 5 mA et une extrémité de celle-ci est pratiquement mise à la terre.

Alors, quelle est la tension de sortie? (V-0) /3000=.005. Si vous faites un peu d’algèbre au lycée, vous pouvez réécrire cela comme V = .005 (3000) = 15V. Dans la vraie vie, vous ne voudriez pas que la sortie soit si proche du rail d’alimentation, mais vous voyez l’idée. Dans le simulateur, nous ne spécifions que les tensions de sortie maximale et minimale pour ce modèle d’ampli opérationnel, donc peut-être que l’alimentation est vraiment de +/- 16V. C’est mon histoire et je m’y tiens.

Gains

Pour l’amplificateur non inverseur, le gain était égal à l’inverse du rapport du diviseur de tension du réseau de rétroaction. Autrement dit, avec une résistance de 1K et 3K, le rapport de diviseur est de 1000 / (1000 + 3000) = 1/4, donc le gain est de 4. Cela a du sens, car dans ce cas, nous réduisons la tension de sortie de l’ampli opérationnel pendant qu’il essaie de rendre les deux terminaux égaux.

Pour un amplificateur inverseur, le gain est le simple rapport des deux résistances, car ce qui définit le gain est le courant égal circulant dans les deux résistances. Si les deux résistances étaient égales, un non inverseur amplificateur a un gain de 2, tandis qu’un inverser l’amplificateur a un gain de 1. Si vous vous rappelez, pour obtenir un gain unitaire dans le circuit non inverseur, vous n’avez pas besoin de résistances, juste une résistance de zéro ohm (un fil) entre la sortie et l’entrée -.

Quelle est la différence?

Bien sûr, l’idée d’un sol virtuel n’est en réalité rien de plus que de reformuler la règle n ° 2. Si les deux bornes ont des entrées, vous avez un amplificateur différentiel. Celles-ci sont importantes pour plusieurs raisons. L’une des plus grandes utilisations des amplificateurs différentiels est de réduire le bruit de mode commun.

Supposons que vous ayez un capteur de température qui émet une tonalité de 250 à 300 Hz en fonction de la lecture. Les fils allant au capteur sont longs et vous constatez que vous captez un bourdonnement de 60 Hz du câblage CA. Votre signal d’entrée peut ressembler à celui de droite. Le bourdonnement de 60 Hz est environ 5 fois plus fort que le signal de données d’onde carrée. Comment pouvez-vous le récupérer?

Il y a bien sûr plusieurs réponses. Mais si vous observez que le fil positif et le fil de terre allant au capteur capteront le bourdonnement, une bonne réponse est de soustraire la jambe de retour de la jambe positive. Comme le bruit est le même sur les deux fils, il doit être soustrait, ne laissant que le signal d’intérêt. Voici un exemple de circuit pour supprimer le bourdonnement à 60 Hz:

Ici, la borne + sera à 50% du signal d’entrée. Cela signifie, selon la règle n ° 2, que la borne – sera également à la même tension. Supposons qu’il y ait un 2V constant sur les deux entrées. La borne + aura alors 1V dessus. Cela signifie que le terminal – aura également 1V. Si l’entrée est 1V et la borne – est 1V, la sortie doit être à 0V puisque le réseau de retour sera comme un diviseur de tension. Quelle que soit la manière dont les tensions changent ensemble, la sortie restera nulle.

Mais que se passe-t-il si les deux entrées sont à 2V et que soudainement l’entrée du côté + saute d’elle-même à 4V? Maintenant, la borne + est à 2V, ce qui fait changer le courant circulant (à zéro, dans ce cas). Cela signifie que la tension de sortie doit changer pour définir le même courant dans la résistance de rétroaction. Puisque c’est zéro dans ce cas, la sortie doit également être de 2V.

Si le courant nul est déroutant, essayez une tension différente comme 3V dans ce circuit. Lorsque vous basculez le commutateur pour alimenter 3V dans le circuit, la borne + parce que 1.5V donc vous avez 0.5V à travers la résistance d’entrée, ce qui signifie que vous aurez besoin du même courant à travers la résistance de rétroaction et la sortie sera 1V.

Est-ce tout?

Il y a beaucoup plus de choses que vous pouvez faire avec les amplis op, mais ceux-ci devront attendre un futur Circuit VR. Bien que les amplis op modernes soient excellents, ils ne sont toujours pas parfaits. Les entrées auront une petite fuite. Les sorties n’atteindront pas le rail si vous en tirez beaucoup de courant dans un ampli opérationnel à usage général. Si vous avez affaire à une fréquence élevée, vous devrez sélectionner soigneusement les pièces. Les circuits de précision peuvent nécessiter des soins pour le réglage du décalage et d’autres considérations de conception spéciales. Cependant, par rapport à la construction d’amplificateurs de précision à partir de transistors nus, disposer d’amplis op de haute qualité est un gain de temps réel.

Il existe de nombreux amplis op spécialisés. Certains fonctionnent sur des entrées de courant. Certains ont des étages de sortie spéciaux. Par exemple, les comparateurs sont des amplis op avec des étages de sortie à grande vitesse qui ont tendance à saturer rapidement dans un sens ou dans l’autre. Il existe de nombreux choix en fonction de ce qui est important pour votre conception. Si vous voulez des lectures extrascolaires sur la sélection de l’architecture d’amplis opérationnels, Analog Devices AN-360 est un bon aperçu du sujet.