J'ai lu dans plusieurs livres et articles l'observation: "Les amplis op sont le pain et le beurre de l'électronique analogique", ou "... les amplis op sont le bloc de construction le plus couramment rencontré dans les circuits analogiques ..." et cet effet.
Bien que mon expérience ne soit pas assez large pour confirmer ou réfuter cette affirmation, elle est certainement confirmée dans les circuits que j'ai vus.
Cela me fait penser que je manque quelque chose de fondamental, pour expliquer pourquoi un composant comme celui-ci serait peut-être quelque chose comme une boucle "pour" dans la programmation ou quelque chose, un modèle fondamental, une fois disponible, trouve une application omniprésente.
Qu'est-ce que la nature fondamentale de l'électronique analogique fait d'un ampli op pour réaliser un modèle aussi basique et polyvalent?
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Réponses:
Les amplificateurs opérationnels sont assez proches d'être des amplificateurs différentiels idéaux. La vraie question est donc, qu'est-ce qui est si génial avec les amplificateurs? Il y a (au moins!) Trois réponses.
Tout d'abord, les amplificateurs évidents vous permettent de modifier l'amplitude d'un signal. Si vous avez un petit signal (par exemple, provenant d'un transducteur), un amplificateur vous permet d'élever sa tension à un niveau utile. Les amplificateurs peuvent également réduire l'amplitude d'un signal, ce qui pourrait être utile pour l'adapter à la gamme d'un ADC, par exemple.
Les amplificateurs peuvent également mettre en mémoire tampon un signal. Ils présentent une impédance élevée côté entrée et une faible impédance côté sortie. Cela permet de délivrer un signal source faible à une charge élevée.
Enfin, la rétroaction négative permet aux amplificateurs de filtrer un signal. Les filtres dits actifs (qui utilisent des amplificateurs) sont beaucoup plus flexibles et puissants que les filtres passifs (qui n'utilisent que des résistances, des condensateurs et des inductances). Je dois également mentionner les oscillateurs , qui sont fabriqués à l'aide d'amplificateurs à rétroaction positive filtrée.
Le contrôle d'amplitude, la mise en mémoire tampon et le filtrage sont trois des choses les plus courantes que vous pouvez faire pour les signaux analogiques. Plus généralement, les amplificateurs peuvent être utilisés pour implémenter de nombreux types de fonctions de transfert , qui sont les descriptions mathématiques de base des tâches de traitement du signal. Ainsi, les amplificateurs sont partout.
Pourquoi les amplis op en particulier? Comme je l'ai dit, les amplis op sont essentiellement des amplificateurs de haute qualité. Leurs principales caractéristiques sont:
Ces caractéristiques signifient que le comportement de l'amplificateur est presque entièrement déterminé par le circuit de rétroaction. La rétroaction se fait avec des composants passifs comme les résistances, qui se comportent beaucoup mieux que les transistors. Essayez de simuler un simple amplificateur à émetteur commun à travers la tension et la température - ce n'est pas génial.
Grâce aux améliorations modernes des circuits intégrés, les amplificateurs opérationnels sont bon marché, hautes performances et facilement disponibles. À moins que vous n'ayez besoin de performances extrêmes (haute puissance, très haute fréquence), il n'y a plus beaucoup de raisons d'aller avec des amplificateurs à transistors discrets.
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Un ampli op, c'est trois 5 outils de base en un (sinon plus).
D'abord un appareil de comparaison, comme une instruction if else
(if a > b, output = a, else b).Deuxièmement, un tampon
(in = 1, out = 1, refreshed).Troisièmement, un amplificateur, comme un multiplicateur
(in = 1, out = 10).Quatrièmement , un déphasage / retard
(in = x, out = x + 1).Cinquièmement , un onduleur
(in = x, out = 1/x).Ils ont tendance à être très polyvalents et capables de s'adapter à de nombreux circuits selon les besoins.
Fondamentalement, lorsqu'un signal est traité par des éléments analogiques discrets, son amplitude - sa tension - diminue. Un ampli opérationnel peut mettre en mémoire tampon et amplifier un signal analogique, garantissant qu'il est lisible ou utile à la fin.
Par ailleurs, une boucle for serait un compteur. Un compteur de décades fonctionne comme une
for (i = 0, i < 10, i++)boucle.la source
Certains des principaux avantages d'un ampli opérationnel sont
impédance d'entrée élevée : en raison de son impédance d'entrée élevée, un ampli-op ne charge pas indûment le circuit précédent. Un ampli-op lui-même peut avoir une impédance d'entrée dans les 10 ou 100 de gigohms. Un circuit de rétroaction d'ampli op aura probablement une impédance d'entrée plus faible, mais l'impédance d'entrée élevée de l'ampli op permet à celle-ci d'être entièrement réglée par les autres composants.
faible impédance de sortie : En raison de sa faible impédance de sortie, un circuit d'amplificateur opérationnel peut généralement piloter un autre circuit d'amplificateur opérationnel (ou un ADC ou ...) sans que la charge n'affecte son comportement.
gain élevé : le gain élevé de l'ampli-op lui permet d'être utilisé dans un circuit de rétroaction négative de sorte que le comportement du circuit est dominé par les éléments de rétroaction plutôt que par l'ampli-op. Ça signifie
Souvent, seuls quelques composants de précision sont requis dans le circuit de rétroaction pour obtenir des performances de précision à partir du circuit global.
Étant donné que le comportement du circuit est contrôlé par le circuit de rétroaction, l'ampli op peut être utilisé avec de nombreux éléments de rétroaction différents pour réaliser différentes fonctions comme l'amplification, la différenciation, l'intégration, l'amplification logarithmique, etc. (Cela peut être la principale raison pour laquelle op -les ampoules ont une telle "application omniprésente").
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Je pense que la vraie réponse est beaucoup plus simple que celles fournies par d'autres (bien qu'elles soient en effet vraies) - les amplificateurs opérationnels vous permettent simplement de construire tous les "legos" dont vous avez besoin pour un circuit plus avancé, voir https: //en.wikipedia .org / wiki / Operational_amplifier # Applications pour plus de détails. Avec ampli-op, vous pouvez obtenir (liste non exhaustive!):
C'est plus que tout ce dont vous aurez probablement besoin pour un traitement analogique essentiel - et certaines de ces choses sont également intéressantes pour le traitement numérique. En tant que tels, les amplis opérationnels sont à la fois le pain et le beurre ici.
En outre, vous pouvez facilement obtenir par exemple 2 ou 4 d'entre eux dans un petit boîtier avec des lignes d'alimentation en tension communes, et leurs caractéristiques de fonctionnement (proches de celles du composant idéal pour de nombreuses applications pratiques, et assez bien adaptées pour les amplis opérationnels à l'intérieur d'un même boîtier). ) permettent de les utiliser sans trop de problèmes pour les circuits analogiques discrets (diode / BJT / FET) (par exemple polarisation, chute de tension, compensation de température, etc.) - vous permettant de concevoir des circuits plus simples, rationalisés et maintenables, avec moins de pièces et dépannage plus facile.
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Choisir un composant électronique particulier et dire que le "pain et le beurre" est idiot, comme le sont toutes ces déclarations "les plus importantes". Par exemple, comptez les résistances dans les circuits analogiques, et je suis sûr que vous constaterez qu'ils sont plus nombreux que les amplificateurs opérationnels par une large marge.
De plus, les choses changent. Il fut un temps où les tubes à vide étaient l'élément stupide "le plus important" ou "le pain et le beurre" du profane de l'électronique analogique, puis le transistor.
Vous n'avez jamais besoin d'utiliser un opamp, mais cela peut être le moyen le plus efficace d'implémenter un circuit selon une spécification particulière. Après tout, les amplificateurs opérationnels sont fabriqués à partir de transistors, il est donc possible d'utiliser à la place un tas de transistors (avec quelques autres composants).
L'attrait des opamps est qu'ils incarnent un bloc de construction commun et facilement utilisable. Avec la magie des circuits intégrés, ces blocs de construction peuvent parfois être de la taille et du coût de transistors simples. Tout ampli op peut être exagéré pour une application particulière, mais le grand effet de levier des circuits intégrés produits en masse leur permet d'être bon marché et suffisamment petits pour qu'il soit généralement moins cher et plus petit d'utiliser un ampli op alors que seuls quelques-uns de ses transistors seraient réellement être nécessaire.
Pour utiliser votre analogie avec une boucle FOR dans un langage de programmation, vous n'avez pas réellement besoin d'utiliser cette construction. Vous pouvez initialiser, incrémenter et vérifier une variable vous-même avec du code explicite. Parfois, vous faites cela lorsque vous voulez faire des choses spéciales et que la construction FOR en conserve est trop rigide. Cependant, la plupart du temps, il est plus pratique et moins sujet aux erreurs d'utiliser la construction FOR pour les boucles. Tout comme avec les amplis-op, vous ne pouvez pas utiliser toutes les fonctionnalités de cette construction de haut niveau en conserve dans chaque cas, mais sa simplicité en vaut quand même la peine. Par exemple, la plupart des langues permettent que l'incrément soit différent de 1, mais vous ne l'utilisez probablement que rarement.
Contrairement à la construction FOR, il n'y a pas de compilateur qui optimise un ampli-op dans un circuit discret uniquement pour les fonctionnalités dont vous avez besoin dans cette instance. Cependant, l'énorme avantage de la production de circuits intégrés en volume réduit ces fonctionnalités à bien moins que l'équivalent de quelques instructions supplémentaires dans une boucle FOR. Considérez les opamps plus comme une boucle FOR complète implémentée dans le jeu d'instructions, qui prend les mêmes instructions pour exécuter si toutes ses fonctionnalités sont utilisées ou non, et moins d'instructions que vous n'auriez dû utiliser autrement, même pour les cas simples.
Les opamps sont un tas de transistors emballés pour présenter un "joli" bloc de construction, et mis à disposition pour le coût d'un ou de quelques-uns de ces transistors. Cela permet non seulement de gagner du temps dans la conception pour traiter toutes les polarisations des transistors et similaires, mais des techniques de fabrication peuvent être utilisées pour garantir une bonne correspondance entre les transistors et qui permettent de mesurer et d'ajuster les paramètres plus près de l'idéal. Par exemple, vous pouvez créer une interface frontale différentielle avec deux transistors, mais réduire la tension de décalage d'entrée à quelques mV n'est pas anodin.
Toute l'ingénierie est basée sur l'utilisation des blocs de construction disponibles à un moment donné, et les amplificateurs opérationnels sont un bloc de construction utile pour les circuits analogiques. Ce n'est vraiment pas différent de l'utilisation de transistors. De nombreux traitements ont été nécessaires pour affiner le silicium, le doper, le couper, le conditionner et le tester, ce que nous tenons pour acquis comme un transistor discret. Les opamps sont plus intégrés que les transistors individuels, mais sont encore assez "bas" dans l'ordre des choses.
De retour à l'analogie logicielle, cela revient à utiliser les sous-programmes existants pour continuer à écrire le code de votre application particulière. Dans le cas d'appels OS, vous n'avez pas le choix de les utiliser. Ce serait comme affiner votre propre silicium. Les opamps sont plus comme des appels pratiques que vous pouvez écrire vous-même, mais cela serait idiot dans la plupart des cas. Par exemple, vous avez probablement dû convertir un entier en une chaîne décimale ASCII plusieurs fois, mais combien de fois avez-vous écrit votre propre code pour cela? Vous avez probablement utilisé des appels à la bibliothèque d'exécution pour cela, ou même appelé ces implicitement via des constructions de niveau supérieur disponibles dans votre langage (comme printf en C).
L'opamp idéal a une impédance d'entrée infinie, 0 décalage, 0 impédance de sortie, une bande passante infinie et coûte 0 $. Aucun ampli-op n'est idéal, et ces paramètres et d'autres ont une importance relative différente selon les conceptions. C'est pourquoi il y a tant d'opamps. Chacun est optimisé pour un ensemble différent de compromis. Par exemple, vous entendez parfois que le LM324 est un opamp "merdique". Ce n'est pas vrai du tout. C'est un opamp superlatif lorsque le prix est une priorité élevée. Quand un décalage de quelques mV, un gain de 1 MHz * de bande passante, etc., sont tous assez bons, tout le reste n'est que du courrier indésirable trop cher.
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Concernant votre commentaire "Cela me fait penser que je manque quelque chose de fondamental, pour expliquer pourquoi un composant comme celui-ci serait peut-être quelque chose comme une boucle" for ":
Vous cherchez peut-être un concept analogue en électronique au concept de Turing Complete trouvé en informatique ou au concept de complétude fonctionnelle trouvé en algèbre booléenne (et donc en logique numérique).
Pour autant que je sache, il n'y a pas de concept de "complétude" dans les circuits analogiques où tous les circuits peuvent être dérivés d'un ensemble de blocs de construction de base ...
Il y a quelques règles sur les circuits analogiques que vous rencontrerez lors de l'étude de la théorie des systèmes et en particulier des systèmes invariants à temps linéaire.
J'espère que cela aide, mais ce n'est peut-être pas ce que vous recherchez.
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Il existe de nombreux cas, dans l'électronique analogique et numérique, où il est possible de définir (mais pas de construire) un composant idéal, puis de concevoir un circuit qui répondra aux exigences s'il est construit avec des composants qui se situent dans une certaine tolérance d'idéal. Le raisonnement sur les conceptions avec des composants qui ont des comportements idéaux simplifiés est souvent plus facile que le raisonnement sur les conceptions utilisant des composants du monde réel avec des comportements du monde réel plus compliqués.
Dans de nombreux cas, il sera possible de modéliser une conception en utilisant des composants du monde réel, d'attribuer des tolérances admissibles aux signaux à chaque étape d'une conception, puis de montrer que les composants du monde réel, lorsqu'ils reçoivent une combinaison d'entrées dans la tolérance spécifiée pour ces signaux, produira des sorties qui sont dans la tolérance spécifiée pour ces signaux. Dans les cas où cela est possible, une telle attribution de valeurs de tolérance évitera souvent la nécessité d'une analyse plus détaillée.
L'une des raisons pour lesquelles les amplis op sont si populaires est qu'il existe dans un certain sens un "comportement idéal" clair pour un ampli op, et il est facile de caractériser certains écarts par rapport à ce comportement. Si un amplificateur différentiel est supposé avoir un gain d'entrée différentielle de 10: 1, il faut tenir compte de la possibilité qu'une partie du monde réel puisse avoir un gain supérieur à l'idéal ou inférieur à l'idéal. Étant donné que le gain d'un ampli op idéal est infini, cependant, les amplis op du monde réel destinés à l'amplification auront généralement un gain plus faible [certains appareils, en particulier ceux destinés à être utilisés comme comparateurs, peuvent avoir une hystérésis qui pourrait être considérée comme un gain au-delà de celui d'un ampli op idéal]. Raisonner sur des appareils du monde réel qui ne peuvent s'écarter de l'idéal que dans une direction est souvent plus facile que raisonner sur des appareils qui peuvent dévier dans deux directions.
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L'isolement, l'adaptation d'impédance, la mise à l'échelle, la conversion de niveau, la recherche de grandes quantités de courant par rapport aux composants numériques et la génération de signaux sont des applications courantes pour les amplificateurs opérationnels.
Étudiez les configurations de base des amplificateurs opérationnels pour voir pourquoi ils sont si populaires dans la conception analogique, en particulier dans le rôle d'oscillateur et dans le conditionnement du signal.
Il y a des années, j'ai utilisé l'ampli-op inverseur avec gain pour créer un convertisseur RS-232 / MIL-188C pour récuser certaines données d'un ancien télétype AT&T modèle 40 à l'aide d'un PC 386 exécutant un programme QuickBasic 4.0 personnalisé.
Ils sont indispensables en tant qu'interface d'entrée et de mise à l'échelle d'entrée pour le traitement numérique du signal et peuvent effectuer des tâches astucieuses telles que la conversion de la tension en courant et / ou en fréquence et retour.
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Je pense que la mention "pain et beurre" sonne complémentaire au rôle, l'opamp peut être une très bonne extension de circuits, où chaque circuit a une spécialité.
Par exemple, il est utilisé comme intégrateur et différentiateurs dans le domaine du contrôle et de la régulation, qui sont autrement mieux connus sous le nom de filtres passe-haut et passe-bas.
Il peut également être mis en oscillations stables, car leur sortie est largement amplifiée par le gain de l'amplificateur, en utilisant simplement un petit signal d'entrée, vous pouvez régler l'ampli op en oscillation en utilisant une rétroaction positive, le meilleur exemple est les déclencheurs Schmitt, qui peuvent ensuite être utilisés Dans la suppression du bruit, ils forment des circuits comme les oscillateurs bistables et mono-stables qui leur confèrent en outre un rôle complémentaire dans les 555 temporisateurs .
Le comparateur utilise son mode de tension commun, en fait, l'ampli op a un amplificateur différentiel en cascade suivi d'une charge active à miroir de courant, à son entrée, ce qui lui donne la spécialité d'être utilisé comme comparateur qui peut comparer les entrées. sur la base de cette propriété, l'alimentation double rail entraîne le circuit immédiatement à proximité des tensions opposées.
En tant que limiteurs de courant dans les circuits où des condensateurs sont utilisés, pour les empêcher de se décharger lentement, ils sont isolés par ces amplificateurs opérationnels par leur impédance d'entrée élevée, afin qu'ils maintiennent leur charge, ce qui leur donne un rôle complémentaire agréable dans les circuits de commutation et de maintien à grande vitesse
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