Seguidor de tensão de precisão

PEÇAS E MATERIAIS

• Amplificador operacional, modelo 1458 ou 353 recomendado (catálogo Radio Shack # 276-038 e 900-6298, respectivamente)
• Três baterias de 6 volts
• Um potenciômetro de 10 kΩ, cone linear (catálogo Radio Shack # 271-1715)

REFERÊNCIAS CRUZADAS

Aulas de circuitos elétricos , Volume 3, capítulo 8:"Amplificadores operacionais"



OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

• Para ilustrar como usar um amplificador operacional como seguidor de voltagem
• Para ilustrar o propósito do feedback negativo
• Para ilustrar algumas estratégias de solução de problemas

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO







ILUSTRAÇÃO







INSTRUÇÕES

No experimento anterior com amplificador operacional, o amplificador foi usado em “ loop aberto " modo; ou seja, sem nenhum feedback da saída para a entrada. Como tal, o ganho de tensão total do amplificador operacional estava disponível, resultando na saturação da tensão de saída para virtualmente qualquer quantidade de tensão diferencial aplicada entre os dois terminais de entrada. Isso é bom se desejarmos uma operação de comparação, mas se quisermos que o amplificador operacional se comporte como um verdadeiro amplificador , precisamos exibir um ganho de voltagem gerenciável.

Como não temos o luxo de desmontar o circuito integrado do amplificador operacional e alterar os valores do resistor para fornecer um ganho de tensão menor, estamos limitados a conexões externas e componentes. Na verdade, isso não é uma desvantagem como se poderia pensar, porque a combinação de ganho de tensão de malha aberta extremamente alto juntamente com feedback nos permite usar o amplificador operacional para uma variedade muito mais ampla de propósitos, muito mais fácil do que se fossemos nos exercitar a opção de modificar seus circuitos internos.

Pense, porque a combinação de ganho de tensão de loop aberto extremamente alto juntamente com feedback nos permite usar o amplificador operacional para uma variedade muito mais ampla de propósitos, muito mais fácil do que se exercêssemos a opção de modificar seu circuito interno.

Se conectarmos a saída de um amplificador operacional à sua entrada inversora (-), a tensão de saída buscará qualquer nível necessário para equilibrar a tensão da entrada inversora com a aplicada à entrada não inversora (+). Se esta conexão de feedback for direta, como, em um pedaço de fio reto, a tensão de saída irá "seguir" precisamente a tensão de entrada não inversora.

Ao contrário do seguidor de tensão circuito feito de um único transistor (consulte o capítulo 5:Circuitos semicondutores discretos), que aproxima a tensão de entrada em vários décimos de volt, este circuito seguidor de tensão produzirá uma tensão precisa em meros microvolts da tensão de entrada.

Meça a tensão de entrada deste circuito com um voltímetro conectado entre o terminal de entrada não inversor (+) do amplificador operacional e o terra do circuito (o lado negativo da fonte de alimentação) e a tensão de saída entre o terminal de saída do amplificador operacional e o terra do circuito. Observe a tensão de saída do amplificador operacional seguir a tensão de entrada conforme você ajusta o potenciômetro em sua faixa.

Você pode medir diretamente a diferença ou erro , entre as tensões de saída e entrada conectando o voltímetro entre os dois terminais de entrada do amplificador operacional. Ao longo da maior parte da faixa do potenciômetro, essa tensão de erro deve ser quase zero.

Tente mover o potenciômetro para uma de suas posições extremas, muito no sentido horário ou muito no sentido anti-horário. Meça a tensão de erro ou compare a tensão de saída com a tensão de entrada. Você percebe algo incomum? Se você estiver usando o amplificador operacional modelo 1458 ou 353 para este experimento, deverá medir uma tensão de erro substancial ou a diferença entre a saída e a entrada.

Muitos amplificadores operacionais, os modelos especificados incluídos, não podem “balançar” sua tensão de saída exatamente para a fonte de alimentação total (“ trilho ”) Níveis de tensão. Neste caso, as tensões “rail” são +18 volts e 0 volts, respectivamente. Devido às limitações nos circuitos internos do 1458, sua tensão de saída é incapaz de atingir exatamente esses limites alto e baixo. Você pode descobrir que ele só pode chegar a um ou dois volt da fonte de alimentação “ trilhos ”.

Esta é uma limitação muito importante para entender ao projetar circuitos usando amplificadores operacionais. Se estiver cheio “ rail-to-rail ”A oscilação da tensão de saída é necessária em um projeto de circuito, outros modelos de amplificadores operacionais podem ser selecionados que oferecem esta capacidade. O modelo 3130 é um desses amplificadores operacionais.

Os circuitos seguidores de tensão de precisão são úteis se o sinal de tensão a ser amplificado não pode tolerar “ carregamento ”; ou seja, se ele tiver uma impedância de fonte alta. Uma vez que um seguidor de voltagem, por definição, tem um ganho de voltagem de 1, seu propósito não tem nada a ver com a amplificação da voltagem, mas sim com a amplificação da capacidade de um sinal de fornecer corrente para uma carga.

Os circuitos seguidores de tensão têm outro uso importante para os construtores de circuitos:eles permitem o teste linear simples de um amplificador operacional. Uma das técnicas de solução de problemas que recomendo é simplificar e reconstruir . Suponha que você esteja construindo um circuito usando um ou mais amplificadores operacionais para realizar alguma função avançada.

Se um desses amplificadores operacionais parece estar causando um problema e você suspeita que ele pode estar com defeito, tente reconectá-lo como um seguidor de tensão simples e veja se ele funciona nessa capacidade. Um amplificador operacional que não funciona como um seguidor de voltagem certamente não funcionará como algo mais complexo.



SIMULAÇÃO DE COMPUTADOR

Esquema com números de nó SPICE:





Netlist (faça um arquivo de texto contendo o seguinte texto, literalmente):

 Voltage Follower vinput 1 0 rbogus 1 0 1meg e1 2 0 1 2 999meg rload 2 0 10k .dc vinput 5 5 1 .print dc v (1,0) v (2,0) v (1,2). fim 

Um amplificador operacional ideal pode ser simulado no SPICE usando uma fonte de tensão dependente ( e1 na netlist). Os nós de saída são especificados primeiro ( 2 0 ), então os dois nós de entrada, a entrada não inversora primeiro ( 1 2 ) O ganho de malha aberta é especificado por último ( 999 meg ) na linha da fonte de tensão dependente.

Como o SPICE vê a impedância de entrada de uma fonte dependente como infinita, alguma quantidade finita de resistência deve ser incluída para evitar um erro de análise. Este é o propósito de R _bogus :para fornecer caminho DC ao aterramento para a V _entrada fonte de voltagem. Essas resistências “falsas” devem ser arbitrariamente grandes. Nesta simulação, eu escolhi 1 MΩ para um R _bogus valor.

Um resistor de carga é incluído no circuito pelo mesmo motivo:fornecer um caminho CC para a corrente na saída da fonte de tensão dependente. Como você pode ver, SPICE não gosta de circuitos abertos!



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