Unul dintre blocurile constructive fundamentale de circuite analogice, amplificatoarele operaționale, sau op amp, realizează două funcții de bază – operații matematice și amplificarea unor semnale de intrare în conexiune diferențială. Acest circuit versatil și larg utilizat poate fi găsit într-o colecție vastă de aplicații analogice și digitale pentru condiționare semnal și procesare de semnal.
Unele microcontrolere, precum microcontrolerele PIC pe 8 biți de la Microchip, dispun de un modul de amplificator operațional, care furnizează funcționalități de bază de amplificator operațional. Atunci când este integrat cu alte periferice analogice inteligente de pe cip, precum un convertor ADC, un comparator, un convertor DAC, o referință fixă de tensiune, detecția trecerii prin zero, un compensator de pantă și un generator programabil de semnal rampă, devin posibile numeroase aplicații analogice. Mai mult, asemenea microcontrolere asigură ușurința integrării perifericelor analogice și digitale pentru o multitudine de aplicații mai complexe.
Figura 1: Diagrama bloc a modulului de amplificator operațional.
Modul de amplificator operațional
Modulul de amplificator operațional poate fi implementat în circuite de amplificare cu o singură sursă, cu flexibilitate și siguranță crescută. Printre caracteristicile modulelor PIC pe 8 biți sunt incluse conexiuni externe la porturi de I/O, intrări cu pierderi reduse, intrări-ieșiri rail-to-rail, tensiune de compensare de intrare calibrată din fabrică, produse cu amplificare în bandă de 3MHz, control câștig unitar, selecție programabilă de sursă pozitivă și negativă, precum și preluare control pentru ieșire logică cu trei stări și câștig unitar forțat.
Figura 1 prezintă diagrama bloc a modulului de amplificator operațional, care este divizată în cinci secțiuni. Nu toate secțiunile și funcțiile sunt suportate de toate microcontrolerele. Un amplificator operațional este un amplificator electronic cu câștig foarte mare cu o intrare diferențială și o singură ieșire. El are două intrări, numite: intrare ne-inversoare (pozitivă) și inversoare (negativă). Sursele pentru ambele intrări pot varia pentru fiecare dispozitiv; ele pot fi luate din surse externe prin pinii dispozitivului, sau din surse analogice interne, precum alte periferice de pe microcontroler.
Deoarece amplificatorul operațional este proiectat să opereze cu reacție, în funcție de aplicație, la pinii modulului trebuie conectate componente externe de reacție. Aceste componente externe dictează în mod predominant comportarea ieșirii modulului. Ieșirea poate fi luată de la pinii dispozitivului și poate fi conectată direct la alte periferice analogice de pe cip.
Modulul poate fi de asemenea utilizat în mod de câștig unitar, prin reglarea bitului relevant din registru. Acest lucru permite intrării inversoare să fie conectată intern la ieșire, ceea ce eliberează un pin pentru intrare și ieșire de uz general.
Unele microcontrolere dispun de posibilitatea de suprascriere a ieșirii, în care ieșirea amplificatorului operațional este forțată în modul logic cu trei stări sau în modul cu câștig unitar. Aceste moduri pot fi selectate prin biții de pe registru.
Modulul are o operare rail-to-rail pentru a crește domeniul dinamic a amplificatorului operațional. Regiunea liniară este între VSS și VDD. Deoarece microcontrolerele PIC sunt proiectate pentru funcționare cu o singură sursă de alimentare, VSS este uzual legată la masă, permițând o baleiere maximă a tensiunii între aproximativ 0 și VDD.
Modulul prezintă un comportament liniar între VDD și 0. Proiectantul trebuie să se asigure că semnalul de intrare nu trece peste VDD sau sub VSS, în caz contrar microcontrolerul putând avea un comportament neașteptat.
La fel ca un amplificator operațional obișnuit, modulul poate fi configurat pentru o varietate largă de aplicații, prin manipularea conexiunii la elemente de control extern, precum rezistențe, condensatoare și diode. Deoarece modulul este proiectat pentru operare liniară, utilizatorul trebuie întotdeauna să țină cont de specificațiile electrice și de limitări, pentru a optimiza performanțele.
Figura 2: Exemple forme de undă.
Mod de câștig unitar
Unele aplicații necesită doar o izolație între circuite subsecvente, datorită variațiilor impedanței de sarcină. Acest lucru poate fi obținut prin implementarea unui circuit de izolație, care să nu utilizeze curent de la primul circuit, dar să furnizeze curentul necesar circuitului următor. Acest circuit de izolație poate fi, de asemenea, utilizat pentru amplificare de putere. Aceeași tensiune este comandată de la o sursă de impedanță redusă, iar la ieșire poate fi obținută o putere de ieșire mai mare. Un amplificator operațional prezintă o impedanță de intrare foarte ridicată și o impedanță de ieșire foarte scăzută, ceea ce îl face foarte potrivit pentru asemenea aplicații. Amplificatorul operațional poate fi, de asemenea, configurat astfel încât să nu amplifice sau să atenueze semnalul de intrare. Acest tip de amplificator operațional este cunoscut ca buffer de câștig unitar sau urmăritor de tensiune. Acesta este un simplu amplificator ne-inversor cu ieșirea conectată direct la intrarea ne-inversoare.
În cazul microcontrolerelor PIC, modulul poate fi configurat în modul de câștig unitar fără componente externe suplimentare, prin stabilirea bitului corect în registru. Atunci când este selectat modul de câștig unitar, ieșirea este legată intern la intrarea inversoare, ceea ce conduce, de asemenea, la eliberarea pinului de intrare inversoare, pentru a putea fi utilizat ca pin de I/O de uz general.
Mod de suprascriere a ieșirii
Unele microcontrolere dispun de un mod de suprascriere a ieșirii, în care pulsurile de ieșire de la alte module pot furniza un control în comutație asupra ieșirii amplificatorului operațional. Există posibilitatea de selecție a două moduri pentru suprascrierea ieșirii – modul forțat cu trei stări și câștig unitar forțat. Figura 2 prezintă exemple de forme de undă de ieșire pentru cele două moduri, utilizând PWM ca sursă de suprascriere. Un exemplu de implementare a suprascrierii ieșirii este prezentat în figura 5.
Figura 3: Exemple de configurații cu module de amplificatoare operaționale legate în cascadă.
Module legate intern în cascadă
Microcontrolerele precum Microchip PIC16F1769 permit conectarea programată a ieșirii unui amplificator operațional la intrarea altui amplificator operațional. Aceste module conectate în cascadă internă sunt utile dacă există necesitatea de a izola ieșirea amplificatorului operațional de sarcină. Ieșirea amplificatorului operațional în cascadă depinde în principal de câștigul nivelelor individuale.
Figura 3 prezintă două exemple de configurații de circuite implementând module de amplificatoare operaționale conectate intern în cascadă.
Circuitul prezentat în figura 3A este realizat din două nivele formate din amplificatoare ne-inversoare, cu scopul de a produce o ieșire cu câștig foarte ridicat. Această configurație este utilă pentru circuite de frecvență ridicată, datorită relației inverse între câștigul amplificatorului și frecvența sub punctul de -3dB. În plus, valori mai ridicate ale rezistenței conduc la un zgomot termic mai mare generat de rezistori. Pentru a elimina zgomotul termic, dar și pentru a păstra câștigul dorit, amplificatoarele în cascadă pot fi cea mai bună opțiune.
Pe de altă parte, figura 3B prezintă un circuit compus dintr-un amplificator inversor cu o referință pozitivă ne-inversoare, care produce în principiu un semnal amplificat al diferenței între intrarea inversoare și tensiunea de referință și un amplificator cu câștig unitar care oferă izolație între ieșirea nivelului anterior și sarcină, pentru a elimina orice efecte ale acesteia din urmă.
Conectarea în cascadă a modulelor poate fi realizată prin firmware, prin simpla stabilire a ieșirii unui modul ca intrare negativă sau pozitivă a altui modul.
Figura 4: Condiționare de semnal pentru un convertor ADC.
Condiționarea semnalelor
Una dintre cele mai întâlnite aplicații pentru un amplificator operațional o reprezintă condiționarea semnalelor, de care este nevoie în vederea prelucrării semnalelor de intrare pentru a se conforma cerințelor sistemelor care succed. Figura 4 evidențiază un circuit de condiționare de semnal care preia un semnal în intervalul 0.6 … 1V pentru a-l converti în domeniul 0 … 5V, asigurând astfel o rezoluție optimizată la utilizarea unui modul de conversie analog/digital (ADC). Acest circuit realizează două funcții – scalare și schimbare de nivel. Modulul de amplificator operațional se află într-o configurație inversoare, ceea ce înseamnă că va scoate la ieșire o replică inversată și amplificată a semnalului de intrare diferențial.
Domeniul semnalului de ieșire depinde de câștigul amplificatorului inversor. Produsul dintre semnalul de intrare și câștig determină mărimea ieșirii. Totuși, rezultatul scalat de 5V nu cade exact în domeniul 0 … 5V, astfel încât tensiunea de ieșire trebuie să fie adusă la nivelul de ieșire dorit, prin adăugarea unei tensiuni de referință pozitive pe intrarea ne-inversoare a amplificatorului operațional.
Pentru o ieșire mai precisă, această tensiune de referință trebuie să fie reglată. Pentru a elimina utilizarea unor surse de tensiune externe, pot fi utilizate modulele de referință de tensiune fixă internă (FVR) și convertorul digital/ analog (DAC). FVR este configurat pentru a furniza o tensiune de referință stabilă către DAC, care divide apoi tensiunea fixă în 512 nivele de ieșire configurabile software, care servesc ca referință pentru intrarea ne-inversoare a modulului de amplificator operațional. Odată ce semnalul a fost scalat și i s-a schimbat nivelul conform ieșirii dorite, acesta este trimis către modulul ADC pentru procesare digitală. Semnalul optimizat de la modulul de amplificator operațional conduce la o descreștere semnificativă a dimensiunii pasului ADC, producând o rezoluție efectivă mai mare comparativ cu semnalul necondiționat. Ieșirea amplificatorului operațional poate fi trimisă către alte periferice analogice pentru procesare analogică suplimentară.
Figura 5: Circuit de reglare luminozitate LED cu semnal PWM de curent constant.
Circuit de reacție PWM pentru reglare luminozitate LED
Figura 5 prezintă un controler ridicător de mod curent pentru reglare luminozitate LED cu semnal PWM de curent constant.
În acest circuit, un convertor ridicător alimentează cu un curent constant LED-urile conectate în serie. Menținerea constantă a curentului prin variația tensiunii de intrare și a rezistenței totale a LED-urilor este foarte importantă pentru a menține culoarea LED-urilor. Curentul este în principal o funcție de factorul de umplere al ieșirii COG (generator de ieșire complementară).
Ieșirea COG este trimisă apoi către modulatorul de semnal de date și utilizată pentru a comuta între ON și OFF MOSFET-ul de putere Q1. Perioada de comutație este determinată de modulul CCP (Compară/Capturează/PWM), care deservește COG ca sursă de salturi crescătoare și modulul comparator ca sursă de salturi descrescătoare. CCP este configurat în mod PWM pentru a oferi un tren de pulsuri de frecvență fixă, cu valoare tipică de la 100 la 500kHz.
Pe de altă parte, comparatorul produce un puls de ieșire ori de câte ori tensiunea prin RSENSE1 depășește ieșirea modulului PRG. Intrarea în modulul PRG este derivată din ieșirea modulului amplificatorului operațional în circuitul de reacție. PRG este configurat ca circuit compensator de pantă pentru a contracara oscilațiile sub-armonice inerente atunci când factorul de umplere este mai mare de 50%. PWM3 controlează luminozitatea, oferind un curent mediu efectiv pentru controlul strălucirii LED-urilor fără a afecta culoarea. Este furnizată o ieșire PWM de 200Hz pentru modularea ieșirii COG, comutarea sarcinii și suprascrierea ieșirii amplificatorului operațional. Factorul de umplere al PWM3 stabilește raportul de reglare a luminozității LED, care, la rândul său, determină intensitatea luminii LED-urilor. Un factor de umplere mai mare înseamnă un timp mai mare în stare activă ON a MOSFET-ului Q2, iar de aici, o mai mare luminozitate a LED-urilor.
Când ieșirea PWM3 trece în nivel inferior, ieșirea COG este dezactivată prin DSM, Q2 comută în OFF, iar ieșirea amplificatorului operațional este forțată în modul cu trei stări. DSM utilizează PWM3 ca sursă de modulație pentru a oferi o comutație sincronizată cu Q2 și ieșirea amplificatorului operațional. El asigură, de asemenea, că pulsul total de ieșire al COG este finalizat înainte ca ieșirea să comute în nivel inferior. Dezactivarea COG previne apariția condiției de supratensiune, în vreme ce forțarea amplificatorului operațional în modul cu trei stări menține curentul prin LED-uri.
Atunci când Q2 comută în stare OFF, reacția devine zero, iar modulul amplificatorului operațional își crește ieșirea la maxim, supraîncărcând rețeaua de compensare. Atunci când PWM3 trece în ON din nou, este nevoie de câteva cicluri de comutație ale compensatorului pentru a reveni când un curent de vârf ridicat trece prin LED-uri. Acest lucru face ca adesea curentul prin LED-uri să depășească valoarea dorită, contribuind la o micșorare a duratei de viață a LED-urilor. În această aplicație, modulul amplificatorului operațional este configurat cu PWM3 ca sursă de suprascriere, iar ieșirea este TRI-STATE atunci când ieșirea PWM este mică pentru a atenua depășirea valorii de curent prin LED-uri și pentru a preveni deriva culorii.
Concluzie
Modulul de amplificator operațional din microcontrolerele PIC pe 8 biți oferă nu numai funcționalitatea de bază a unui amplificator operațional cu o singură sursă de alimentare, ci și mai multe funcții îmbunătățite pentru a crește flexibilitatea proiectelor de circuite cu amplificatoare operaționale.
Echipamentele portabile devin din ce în ce mai populare, iar odată cu acestea, circuitele de amplificatoare operaționale cu o singură sursă de alimentare devin din ce în ce mai solicitate. Integrând modulul de amplificator operațional cu alte periferice analogice de pe cip, se poate reduce costul de producție și spațiul pe placă, oferind performanțe de circuit mai ridicate în numeroase aplicații.
Autor: Mary Tamar Tan, Inginer de aplicații
Microchip Technology | www.microchip.com
