En este circuito típico de amplificador operacional, ¿cómo haría para calcular el valor de cada componente si quiero simplemente transformar el rango de voltaje de entrada en otro rango de voltaje, por ejemplo? cuando el voltaje de entrada varía entre -5mV y 20mV, quiero que la salida varíe de 0V a 5V, a una frecuencia determinada.
Editar: Hmmm ... puede ser que el circuito de arriba no sea adecuado para hacer la transformación. Si ese es el caso, ¿cuál sería bueno para eso?
La forma en que ahora no es adecuada para esa transformación, pero se puede arreglar fácilmente. Los condensadores bloquearán cualquier contenido de CC de la señal, por lo que la desviación de 2.5 V de su señal de salida se perderá, y la salida de 0 V a 5 V será de -2.5 V a +2.5 V fuera. Solución: deshacerse de los condensadores, también C1, no los necesitaremos.
Su rango de entrada es de 25 mV, y el rango de salida de 5 V, eso significa que tenemos que amplificar en un factor 200. Hagamos eso seleccionando R1 = 100 Ω y R4 = 20 kΩ, que es una relación de 200: 1. Ahora todo lo que tenemos que hacer es encontrar valores para R2 y R3, que determinarán el desplazamiento.
Llamemos a la tensión en la entrada inversora del opamp V1. Luego, de acuerdo con la Ley actual de Kirchhoff, y porque la entrada es de alta impedancia:
\ $ \ dfrac {V1 - 20 mV} {100 \ Omega} = \ dfrac {0 V - V1} {20 k \ Omega} \ $
de donde encontramos que V1 es 19.9 mV. Así que para una fuente de +5 V podemos elegir R2 = 100.1 kΩ y R3 = 400 Ω.
El circuito que se muestra es AC acoplado . Eso significa que el nivel de CC de entrada es irrelevante y se proporcionará un nivel de CC de salida fijo, que en este caso es 0 V debido a R5.
No hay nada necesariamente malo con un amplificador acoplado de CA. Depende de lo que quieras lograr. Por ejemplo, si desea manipular el audio, entonces AC couping está bien, incluso es una buena idea.
Entonces, su pregunta se reduce a dos problemas, ganancia y respuesta de frecuencia. No mencionó nada acerca de la ganancia en función de la frecuencia, así que empecemos suponiendo que el acoplamiento de CA está en suficientes puntos de frecuencia para no afectar las frecuencias de interés.
En este circuito, la magnitud de ganancia es R4 dividida por la impedancia de la señal que llega a la entrada negativa opamp. Una vez más, asumimos que C1 es lo suficientemente grande como para no ser relevante en comparación con R1 en las frecuencias que nos interesan, por lo que la ganancia de voltaje es -R4 / R1. Este circuito se invierte, de ahí la ganancia negativa.
Tenga en cuenta que esto establece solo un grado de libertad al elegir los valores de dos resistencias. Hay muchas maneras de pensar en el otro grado de libertad, pero la impedancia de entrada del amplificador es probablemente la más relevante. La impedancia de entrada es básicamente R1 (nuevamente, haciendo la aproximación de que C1 tiene poca impedancia con respecto a R1).
Digamos que desea que este amplificador tenga una impedancia de entrada de 600 Ω y una magnitud de ganancia de 10. De nuestras dos restricciones, R1 = 600Ω y R4 / R1 = 10. Este conjunto de ecuaciones simultáneas es tan simple que pueden resolverse mediante inspección. R1 = 600 y R4 = 6 kΩ.
R2 y R3 forman un divisor de voltaje. La salida de este divisor es el nivel virtual 0 en el que la señal flotará alrededor del opamp. Se puede pensar que este es el nivel de sesgo inactivo. Como generalmente se desea un swing alto y bajo desde el nivel central, la salida del divisor R3, R3 debe estar aproximadamente en la mitad del swing de salida del opamp. Si se trata de una salida de riel a riel, entonces la salida del divisor R3, R3 debe estar cerca de 1/2 del voltaje de suministro. Se puede pensar nuevamente en el segundo grado de libertad como proveniente de la impedancia de salida deseada del divisor. Aquí hay una amplia latitud, ya que la impedancia de entrada opamp debería ser bastante alta. La menor impedancia no ayudará mucho, pero causará una mayor pérdida de corriente a través de R2 y R3. Ir demasiado alto, y el nodo puede captar ruido. Apuntaría a 10 kΩ a 100 kΩ sin otra información. La impedancia de salida del divisor R2, R3 es R2 y R3 en paralelo.
Lo único que queda son los parámetros que no preguntó, que son las frecuencias de atenuación de los dos filtros de paso alto y la impedancia de salida. Digamos que esto es para audio. El rango de audio completo se considera generalmente de 20 Hz a 20 kHz. Para evitar demasiado efecto a 20 Hz, configuremos las dos frecuencias de reducción del filtro de paso alto a 10 Hz cada una. La frecuencia de cruce entre una resistencia y un condensador es:
F = 1 / (2 π R C)
Cuando R está en Ohms, C en Farads, entonces F estará en Hertz. Obviamente, puedes reorganizar esta ecuación para resolver cualquiera de F, R o C dados los otros dos.
Anteriormente dijimos que R1 es 600 Ω en nuestro ejemplo y queremos un rollo de 10 Hz. Eso hace que C1 27 µF. Eso es un poco alto, pero factible. Si es demasiado alto, puede aumentar la impedancia de entrada, lo que permite un R1 más alto, lo que permite un C1 más bajo.
La misma relación es válida para C2 y R5. C2 de 27 µF y R5 de 600 Ω dan una reducción de 10 Hz y una impedancia de salida de 600 Ω al máximo. Tenga en cuenta que a altas frecuencias, C2 tiene una impedancia más baja, lo que acopla más directamente la salida opamp a la salida en D. En el límite, el circuito tiene cualquier impedancia de salida que el opamp pueda soportar.
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