Generando voltajes positivos y negativos para el amplificador operacional

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Tengo lo que probablemente sea una pregunta simple. Lo busqué en Google, pero la respuesta no tiene sentido para mí.

Estoy aprendiendo sobre amplificadores operacionales y creando todo tipo de circuitos con mis buenos amplificadores operacionales baratos de 10cent. Siempre los energizo desde mi fuente de laboratorio usando +/- 5V o 15V y funciona muy bien en el tablero sin soldadura. Crear cosas simples como multivibradores simples, etc., que solo costarían unos pocos centavos.

Ahora empiezo a preguntarme cómo alimentar dichos dispositivos desde una sola fuente de alimentación de CC, como una verruga de pared de 5V, de la cual tengo muchas por ahí.

Aquí está lo que he encontrado.

OPCIÓN 1:

Utilice un "divisor de rieles" como TLE2426. Pero el más barato que puedo encontrar en digikey en forma de agujero pasante es de $ 1.83 (cantidad = 1). De Verdad? Más de diez veces el resto de mi lista de materiales (1 amplificador operacional más algunas resistencias y condensadores para hacer un multivibrador, por ejemplo).

OPCION 2:

Utilice otro amplificador operacional como se muestra en la sección "Tierra virtual" de esta página: http://www.swarthmore.edu/NatSci/echeeve1/Ref/SingleSupply/SingleSupply.html

OPCION 3:

Leí en alguna parte en línea que puedes comprar amplificadores operacionales de suministro único. Busqué digikey pero no pude encontrar uno. Tiene una columna llamada "Vsupply single / dual" pero todas las que hice clic, cuando fui a la hoja de datos, los números citados en esa columna eran los voltajes +/- duales.

Conclusión

Tenga en cuenta que para pequeños circuitos únicos no me importa pagar $ 2 por una solución, pero seguramente la opción 2 no es la única solución. Si es así, a partir de ahora solo compraré amplificadores operacionales de estilo dual (dos por paquete), ya que parece que siempre necesita uno para crear el terreno virtual para el otro. ¿Seguramente esa no es la única solución?

Además, creo que la opción 2 no puede suministrar mucha corriente, ¿eso significa que no funcionará en algunos casos? ¿En qué casos tendré problemas con la opción 2?

power-supply operational-amplifier

— dnh37
fuente

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Prácticamente todo opamp puede ejecutarse con un suministro de un solo extremo. El límite de un opamp es que el voltaje de salida debe estar entre Vss y Vcc. Puede polarizar su voltaje de entrada con un desplazamiento de 2.5v dc y ejecutar el opamp en una sola fuente. O ejecútelo sin prejuicios y trate con los no lineales cerca de los rieles

— crasic el

@crasic: "se puede ejecutar" depende de la aplicación, creo. Por ejemplo, este oscilador de relajación ( falstad.com/circuit/e-relaxosc.html ), hay dos lugares donde el circuito está conectado a tierra. Si ejecuta el amplificador operacional con un 0V y 5V de una fuente de alimentación, por ejemplo, y luego conecta esos dos lugares que mencioné al 0V del mismo, no funcionará. En cambio, debe conectar esos dos lugares a un punto intermedio entre los dos voltajes que alimentan el amplificador operacional, ¿no? (No soy un experto, corrígeme si me equivoco. Pero en realidad lo intenté en una placa de prueba y falló).

— dnh37

En este escenario particular, un opamp de un solo extremo no se comportará de manera diferente que un opamp de suministro de dos extremos. En cualquier caso, debe tener un voltaje de referencia medio. Puede hacer una referencia a los pobres mediante la polarización de la "tierra" en la entrada de inversión a 2.5V con un divisor de resistencia de 5V a 0V.

— crasic

Vale la pena señalar que para aplicaciones donde los suministros bipolares son importantes (circuitos de audio adecuados, por ejemplo), uno simplemente diseñaría un suministro bipolar en la placa (es decir, un convertidor DC / DC invertido para el riel negativo, y tal vez un regulador lineal para limpiar cosas).

— uint128_t

@crasic: De hecho, también probé el divisor de resistencia, en el tablero, después de leerlo primero en línea. Probé mis dos resistencias más grandes (1MOhm), pero el circuito falló y cuando probé voltajes en varios lugares del circuito, todo fue extraño. Luego seguí leyendo y aprendí que los divisores de resistencia no funcionan para tal aplicación. ¿Estás seguro de que funcionará? Y ciertamente, incluso si de alguna manera funciona para esta aplicación (por ejemplo, con resistencias más grandes), no funcionará en todos los casos. ¿En qué casos fallará? Solo estoy tratando de aprender aquí ...

— dnh37

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Las soluciones más baratas, suponiendo que solo tenga un suministro, son rediseñar el circuito para que funcione a partir de un solo suministro o generar el suministro negativo. Todos los amplificadores operacionales monolíticos que conozco realmente funcionarán en un solo suministro; muy pocos tienen un pin de tierra, por lo que no conocen la diferencia entre +/- 5V y un solo suministro de 10V. Sí conocen (y no les gustan) las señales que van por debajo del suministro negativo (o positivo), o incluso se acercan a él en muchos casos. Le sugiero que mire la hoja de datos para el LM324que se denomina amplificador operacional de suministro único, llamado así porque la salida oscila cerca del suministro negativo (con una carga al suministro negativo) y el rango de modo común de entrada incluye el suministro negativo. Hay muchos ejemplos de circuitos que operan desde suministros únicos en la hoja de datos completa. En ninguno de ellos se usa un 'chip' divisor de rieles, pero ocasionalmente se requiere una resistencia adicional o dos.

Por ejemplo, como mencionas un multivibrador:

El LM324 a un centavo o dos por amplificador operacional puede no ser tan elegante como sus costosos amplificadores operacionales de 10 centavos, pero es omnipresente. Muchos de los circuitos están limitados por el rendimiento (francamente, no espectacular) de ese amplificador operacional en particular, pero puede sustituir algo mejor si lo desea.

Eso no es muy elegante en algunos casos, especialmente cuando las cosas están acopladas a CC. En tales casos, puede producir un suministro negativo con un regulador de conmutación barato o un chip de bomba de carga como un 7660. Si tiene un reloj disponible, se puede hacer una bomba de carga con una salida digital, dos tapas MLCC y un diodo dual .

"Un ingeniero puede hacer por un dólar lo que cualquier tonto puede hacer por dos".

- Arthur Mellen Wellington

— Spehro Pefhany
fuente

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El método más simple, y uno que he usado en ocasiones es un simple divisor de resistencia. Dos resistencias iguales (4k7 más o menos) en serie. El divisor se conecta a través de la fuente de alimentación, digamos +5 VDC. El centro del divisor de resistencia se convierte en tierra virtual, el punto conectado a + 5VDC se convierte en + 2.5VDC y el otro extremo en -2.5VDC. Dependiendo de la aplicación, esto a veces es viable, sin embargo, puede ser propenso a desequilibrarse. Experimente con él y vea si funciona en su aplicación. Agregar un búfer de amplificador operacional en GND virtual puede ayudar a resolver un posible desequilibrio.

— tcadt.com
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¿Por qué se rechazó esto?

— Jeff

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Opcion 4:

Use un IC convertidor de voltaje para generar un voltaje más alto y más bajo de su 5V.

Por ejemplo, uso este pequeño circuito para alimentar OpAmps y comparadores desde 5V sin ningún problema:

Esto genera un voltaje de aproximadamente 9.5V en el terminal VA + y -4.7V en el terminal VA- con solo un suministro de 5V. Si usa esto para alimentar amplificadores operacionales y usa tierra como tierra de referencia, obtendrá un suministro asimétrico. Afortunadamente la mayoría de los opamps están perfectamente bien con esto.

El IC se puede reemplazar con el ICL7660 más barato o similar. Los diodos pueden ser cualquier diodo Schottky rectificador o incluso silicio. Solo asegúrese de que tome 100 mA contiguos y aproximadamente 800 mA de corriente máxima.

— Nils Pipenbrinck
fuente

Gracias Nils, solución interesante. Sin embargo, el LT1054 más barato en digikey (qty = 1) es $ 2.65, por lo que esta es la opción más cara. Además, no creo que esto siempre funcione. Por ejemplo, pruebe este circuito: falstad.com/circuit/e-relaxosc.html . Primero mire la salida, es una onda cuadrada de 50:50. Luego haga clic derecho en el amplificador operacional y cambie el voltaje inferior / superior a otra cosa (como cambio + 15 / -15V a + 15 / -5V) y mire la salida. ¡La onda cuadrada ya no es un ciclo de trabajo 50:50! El problema es que todavía necesita ese 'voltaje a mitad de camino' como tierra: a mitad de camino entre +15 y -5 es + 5V.

— dnh37

@ dnh37 Yo diría que el precio no es tan importante si solo necesita uno, y obtiene un ICL7660 en volumen por mucho menos (70 centavos más o menos).

— Nils Pipenbrinck

@ dnh37 Y sí, tiene razón en que el oscilador tendrá un comportamiento diferente, pero puede solucionarlo rediseñando el circuito. Sin embargo, funciona muy bien para cualquier trabajo de amplificación lineal.

— Nils Pipenbrinck

Maxim ha introducido una línea que integra la bomba de carga a bordo del mismo silicio que el amplificador; No estoy seguro si alguno de los otros sospechosos habituales ha hecho eso.

— Peter Smith

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Hay algunas otras opciones. Se trata de costos y necesidades de energía.

Duplicador de voltaje: inversión: es un circuito duplicador de voltaje, pero en lugar de duplicar el voltaje, cambia la polaridad. Esta es la opción que muestra Nils Pipenbrink en su respuesta. Hay varios circuitos integrados que harán esto con un costo mínimo. Ventajas: generalmente baratas. Fácil de usar. Tierra continua (la tierra del suministro es la misma tierra que usa el circuito). Desventajas: Baja capacidad de corriente (no puede generar mucha corriente). Ruido de alta frecuencia (los amplificadores operacionales tienen PSRR más bajos para frecuencias más altas).
Tierra virtual: estilo de regulador lineal: dos reguladores lineales que están polarizados de manera que producen entre ellos un voltaje estable, virtual y de riel medio. La discusión y la vista del circuito se pueden encontrar aquí . Ventajas: Mayor capacidad de manejo de corriente (alrededor de 1.5 A o más dependiendo de la topología del circuito real) Operación de baja frecuencia (no hace ruido de alta frecuencia). Desventajas: Tierra no continua (la tierra del riel virtual no tiene el mismo potencial que la fuente de voltaje). Alto recuento de piezas. No eficiente (más corriente, más calor).
Aprenda a diseñar con un solo suministro: no es realmente una solución "divertida" o "genial", pero existen varios métodos para combatir la ganancia de CC en amplificadores operacionales. Ejemplo del arte poco glamoroso .
Fuentes de alimentación conmutadas: inversión / transformador: hay algunas topologías de alimentación conmutada que se pueden utilizar. Estos van desde convertidores cuk a SEPIC / Cuk a flybacks y topologías de puente completo y medio (y todo lo demás [los lugares que no sean tecnología lineal tienen soluciones, estoy más familiarizado con estos]) . Ventajas:Manejo de alta corriente (en realidad puede diseñarlos para cualquier corriente que necesite). Múltiples no enteros y cada voltaje intermedio (se pueden diseñar para hacer el voltaje de salida que desee [esta habilidad no se acumula con la creación de corriente, recuerde que la energía debe conservarse]). Tierra continua (la tierra de la tensión de entrada puede ser la misma que la tensión de tierra de la potencia de entrada [o puede ser aislada por el transformador]). Eficiente. Desventajas: Complejidad de diseño (que también va de la mano). Alto recuento de piezas. Difícil de probar a menos que solo lo construyas. Tamaño (estos son, con mucho, el mayor acaparamiento de área de las soluciones). Contenido de alta frecuencia (aunque es mucho más fácil filtrar con estas topologías, a veces puede ser problemático).

Cubrí todo lo que pude pensar y en lo que pensé mientras hacía mis fuentes de alimentación bipolares a partir de rieles individuales. Tome decisiones informadas, investigue y LEA LAS HOJAS DE DATOS (SÍ, TODO LO QUE TENGO. HE TENIDO MÁS PROBLEMAS POR NO LEER ESTO QUE HABÍA PERDIDO EL TIEMPO PERDIDO LEERLOS) .

— Dave
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