1

AMPLIFICATOARE CU AO LINIE LA LINIE CU ALIMENTARE

DIFERENȚIALĂ ȘI UNIPOLARĂ

I. OBIECTIVE

a) Determinarea amplificărilor pentru amplificatoarele inversor, neinversor şi diferenţial.

b) Determinarea cauzelor ce duc la limitarea tensiunii de ieşire a amplificatoarelor (saturaţia

amplificatoarelor).

II. COMPONENTE ŞI APARATURĂ

Se va utiliza un breadboard, AO linie-la-linie AD820, rezistenţe şi condensatoare.

Alimentarea montajului se realizează cu o sursă dublă de tensiune, tensiunea de intrare este generată

cu ajutorul generatorului de semnale iar formele de undă şi caracteristicile statice sunt vizualizate pe

un osciloscop cu două canale.

Configuraţia terminalelor circuitului integrat de tip AD820 este identică cu cea a LM741 și

este dată în lucrarea Comparatoare de tensiune cu AO.

III. ASPECTE TEORETICE

AO poate fi folosit ca amplificator dacă prin conectarea unor elemente de circuit în exteriorul

AO, într-o configuraţie cu reacţie negativă (RN) se poate menţine 0=Dv .

Modelul AO ideal folosit ca şi amplificator este cel prezentat în Fig. 1. Menţionăm că pe acest

model nu apar sursele de alimentare, însă unul dintre terminalele de ieşire este identic cu terminalul

comun (de obicei masă) al celor două surse de alimentare.

În cazul AO putem obţine RN prin aducerea unei fracţiuni a tensiunii de ieşire la intrarea

inversoare prin intermediul unui divizor după cum se observă în Fig. 2.

Fig. 1. Modelul AO ideal

ca şi amplificator.

+

-

terminal comun cu al

surselor de alimentare

2

În divizor am folosit impedanţe, înţelegând prin aceasta că pentru a avea un AO cu RN putem

folosi orice elemente de circuit (R, C, etc.).

Amplificatoare cu AO

În acest paragraf avem în vedere circuitele cu AO şi RN independente de frecvenţă, adică 1Z şi

2Z (din Fig. 2.) sunt pur rezistive ( 1R şi 2R ).

Cele două intrări sunt neconectate (în aer). Sursa de intrare Iv poate fi de exemplu conectată

între aceste intrări, (Fig. 3.) fiind o sursă flotantă (fără terminal la masă).

Deoarece prin intrările AO nu circulă curent, căderea de tensiune pe 1R este nulă, rezultând

ID vv = . Aşadar 0Dv ceea ce conduce la concluzia că aplicând sursa Iv flotantă între cele două

intrări, 0Dv , deci circuitul nu lucrează ca amplificator ci ca şi comparator.

Reîntorcându-ne la circuitul din Fig. 2., sunt trei posibilităţi de conectare a intrărilor, sintetizate

în Tabelul 1.

Tabelul 1.

Intrări

Amplificator IN II

Iv masă neinversor

masă Iv inversor

1Iv 2Iv diferenţial

1. Amplificator neinversor

Schema electrică a amplificatorului neinversor cu AO este prezentată în Fig. 4.a)

Să arătăm mai întâi cum acţionează RN ( 1R şi 2R ) pentru a menţine 0=Dv V.

Fig. 2. AO cu reacţie negativă.

+

-

IN

II

Fig. 3. Amplificator cu AO

+

-

3

Reamintim că −+ −= vvvD şi putem folosi relaţia divizorului rezistiv pentru a afla −v :

OvRR

Rv

21

1

+=−

Considerăm că dintr-un motiv oarecare apare o tendinţă de creştere pentru Dv . Atunci avem:

Dv , Ov , −v , Dv

Tendinţei de creştere a lui Dv circuitul îi răspunde cu o scădere a lui Dv . În acest fel AO cu RN

se străduieşte să facă tot ceea ce este posibil pentru a menţine Dv nulă. Aceasta se întâmplă însă doar

atâta timp cât AO rămâne în regiunea activă.

• Amplificarea

Pentru a determina amplificarea unui AO cu RN determinăm expresia Dv folosind ipoteza că

pe intrările AO nu circulă curent. Din condiţia 0=Dv se deduce amplificarea în tensiune:

I

Ov

v

vA =

Pentru amplificatorul din Fig. 4.a) avem

021

1 =+

−=−= −+OID v

RR

Rvvvv

OI vRR

Rv

21

1

+=

1

21

R

RR

v

v

I

O +=

1

21R

R

v

vA

I

Ov +==

O altă metodă prin care se poate determina amplificarea este următoarea. Deoarece 0=Dv şi

Ivv =+ , rezultă că Ivv =− (Fig. 4.a)). Cum pe intrarea inversoare a AO nu circulă curent vom avea

acelaşi curent prin 1R şi 2R .Curentul prin 1R este 1R

vI , iar curentul prin 2R este 2R

vv IO −.

1R

vI =2R

vv IO −

Se obţine aceeaşi expresie pentru amplificare:

1

21R

R

v

vA

I

Ov +==

Fig. 4. Amplificator neinversor.a) Schema electrică; b) CSTV

+

-

a) b)

0

panta

4

Observăm că amplificarea este dată doar de raportul a două rezistenţe 1R şi 2R . Aceasta

înseamnă că putem obţine uşor o valoare precisă a amplificării folosind rezistoare cu toleranţă (foarte)

redusă. De asemenea înseamnă că amplificarea este independentă de AO, nefiind influenţată de

dispersia tehnologică a valorilor parametrilor AO.

Aceste proprietăţi sunt o consecinţă directă a folosirii RN în cazul unui amplificator cu

amplificare proprie foarte mare ( →a în cazul AO).

CSTV a amplificatorului constă într-o dreaptă care trece prin origine, cu panta vA şi care este

limitată superior şi inferior de tensiunile de saturaţie ale AO, după cum se vede în Fig. 4.b).

Valorile maximă şi minimă ale tensiunii de intrare pentru care AO rămâne în regiunea activă

sunt:

1

21R

R

V

A

Vv OH

v

OHImax

+

== ;

1

21R

R

V

A

Vv OL

v

OLImin

+

==

• Rezistenţele de intrare şi de ieşire

Rezistenţa de intrare este rezistenţa echivalentă pe care o vede sursa de intrare Iv între

terminalele sale când „se uită” înspre amplificator, iar rezistenţa de ieşire este rezistenţa echivalentă

pe care o vede sarcina între terminalele sale când „se uită” spre amplificator.

Pentru a găsi valorile acestor rezistenţe folosim modelul AO ca amplificator (Fig. 5.).

Se observă direct de pe schemă că Iv vede o întrerupere, adică =iR .

Pentru rezistenţa de ieşire determinăm curentul de mers în scurtcircuit, adică considerând

0=LR . În acest caz sursa de tensiune comandată este pusă în scurtcircuit, ceea ce înseamnă un curent

infinit prin sursă, =scOi .

0=

==gol

sc

go l O

O

O

o

v

i

vR

Aşadar din punct de vedere al rezistenţelor de ieşire amplificatorul neinversor cu AO este un

amplificator ideal, =iR şi 0=oR .

Revenind la amplificatorul iniţial din Fig. 4.a) nu ne putem stăpâni să punem întrebarea: „Cum

lucrează acest amplificator dacă una sau ambele rezistenţe iau pe rând sau în acelaş timp valori

extreme, adică 0 sau ?” Răspunsul îl aflăm analizând fiecare caz în parte, mai întâi existenţa RN

iar mai apoi amplificarea.

De exemplu dacă 01 =R , intrarea inversoare va fi legată la masă, potenţialul −v fiind fixat la

0V, nemaifiind influenţat de valoarea Ov . Astfel nu mai există RN, circuitul devenind un comparator

simplu.

Nu răpim cititorului bucuria descoperirii pentru celelalte cazuri, arătând doar situaţia din

Fig. 6. în care =1R şi 02 =R .

Fig. 5. Amplificator neinversor. Modelul pentru variaţii.

+

-

5

Amplificarea în tensiune rezultă unitară 1=vA , deoarece OI vvvv === −+, unde +v şi −v sunt

potenţialele intrărilor AO. Deoarece întreaga tensiune de ieşire este adusă la intrarea inversoare

spunem că circuitul are RN totală.

În mod uzual circuitul este numit repetor de tensiune deoarece ieşirea repetă tensiunea de

intrare. În ciuda faptului că nu există amplificare în tensiune, avem o amplificare infinită în curent,

deoarece curentul absorbit din sursă este zero pe când o sarcină conectată la ieşire poate absorbi un

curent important furnizat de AO. Repetorul de tensiune se foloseşte ca etaj tampon pentru a conecta

o sursă (sau ieşirea unui circuit electronic) cu rezistenţa de ieşire mare (poate debita curent redus) cu

o rezistentă de sarcină scăzută (care solicită curent mare).

2. Amplificator inversor

Schema electrică a amplicatorului inversor este arătată în Fig. 7. Sursa de intrare Iv este aplicată

înspre intrarea inversoare prin rezistorul 1R . Intrarea neinversoare este legată la masă.

Circuitul are RN deoarece potenţialul la intrarea inversoare depinde de Iv dar şi de Ov prin

divizorul 21 RR − .

Pentru deducerea amplificării determinăm expresia Dv . Pe Fig. 8.a) deoarece nu circulă curent

prin intrările AO avem:

0=+v ; OI vRR

Rv

RR

Rv

21

1

21

2

++

+=−

0021

2

21

2 =+

−+

−=−= −+OID v

RR

Rv

RR

Rvvv

Rezultă valoarea amplificării în tensiune pentru configuraţia inversoare:

+

-

Fig. 6. Repetor cu AO

Fig. 7. Amplificator inversor

+

-

Fig. 8.a) Analiza amplificatorului inversor; b) CSTV

a) b)

0

+

-

masă

virtuală

6

1

2

R

R

v

vA

I

Ov −==

O alternativă pentru înţelegerea funcţionării circuitului poate fi următoarea. Deoarece 0=Dv ,

rezultă −+ = vv . Cum 0=+v , intrarea neinversoare fiind legată la masă, rezultă 0=−v . Deoarece

punctul de conexiune al intrării inversoare şi al rezistoarelor are potenţialul egal cu cel al masei, fără

a fi fizic conectat la masă se numeşte punct de masă virtuală. Am reprezentat grafic acest lucru prin

conectarea acestui punct la masă cu linie întreruptă pe Fig. 8.a)

Prin 1R şi 2R trece acelaşi curent, 21 ii = .

1

1

0

R

vi I −= ;

2

2

0

R

vi O−=

21 R

v

R

v OI −=

1

2

R

R

v

vA

I

Ov −==

Semnul minus arată caracterul inversor al amplificatorului, adică la o creştere (scădere) a Iv

avem o scădere (creştere) a Ov .

CSTV reprezentată în Fig. 7.b) trece prin origine, are panta negativă

−

1

2

R

R în regiunea activă

şi este limitată de tensiunile de saturaţie ale AO.

• Rezistenţele de intrare şi ieşire

Din Fig. 8.a) se observă cu uşurinţă că sursa Iv vede când se uită la circuit doar rezistenţa 1R ,

datorită punctului de masă virtuală de la intrarea neinversoare. 1RRi =

În comparaţie cu amplificatorul neinversor la care 0=iR , pentru amplificatorul inversor avem

o rezistenţă mai mică de intrare. Uzual aceasta este de ordinul K , zeci de K . Dacă într-o aplicaţie

se solicită o rezistenţă mare de intrare vom folosi conexiunea neinversoare.

Rezistenţa de ieşire rezultă ca şi la amplificatorul neinversor de valoare nulă, 0=oR .

IV. EXERCIŢII PREGĂTITOARE

P1. Amplificatorul neinversor P1.1. Cronograme. Saturaţia amplificatorului.

În acest paragraf se are în vedere schema din Fig. 9.

a)

• Ce valoare are amplificarea în tensiune, AV?

• Cum arată vO(t) pentru vI(t) sinusoidală cu frecvenţa de 1KHz şi amplitudinea de 1V? Dar pentru

amplitudinea de 2V?

b)

• Ce valoare are AV, dacă R- devine 44K?

• Cum arată vO(t) pentru R- =44K şi vI=2sin21000t [V],[Hz] ?

c)

• Tensiunea de alimentare a circuitului se schimbă la 10V .

• La ce valoare a tensiunii de ieşire apare saturaţia AO?

7

• Cum arată vO(t) în acest caz pentru R- =22K?; vI=sin21000t [V],[Hz] ?

P1.2. Caracteristica statică de transfer în tensiune (CSTV)

• Cum arată CSTV pentru circuitul din Fig. 9.?

• Cum se modifică CSTV dacă R- devine 44K?

• În ce domeniu poate lua valori vO?

P2. Amplificatorul neinversor P2.1. Cronograme

• Ce valoare are amplificarea în tensiune pentru circuitul din Fig. 10.?

• Care este cronograma tensiunii vO, dacă vI este sinusoidală cu frecvenţa de 1KHz şi amplitudinea

de 1V? Dar pentru amplitudinea vI de 2V?

• Dacă R=0, R- = , care este valoarea amplificării în tensiune?

P2.2. Caracteristica statică de transfer în tensiune (CSTV)

• Cum arată CSTV pentru circuitul din Fig. 10.?

• Cum se modifică CSTV dacă R- =44K?

P3. Amplificatorul inversor cu alimentare unipolară P3.1. Cronograme și CSTV

• Care este valoarea amplificării în tensiune pentru circuitul din Fig. 10, dacă alimentarea negative

se înlocuiește cu 0 (alimentare unipolară)?

• Pentru circuitul din Fig. 11, cum arată vO(t), pentru vI(t) sinusoidală cu frecvenţa de 1KHz şi

amplitudinea de 0.5V? Dar pentru amplitudinea vI de 1V?

• Care este rolul condensatorului C2?

• Care sunt valorile amplificării în tensiune în ca și cc?

𝐴𝑣,𝑐𝑎 = 𝑣𝑜

𝑣𝑖 , 𝐴𝑣,𝑐𝑐 =

𝑉𝑂

𝑉𝐼

• Cum arată CSTV pentru circuitul din Fig. 11.?

• În ce domeniu poate lua valori vO?

V. EXPERIMENTARE ŞI REZULTATE

1. Amplificatorul neinversor 1.1. Cronograme. Saturaţia amplificatorului.

a)

Experimentare

Se construiește schema din Fig. 9.

• vI(t) semnal sinusoidal cu frecvenţa de 1KHz de la generatorul de semnale.

• Cu osciloscopul calibrat, în modul de lucru Y-t, se vizualizează vI(t) şi vO(t) pentru valorile de

1V, respectiv 2V ale amplitudinii vI.

Rezultate

• Cronogramele tensiunilor vI(t) şi vO(t) pentru amplitudini ale vI de 1V şi de 2V.

• De pe cronograma corespunzătoare amplitudinii de 2V a vI, deduceţi domeniul în care poate lua

valori vI astfel încât AO să nu intre în saturaţie (semnal de ieşire maxim nedistorsionat).

8

R-

22K

R

220K

vI

vO

+15V

-15V

Fig. 9. Amplificator neinversor

b)

Experimentare

• Se modifică valoarea lui R- la 44K ( prin înserierea a două rezistenţe de 22K).

• Se vizualizează vI(t) şi vO(t) pentru vI(t)= 2 sin21000t [V], [Hz].

Rezultate

• Cronogramele vI şi vO.

• Ce valoare are amplificarea în tensiune?

c)

Experimentare

• Se modifică tensiunea de alimentare la 10V.

• Se vizualizează vI(t) şi vO(t) pentru vI(t) - tensiune sinusoidală cu frecvenţa de 1KHz şi

amplitudinea de 1V; R-=22K.

Rezultate

• Cronogramele vI(t) şi vO(t).

• Cum influenţează valoarea tensiunii de alimentare domeniul în care poate lua valori vO?

1.2. Caracteristica statică de transfer în tensiune (CSTV)

Experimentare

Se foloseşte circuitul din Fig. 9.

• vI=5sin 2500t [V], [Hz] de la generatorul de semnale.

• Cu osciloscopul calibrat, în modul de lucru Y-X se vizualizează vO (vI).

• Se modifică valoarea lui R- la 44K prin legarea în serie cu rezistenţa de 22K a unei rezistenţe

de aceeaşi valoare (22K).

• Se vizualizează vO(vI).

9

Rezultate

• Graficele CSTV pentru R- = 22K şi pentru R- = 44K.

• Care sunt valorile maximă, respectiv minimă pe care le poate lua vO?

2. Amplificatorul inversor

2.1. Cronograme

Experimentare

Se construiește circuitul din Fig. 10.

• vI(t) = sin 21000t V,Hz, de la generatorul de semnale.

• Cu osciloscopul calibrat în modul de lucru Y-X, se vizualizează vI(t) şi vO(t).

• Se repetă vizualizările şi pentru amplitudinea vI de 2V.

Se desenează circuitul ce rezultă din scurtcircuitarea rezistenţei R (R=0) şi înlăturarea

rezistenţei R- (R- =). • Cu aceeaşi vI ca mai sus se vizualizează vI(t) şi vO(t).

Rezultate

• Graficele vI(t) şi vO(t) pentru amplitudinile de 1V, respectiv de 2V ale vI cu R=220K şi R-

=22K,

• Graficele vI(t) şi vO(t) pentru R=0, R- =. • Care este valoarea amplificării în tensiune și cum se mai numește acest circuit?

2.2. Caracteristica statică de transfer în tensiune (CSTV)

Experimentare

Se foloseşte circuitul din Fig. 10.

• Se oscilografiază pe rând două CSTV vO(vI) pentru două valori ale R- : 22K, respectiv 44K.

R

220K

KKK R-

22K

vI

vO

+15V

-15V

Fig. 10. Amplificator inversor

10

Rezultate

• Graficele CSTV pentru R- =22K şi pentru R- =44K.

• Care sunt valorile tensiunii de ieşire la care apare saturaţia AO?

3. Amplificatorul neinversor cu alimentare unipolară 3.1. Cronograme

Experimentare

• Pentru circuitul din Fig. 10, se înlocuiește alimentarea negativă cu conexiune la GND.

• vI(t) = 0.5sin1000t V,Hz

• Cu osciloscopul calibrat, în modul de lucru Y-t se vizualizează vI (t) şi vO(t). Care alternanță a

tensiunii de intrare este amplificată?

Se construiește circuitul din Fig. 11.

• vI(t) = 0.5sin1000t V,Hz

• Cu osciloscopul calibrat, în modul de lucru Y-t și ambele canale setate pe DC, se vizualizează

vI (t) şi vO(t).

• vI(t) = 1sin1000t V,Hz

• Cu osciloscopul calibrat, în modul de lucru Y-t și ambele canale setate pe DC, se vizualizează

vI (t) şi vO(t).

• Cu osciloscopul calibrat în modul de lucru X-Y, se vizualizează CSTV vO(vI).

Rezultate

• Graficele vI(t) şi vO(t) pentru amplitudinile de 0.5V, respectiv de 1V ale vI

• CSTV vO(vI).

BIBLIOGRAFIE

1. Oltean, G., Dispozitive și circuite electronice. Dispozitive electronice, Risoprint, Cluj-Napoca,

ISBN 973-656-433-9, 316 pag, 2003, retipărită în 2004

2. http://www.bel.utcluj.ro/dce/didactic/de/

3. Miron, C., Introducere în circuitele electronice, Ed. Dacia, Cluj-Napoca,1983.

4. Dascălu, D., Dispozitive şi circuite electronice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti,1982.

+15V

3

2

7

6 +

-

vO

R3

R- C2

R

R4 vI

220k

Fig. 11. Amplificator inversor cu alimentare unipolară

22k 220 n

10k

10k