Amplificatoare operationale

AMPLIFICAREA. AMPLIFICATOARE

- 45 -

1.4. Amplificatoare operaţionale.

1.4.1. Introducere.

Amplificatoarele operaţionale AO reprezintă o categorie de

circuite analogice amplificatoare cu performanţe deosebite.

Denumirea are o justificare istorică fiind datorată faptului că au fost

create şi utilizate pentru realizarea unor operaţii matematice în

calculatoarele anlogice. Primele tipuri de AO aveau componente

discrete şi performanţe relativ modeste. Tehnologia circuitelor

integrate a condus la variantele actuale de AO care au performanţe

spectaculoase.

Un AO integrat este un circuit integrat monolitic care conţine

tranzistoare, diode, rezistoare şi condensatoare realizând:

O amplificare în tensiune de valoare ridicată : în buclă

deschisă, în regiunea liniară de funcţionare: 640 1010 A ;

O impedanţă de intrare foarte mare : 156 1010inZ ;

O impedanţă de ieşire foarte mică : 32 1010ieşZ ;

O bandă de trecere începând din curent continuu şi cuprinsă

uzual între HzHz 6100 ;

Două intrări şi o ieşire pentru semnal: intrarea neinversoare la

care un semnal aplicat este regăsit la ieşire cu aceeaşi fază şi

intrarea inversoare la care acelaşi semnal aplicat este regăsit

la ieşire defazat cu ;

Un raport semnal zgomot foarte bun în procesul de amplifi-

care ;

Sensibilitate deosebită la intrare : efV68 1010 ;

Consum redus de putere şi alimentare la tensiuni joase V12

În fig.1.22 este prezentată schema bloc a unui AO. Aceasta

conţine trei blocuri distincte, fiecare putând fi constituit din unul sau

mai multe etaje de amplificare realizate cu tranzistoare.

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II)

- 46 -

Fig.1.22. Schema bloc a unui AO : AD-amplificator diferenţial de

intrare ; AI -amplificator intermediar ; AE - amplificator de ieşire.

Blocul de intrare, (AD), este un amplificator diferenţial numit

astfel deoarece amplifică diferenţa semnalelor

inV şi

inV . Acesta

este cel mai important bloc realizând o amplificare ridicată în condiţii

de derivă minimă şi un raport semnal-zgomot favorabil. Blocul de

intrare, prin structura sa , permite şi amplificarea semnalelor de curent

continuu , fapt extrem de important în multe aplicaţii. Blocul

intermediar, (AI), are rol de adaptare spre blocul de ieşire, (AE), care

trebuie să asigure curenţi tipici de ordinul zecilor de miliamperi. O

particularitate a AO este alimentarea cu tensiune simetrică faţă de

masă astfel încât atât tensiunile de intrare cât şi tensiunea de ieşire pot

fi pozitive sau negative. În fig.1.23 se prezintă simbolul AO în care

sunt figurate bornele de conexiune principale. (Toate tensiunile sunt

aplicate faţă de masa comună ; AO nu are de regulă bornă de masă).

Fig 1.23. Simbolul AO cu principalele borne de conexiune.

IN- -intrarea inversoare ; IN

+- intrarea neinversoare; E - ieşirea; +Vcc ,

bornă alimentare cu tensiune pozitivă; - Vcc , bornă de alimentare cu

tensiune negativă.


- 47 -

1.4.2. Mărimi caracteristice AO .

1) Amplificarea.

Pentru un AO tensiunea de ieşire este de forma:

000 DMCMCd VVAVAV ( 1.88 )

unde :

0A reprezintă amplificarea diferenţială pe modul diferenţial şi

simetric de excitaţie în buclă deschisă ;

MCA reprezintă amplificarea pe mod comun de excitaţie în buclă

deschisă ;

dV reprezintă tensiunea de excitaţie pe modul diferenţial şi

simetric de excitaţie ,

inind VVV (1.89)

MCV este tensiunea de excitaţie pe modul comun de excitaţie ;

2/

ininMC VVV (1.90)

0DV este o tensiune de decalaj care apare la ieşire când tensiunile

de intrare sunt nule.

Neliniaritatea amplificării este definită ca abaterea maximă a

tensiunii de ieşire faţă de răspunsul liniar ideal : dVAV 00 ,

măsurată pe întreg domeniul de variaţie al dV .


- 48 -

Fig.1.24. Caracteristica de transfer a unui AO.

2) Factorul de rejecţie a modului comun , CMR, este definit ca :

MCA

ACMR 0 (1.91)

Acest factor se exprimă de obicei în dB :

MCA

AdBCMR 0log20 (1.92)

CMR nu are o valoare constantă ci este o funcţie neliniară de

tensiunea de mod comun şi variază cu temperatura. Concluzia este că

trebuie specificate clar condiţiile în care este măsurat. Trebuie

menţionat că măsurătorile indică o scădere a CMR cu creşterea

frecvenţei de lucru AO.

3) Tensiunea de decalaj la ieşire , 0DV , se raportează de obicei

la intrare pentru a putea fi comparată cu mărimea de intrare ce


- 49 -

urmează a fi amplificată. 0DV poate fi considerată ca o perturbaţie în

cazul amplificării tensiunilor continue. Se determină o tensiune DV

care, aplicată pe una din intrări, cealaltă intrare fiind conectată la

masă, conduce la anularea tensiunii de decalaj 0DV . Această tensiune

se numeşte de decalaj sau offset (în limba engleză-aducere la zero) la

intrare. Tensiunea de offset depinde de temperatură şi pentru o

funcţionare corectă AO trebuie adus la zero periodic.

Valori tipice: mVVD 31 cu o derivă termică de ordinul CV 0/10 .

4) Curentul de polarizare la intrare, BI , este valoarea medie a

curenţilor de intrare:

BI -curentul în intrarea neinversoare,

BI -

curentul în intrarea inversoare (curenţi care sunt capabili să aducă

ieşirea la zero)

2

BBB

III (1.93)

Valori tipice :

la AO cu tranzistoare bipolare TB în etajul de intrare:

nAI B 10010 ;

la AO cu tranzistoare cu efect de câmp (TEC) în etajul de intrare :

pAI B 101 .

5) Curentul de decalaj la intrare , 0I , este diferenţa curenţilor

de polarizare la intrare când tensiunea de ieşire devine nulă.

BB III0 (1.94)

Valori tipice :

la AO cu TB : nAI 10005,00 ;

la AO cu TEC: pAI 1005,00 .


- 50 -

Observaţii importante:

a)Tensiunea de offset , curenţii de polarizare la intrare şi curentul

de decalaj se schimbă cu temperatura , adică suferă un fenomen de

"drift". Acest element concură la principalele erori introduse de AO în

aplicaţii de precizie. Driftul este neliniar în raport cu temperatura şi

evoluează când are loc o abatere faţă de temperatura de lucru a

laboratorului de cca 25C. De obicei producătorii de AO indică driftul

la două temperaturi extreme HT şi LT (temperatura înaltă şi respectiv

joasă) de funcţionare. Suma celor două drifturi trebuie să fie mai mică

decât rata specificată în CV 0/ sau CnA 0/ .

b) Tensiunea de offset, curenţii de polarizare şi curentul de decalaj

suferă o modificare şi datorită timpului de funcţionare a AO.

Componentele electronice suferă o îmbătrânire care conduce la

alterarea funcţionării acestora.

6) Impedanţa de intrare.

Impedanţa diferenţială de intrare este definită ca impedanţa între cele

două intrări la 250C în condiţiile unei tensiuni de ieşire nulă. Ca

schemă echivalentă aceasta poate fi modelată de un rezistor de valoare

ridicată în paralel cu un condensator de valoare redusă

pFCRex dd 110. 9 .

Impedanţa de mod comun se defineşte ca fiind impedanţa între

fiecare intrare şi masa tensiunilor de alimentare a AO la C025 .

Schema echivalentă poate fi modelată la fel ca la impedanţa

diferenţială. Impedanţa de mod comun este o funcţie neliniară de

temperatură şi de tensiunea de mod comun. În raport cu temperatura

suferă o scădere la creşterea acesteia (ex. la AO cu TEC în intrare

impedanţa de mod comun scade la jumătate la fiecare creştere a

temperaturii cu C010 ).

7) Factorul de rejecţie al tensiunilor de alimentare, SVR (în

limba engleză supply voltage rejection) reprezintă raportul dintre

variaţia tensiunii de alimentare care antrenează o anumită variaţie a


- 51 -

tensiunii de ieşire şi o variaţie de tensiune aplicată între intrări pentru

a anula (contracara) modificarea tensiunii de ieşire,adică pentru a

readuce tensiunea de ieşire la valoarea avută înainte de variaţia

tensiunii de alimentare.

Valori tipice: 90 ÷ 110 dB

8) Viteza de variaţie a semnalului de ieşire, SR, (în limba

engleză slew rate) reprezintă viteza maximă de variaţie a semnalului

de ieşire la aplicarea unui semnal treaptă de nivel mare la intrarea AO.

dt

dVSR 0 (1.95)

Valori tipice : 0,11000V/s.

Fig.1.25 Comportarea AO la aplicarea unui semnal de intrare

tip trea


- 52 -

Mărimile notate în fig. 1.25 reprezintă:

t0 - timpul mort este timpul din momentul aplicării impulsului la

intrare până ce răspunsul creşte la 10% din valoarea maximă;

td - timpul de întârziere reprezintă timpul după care răspunsul

creşte la 50% din valoarea finală;

tr - timpul de creştere reprezintă intervalul de timp în care

răspunsul creşte de la 10% la 90% din valoarea finală;

tp - timpul de atingere a supracreşterii ,P0;

ts - timpul de stabilizare reprezintă timpul după care valoarea

răspunsului diferă cu 2% faţă de valoare finală de regim staţionar

V0.

9) Caracteristica de frecvenţă .

La AO sunt definite trei frecvenţe caracteristice:

fS -frecvenţa corespunzătoare funcţionării în regim sinusoidal şi la

semnal mic pentru care amplificarea în buclă deschisă se reduce cu

3dB faţă de valoarea maximă.

Valori tipice : 700kHz1MHz.

Fig.1.26. Caracteristica de frecvenţă la AO.

fu - frecvenţa corespunzătoare amplificării unitare (Au=0dB).

Valori tipice : 510MHz.

f0max -frecvenţa maximă corespunzătoare unui semnal sinusoidal

aplicat la intrare pentru care se obţine tensiunea de ieşire maximă

nedistorsionată.


- 53 -

10) Factorul de zgomot ,F, este definit prin :

I

R

P

PF

0

0 (1.96)

unde RP0 este puterea de ieşire de zgomot a amplificatorului şi IP0

puterea de ieşire a amplificatorului ideal, lipsit de zgomot. Alegerea

AO privind zgomotul propriu este extrem de importantă în aplicaţiile

de prelucrare a semnalelor slabe. De obicei sursele de semnal cu

impedanţă ridicată provoacă un zgomot mare la intrare care se

sumează cu zgomotul propriu al AO. Există şi zgomote captate în

amplificator prin cuplaj inductiv sau capacitiv : prin firele de

conexiune, prin sursele de alimentare sau terminalele de ieşire. Se iau

măsuri pentru reducerea influenţei acestora prin: ecranarea AO şi a

conductoarelor de semnal , decuplarea alimentărilor cu condensatoare

cât mai aproape de terminalele amplificatorului, utilizarea unor filtre

de bandă, de regulă trece-jos, care să reducă ponderea zgomotelor în

spectrul amplificat.

Temperatura este foarte importantă pentru mărimea zgomotului

generat. Creşterea acestuia înrăutăţeşte raportul semnal/zgomot.

11) Temperatura de funcţionare, Ta. AO sunt produse pentru a

acoperi diferite domenii de aplicaţii din punct de vedere al

temperaturilor de funcţionare în care parametrii nu se schimbă

semnificativ.

domeniul comercial (bunuri de larg consum) Ta = 0700C ;

domeniul profesional (industrial) Ta = -25C 850C ;

domeniul militar Ta = -550C 125

0C.


- 54 -

1.4.3. Amplificatorul operaţional ideal.

În cele mai multe analize AO este considerat un dispozitiv ideal.

Intrările sunt reprezentate prin două fire care se termină în gol, iar

ieşirea este conectată la o sursă de tensiune a cărei valoare este dată de

relaţia:

inin VVV0 (1.97)

Fig.1.27. Schema echivalentă a unui AO ideal.

Proprietăţile AO ideal .

1. Impedanţă de intrare infinită. Pe schema echivalentă firele din

intrare se termină în gol,deci nu vor exista curenţi de intrare.Această

proprietate este satisfăcută bine de AO real cu tranzistoare TEC de

intrare.

2. Impedanţă zero la ieşire. Terminalul de ieşire fiind comandat de o

sursă de tensiune cu impedanţă internă nulă va avea în el o impedanţă

nulă.

3. Amplificare infinită. Prin definiţie, pentru un AO ideal :

inin VV

V0 (1.98)

4. Amplificare zero de mod comun. Amplificarea de mod comun este

definită ca raportul dintre tensiunea de ieşire şi cea de intrare când pe


- 55 -

ambele terminale de intrare sunt aplicate tensiuni identice. Prin

definiţie, la AO ideal amplificarea de mod comun este zero.

5. Bandă de trecere infinită. În schema echivalentă neexistând element

care să stocheze energia AO va răspunde din curent continuu până la

frecvenţe oricât de ridicate.

6. Tensiune de offset la intrare nulă. Legând bornele de intrare la masă

tensiunea de ieşire este nulă.

7. Curent nul de polarizare la intrare.

8. Zgomot echivalent la intrare zero. Nu există zgomot la ieşirea

circuitului când bornele de intrare sunt legate la masă.

Reguli de bază la analiza AO ideal.

RI. În intrările AO nu circulă curenţi. Aceasta este o

consecinţă a impedanţei de intrare infinită.

RII. Tensiunile pe terminalele de intrare sunt egale.

inin VV .

Aceasta este o consecinţă a reacţiei negative în circuitele cu AO

la care o parte din tensiunea de ieşire este aplicată direct sau indirect

pe intrarea inversoare prin elemente ajutătoare.

Pentru ca ieşirea AO să fie la o valoare de tensiune finită (să nu se

ajungă la saturaţie)

inV trebuie să fie egal cu

inV . AO este un circuit

activ care îşi ajustează mereu valoarea tensiunii de ieşire până când

inV devine egal cu

inV pentru orice configuraţie de circuit (atâta

timp cât funcţionează reacţia negativă şi AO nu se saturează).

RIII. Impedanţa de ieşire a AO este zero. AO poate comanda

orice sarcină.


- 56 -

1.4.4. Configuraţii de bază pentru AO ideal.

A. Amplificatorul neinversor.

Un semnal pozitiv aplicat la intrare produce o tensiune de ieşire

pozitivă. Există o rezistenţă de reacţie fR conectată între ieşire şi

intrarea inversoare care asigură o reacţie negativă cu efect de reducere

a amplificării.

Fig.1.28 a) Schema electrică a AO neinversor; b) Schema

echivalentă pentru AO ideal neinversor. Aplicând RI. se poate

scrie:

inin VV

(1.99)

Deoarece nu circulă curent în terminalele de intrare,

inV este

tensiunea pe iR produsă de tensiunea de ieşire :

00 V

RR

RR

RR

VRIV

if

ii

if

ifin

(1.100)

Trebuie observat că există reacţie negativă, deci se aplică regula II şi

inin VV :


- 57 -

if

iin

RR

RVV

0 (1.101)

sau :

i

f

i

if

IN R

R

R

RR

V

V

10 (1.102)

Concluzia este că AO în montaj neinversor are întotdeauna

amplificarea mai mare ca 1 pentru valori nenule ale rezistoarelor fR

şi iR .

B. Repetorul.

Repetorul este un amplificator neinversor particular care are

ieşirea conectată direct la intrarea inversoare. Dacă 0fR rezultă o

amplificare unitară. Schema unui repetor se prezintă în fig.1.29.

Fig.1.29. Schema electrică a unui repetor cu AO.

Acest montaj realizează o amplificare semnificativă în putere.


- 58 -

IN

ININ

R

VP

2

( 1.103)

0

2

00

R

VP ( 1.104)

0

2

2

00

R

R

V

V

P

P IN

ININ

(1.105)

Deoarece amplificarea în tensiune este 1, rezultă că INVV 0 şi

0

0

R

R

P

P IN

IN

(1.106)

AO având INR de ordinul 910 şi 0R de ordinul 210 rezultă

o amplificare în putere de ordinul 710 . Acesta este motivul pentru

care repetorul este folosit ca transformator sau adaptor de impedanţă

care poate cupla traductoare cu impedanţă foarte ridicată la sarcini de

impedanţă joasă.

C. Amplificatorul inversor.

În fig.1.30 se prezintă configuraţia AO ca amplificator neinversor.

Fig.1.30. a) Schema electrică a AO inversor;

b) Schema echivalentă a AO inversor ideal.


- 59 -

Fig.1.31. Reprezentarea circuitului intrare-ieşire a AO inversor.

Pentru a calcula amplificarea se aplică regulile stabilite anterior.

Existând reacţie negativă se aplică regula II

inin VV .

inV fiind egal cu zero, rezultă că 0

inV . Pentru că în intrări nu

circulă curent, înseamnă că fIN II .

i

fi

INiniininin R

RR

VVVRIVV

0 ( 1.107)

Dar 0

inV , deci :

iiINfiin RVRVRRV 0 (1.108)

i

fi

inR

RRVV 10 (1.109)

i

f

INR

RVV 0 (1.110)

La AO inversor amplificarea poate fi pozitivă sau negativă, mai

mare sau mai mică decât unitatea.

Trebuie de observat că la AO inversor intrarea neinversoare

conectată la masă conduce la micşorarea impedanţei de intrare până la


- 60 -

valoarea iR .

inV reprezintă o masă virtuală pentru că

inV este

conectat direct la masă.

D. Amplificatorul diferenţial.

Schema electrică a amplificatorului diferenţial cu AO este

prezentată în fig.1.312.

Fig.1.32.Schema electrică a amplificatorului diferenţial realizat cu

un AO.

4

42

2 RRR

VVin

( 1.111)

1

31

011111 R

RR

VVVRIVVin

(1.112)

Egalând ecuaţiile precedente se obţine:

1

1

32

142

4310 V

R

RV

RRR

RRRV

(1.113)


- 61 -

Pentru ca circuitul să rejecteze semnalele de mod comun (pentru

care 12 VV ) coeficienţii mărimilor 1V şi 2V din relaţia precedentă

trebuie să fie egali. Efectuând calculele algebrice rezultă condiţia :

3241 RRRR (1.114)

Cu această restricţie pentru valorile rezistoarelor circuitul va fi un

amplificator diferenţial adevărat. Tensiunea de ieşire este :

12

1

30 VV

R

RV (1.115)

Amplificarea este dată de raportul :

1

3

R

RAd (1.116)

Impedanţa de intrare diferenţială este :

21 RRRind (1.117)

Dacă condiţia (1.114) nu este satisfăcută amplificarea devine :

421

3214

RRR

RRRRACm

(1.118)


- 62 -

1.4.5. Aplicaţii principale ale AO .

a) Circuitul sumator .

Sumatorul cu AO este un amplificator inversor cu mai multe

intrări ca în fig.1.33.

Fig. 1.33. Schema unui sumator cu AO.

Tensiunea la ieşire va fi dată de relaţia:

n

n

ffffv

R

Rv

R

Rv

R

Rv

R

Rv ...3

3

2

2

1

1

0 (1.119)

Dacă se aleg valorile:

fn RRRRRR ...321 (1.120)

Atunci relaţia devine :

nvvvvv ...3210 (1.121)


- 63 -

Pentru a micşora dezechilibrul provocat de curenţii de intrare se

introduce rezistorul CR , între intrarea neinversoare şi masă, care

satisface relaţia :

nC RRRRR ...321 (1.122)

Pentru cazul satisfacerii condiţiei (1.120) rezultă :

n

RRC (1.123)

O aplicaţie directă a sumatorului este "mixarea semnalelor" cu

avantajul că fiecare semnal este amplificat independent fără a afecta

celelalte semnale.

Montajul sumator cu AO este folosit la realizarea convertorului

numeric - analogic, circuit de mare interes care va fi analizat în cap.4.

Se poate realiza şi un circuit sumator-scăzător ca în fig.1.34. care

conţine două AO în montaj inversor conectate în cascadă. La intrarea

inversoare a AO1 se aplică tensiunile de adunat, iar la intrarea

inversoare a AO2 se aplică tensiunea de la ieşirea lui AO1 care are

faza schimbată şi tensiunile care se scad. Formula de calcul a tensiunii

de ieşire este :

6543210 vvvvvvv

Fig.1.34. Schema unui circuit sumator-scăzător cu 2 AO.


- 64 -

b) Circuitul de integrare cu AO.

În fig. 1.35 se prezintă schema circuitului de integrare cu AO.

Intrarea inversoare fiind conform RII masă virtuală, curentul de intrare

este:

R

vi in (1.124)

Curentul i circulă şi prin condensator (conform RI) :

dt

dvCii C

0 (1.125)

Se obţine :

t

in vdtvRC

v

0

00 )0(1

(1.126)

Unde 00v este valoarea iniţială a tensiunii de ieşire.

Fig.1.35.Schema circuitului de integrare cu AO.


- 65 -

În fig.1.36. se prezintă acţiunea unui circuit integrator cu AO

asupra unui semnal de tip impuls negativ de tensiune cu condiţia

iniţială 00 v .

Fig.1.36. Integrarea unui impuls negativ prin montajul din fig.1.35.

Analizând funcţionarea circuitului de integrare cu AO se înţelege

importanţa reglării offsetului deoarece existenţa unui dezechilibru

între intrări conduce la intrarea amplificatorului în saturaţie. Se vor lua

măsuri de compensare a offsetului în funcţie de AO folosit. Se poate

de asemenea introduce o reacţie negativă prin introducerea rezistorului

suplimentar fR în paralel cu condensatorul.

Exemplu de constantă de timp tipică pentru un circuit de

integrare: sRC 01,0 cu elemente : KRFC 10,1 .

Circuitul va integra doar în domeniul 0ff deoarece doar acolo

fR nu contează fiind şuntată de reactanţa condensatorului C .

CR

fff2

10 (1.127)

Circuitul de integrare are o comportare de "filtru trece jos cu

amplificare".


- 66 -

c) Circuitul de derivare cu AO.

Acest circuit este prezentat în fig.1.37. Dacă se aplică RII, punctul

A este masă virtuală iar conform RI curentul Ci care circulă prin

condensator este acelaşi cu cel care străbate rezistenţa R .

iiC (1.128)

dt

dvCi in

C (1.129)

R

vi 0 (1.130)

Se poate scrie :

dt

dvRCv in0 (1.131)

Fig.1.37.Schema circuitului de derivare cu AO.


- 67 -

Din relaţia (1.30) se constată că prin acţiunea circuitului de

derivare realizat tensiunea de ieşire este proporţională cu viteza de

variaţie (derivata) semnalului aplicat la intrare.

În fig.1.38. se prezintă efectul aplicării unui circuit de derivare

asupra unui semnal dreptunghiular pozitiv de perioadă 0T .

Fig.1.38. Acţiunea unui circuit de derivare asupra unui semnal

dreptunghiular pozitiv.

Exemplu de constantă de timp tipică pentru un circuit de

derivare: msRC 1,0 cu elemente KRnFC 10,10 .

Se observă că amplificarea depinde de frecvenţă iar la frecvenţe

mari, datorită creşterii acesteia circuitul devine instabil.

Pentru creşterea stabilităţii se introduce o rezistenţă serie la

intrare care va limita amplificarea la frecvenţele la care reactanţa

condensatorului C devine neglijabilă, iar circuitul se comportă ca un

amplificator inversor. Trebuie deci ca frecvenţa semnalelor derivate să

satisfacă condiţia :

CR

ffa2

10 (1.132)

Circuitul de derivare are o comportare de filtru trece sus cu

amplificarea dată de raportul aR

R .


- 68 -

d) Redresorul de precizie.

În circuitele de măsurare a tensiunilor alternative mici nu pot fi

folosite redresoare simple cu diode deoarece tensiunile măsurate sunt

comparabile cu tensiunea de deschidere a diodelor (tipic 0,6V).

Redresoarele de precizie cu AO se bazează pe obţinerea unei

caracteristici de diodă ideală prin introducerea unei diode în bucla de

reacţie a amplificatorului care reglează automat căderea de tensiune la

bornele acesteia ,ca în timpul conducţiei să existe o dependenţă liniară

între tensiunea de intrare care se redresează şi tensiunea redresată,

pentru tensiuni mici de ordinul sutelor de microvolţi. În fig.1.39. se

prezintă un circuit de redresare monoalternanţă cu AO.

Fig.1.39. Circuit de redresare monoalternanţă cu AO.

În semiperioada pozitivă a tensiunii de intrare aplicate, inv , bucla

de reacţie negativă se închide, amplificatorul funcţionând ca repetor

de tensiune, iar tensiunea de ieşire 0v este identică cu inv . În

semiperioada negativă dioda D este polarizată invers, bucla de reacţie

se întrerupe, iar AO se saturează la CCV . Tensiunea de ieşire devine

nulă deoarece dioda D nu conduce. La acest montaj tensiunea minimă

de deschidere a redresorului de precizie, pv , este:

0A

Vv D

p (1.133)

unde DV este tensiunea de deschidere a diodei D iar 0A este

amplificarea AO în buclă deschisă.


- 69 -

Luând ca exemplu un amplificator cu 5

0 10A şi o diodă cu

siliciu cu VVD 6,0 rezultă o tensiune de deschidere de V6 ceea ce

reprezintă o performanţă.

Un dezavantaj major al circuitului prezentat este intrarea în

saturaţie a AO în semiperioada negativă a semnalului, fapt care reduce

frecvenţa maximă de funcţionare (la cca Hz310 pentru AO uzuale).

Dacă se utilizează schema de redresare din fig.1.40. se înlătură

intrarea în saturaţie a AO fapt care creşte frecvenţa de lucru. Este un

montaj inversor.

Fig.1.40. Circuit de redresare de precizie inversor.

Semnalul de ieşire în semiperioada negativă este :

invR

Rv

1

20 (1.134)

În semiperioada pozitivă AO are o reacţie negativă care limitează

tensiunea de ieşire la valoarea tensiunii de deschidere a diodei 2D , iar

tensiunea de ieşire 0v este nulă deoarece 1D nu conduce. AO nu mai

intră în saturaţie şi astfel frecvenţa de lucru a redresorului creşte de

cca 10 ori. (la 104Hz pentru AO uzuale).


- 70 -

În fig.1.41. se prezintă schema unui circuit de redresare

bialternanţă. AO1 funcţionează ca circuit de redresare monoalternanţă

iar AO2 este sumator şi inversează tensiunile inv şi 12v producând

tensiunea 0v cu valoarea medie pozitivă. Diagramele care descriu

funcţionarea sunt date în fig.1.42.

Fig.1.41. Circuit de redresare bialternanţă de precizie cu AO.

Fig.1.42.Diagramele de funcţionare ale redresorului din fig.1.41.


- 71 -

e) Convertorul tensiune-curent.

Acest tip de circuit, care se mai numeşte şi sursă de curent

comandată în tensiune, asigură o dependenţă liniară între o tensiune

de comandă şi curentul care trece prin impedanţa de sarcină,

independent de valoarea acesteia. Convertorul tensiune-curent poate fi

realizat în configuraţia neinversoare sau în configuraţia inversoare

având sarcina conectată cu un capăt fie la masă, fie la una din bornele

surselor de alimentare.

În fig. 1.43. se prezintă convertoare tensiune-curent cu sarcină

flotantă în cele două variante de amplificare.

Fig.1.43. Convertor tensiune-curent: a-cu amplificator inversor ;

b-cu amplificator neinversor.

Aplicând RI pentru cele două variante. Se poate scrie:

R

vi in

S (1.135)

ceea ce înseamnă că există o independenţă a curentului Si faţă de

impedanţa de sarcină SZ şi o liniaritate a acestuia faţă de tensiunea de

intrare, inv .

Practic trebuie de reţinut că la AO uzuale curentul de sarcină nu

poate depăşi mA10 , fapt dictat de puterea etajului de ieşire cu care

este echipat.


- 72 -

Pentru a realiza o extindere a curentului de ieşire se utilizează

montaje în care se introduc pe partea de ieşire tranzistoare bipolare sau

tranzistoare cu efect de câmp.

f) Convertorul curent-tensiune.

Există numeroase aplicaţii în care trebuie măsurate semnale de la

surse de curent (ex. celula fotoelectrică, fotodioda, diferite

traductoare). Cu AO se poate realiza direct o sursă de curent-tensiune

ca în fig.1.43.

Fig.1.43.Convertor curent-tensiune.

Dacă curentul de polarizare la intrare BI al AO este neglijabil

faţă de curentul măsurat i , atunci se poate scrie relaţia:

iRv 0 (1.136)

Pentru a se reduce zgomotul în circuit , de regulă se introduce un

condensator de reacţie negativă a cărui valoare se determină în funcţie

de frecvenţa maximă a curentului pe baza relaţiei:

CRf

Cmax102

1

(1.137)


- 73 -

1.4.6. Caracterizarea performanţelor unor AO reale .

Pentru o mai bună înţelegere a celor discutate despre

amplificatoarele operaţionale, se prezintă în continuare caracteristicile

unui AO real şi câteva aplicaţii ale acestuia. Caracteristicile şi

performaţele sale pot fi luate ca exemplu pentru AO actuale.

Amplificatorul operaţional LF156 National Semiconductor .

Seria completă este:

LF155/LF156/LF256/LF257/LF355/LF356/LF357 – tipurile diferă

prin capsulă, putere disipată, domeniul temperaturilor de funcţionare

şi o serie de performanţe electrice. Pentru simplificare vom prezenta

doar caracteristicile amplificatorului LF156. Schemele de utilizare

sunt identice pentru toate tipurile.

Descriere generală

Este un amplificator operaţional în structură monolitică care

conţine în intrare trazistoare TECJ (JFET) iar în etajele următoare

tranzistoare bipolare. Este caracterizat prin curenţi de intrare reduşi (<

30pA), curent de decalaj la intrare mic (< 3pA), impedanţă ridicată la

intrare (>1012

Ω), printr-o tensiune de offset mică şi o derivă extrem de

redusă cu temperatura. Are o rată mare de creştere (12V/μs), bandă

largă (5MHz) zgomot redus în funcţionare.

Aplicaţii principale:

Amplificatoare de bandă largă cu zgomot şi drift reduse.

Repetoare cu impedanţă foarte mare.

Integratoare de precizie.

Convertoare analog numerice şi numeric analogice de precizie

Amplificatoare logaritmice

Circuite de filtrare

Circuite de eşantionare şi memorare


- 74 -

Fig.1.45 Conectarea terminalelor.

Fig. 1.46 Schema electrică a AO tip LF156.

Caracteristici electrice principale . Simbol Marimea Condiţii de test Min. Typ. Max. U.M.

VD0 Tensiunea de offset TAmb=250C 3 5 mV

ID0 Curent de offset TAmb=250C 3 20 pA

IB Curent de polarizare TAmb=250C 30 100 pA

RIN Rezistenţa de intrare TAmb=250C 1012 Ω

Av0L Amplificarea la

semnal mare

Vcc = ±15V,

TAmb=250C

V0 = ±10V, RS = 2KΩ

50 200 V/mV

VCM Tensiunea de mod

comun

Vcc = ±15V ±

11V

+15,1

-12

V


- 75 -

CMMR Factorul de rejectie

a modului comun

85 100 dB

PSSR Factorul de rejectie

al alimentarilor

85 100 dB

ICC Curent de

alimentare

2 4 mA

SR Viteza de variatie 12 V/μs

AB Amplif.x banda 5 MHz

ts Timp stabilire La 0,01% 1,5 μs

en Tensiune de zgomot Rs = 100Ω,f = 100Hz 15 nV/√Hz

in Curent de zgomot F = 100Hz 0,01 pA/√Hz

CIN Capacitate de intrare 3 pF

Vcc Tensiuni de

alimentare

±15 ±20 V

Tamb Temp. ambianta -55 +125 0C

a. b.

c. d.


- 76 -

e. f.

g. h.

In figurile notate a-h sunt prezentate doar câteva dintre

caracteristicile furnizate de producător pentru proiectarea corectă a

circuitelor cu LF156. În funcţie de aplicaţia concretă trebuie studiate

performanţele circuitului şi identificată posibilitatea acestuia de a

funcţiona în parametrii impuşi.

Compensarea tensiunii de offset a circuitului se face prin

utilizarea unui potenţiometru de precizie conectat între două terminale

speciale şi tensiunea de alimentare pozitivă. Prin reglarea cursorului

atunci când intrările AO sunt conectate la masă se aduce tensiunea de

ieşire la zero. Trebuie alese potenţiometre cu un coeficient de


- 77 -

temperatură mai mic de 100 ppm/0C. Se poate obţine un drift tipic de

5μV/0C ± (0,5μV/

0C/mV ajustat).

Fig.1.47 Compensarea tensiunii de offset .

Aplicaţii ale AO tip LF156 .

1) Amplificator inversor de bandă largă.

În fig. 1.48 se prezintă un asemenea amplificator care are

amplificarea egală cu 10 , o bandă de frecvenţe de 500 kHz la un

factor de distorsiuni mai bun de 1%, asigurând o excursie a tensiunii

de ieşire de 20VVV.

Fig.1.48 Amplificator inversor de bandă largă .


- 78 -

2) Detector de vârf.

Acest circuit realizează redresarea şi memorarea valorii maxime a

unui semnal alternativ.

Fig.1.49 Detector de vârf .

3) Comanda sarcinilor capacitive.

Prin structura etajului de ieşire circuitul este capabil să comande

capacitaţi până la 10 nF cu un timp de stabilire de max..5μs. În figura

1.51 este prezentată o altă configuraţie cu performanţe mai mari.

Fig.1.50. Circuit de comandă al unor sarcini capacitive .


- 79 -

Fig.1.51 Izolarea unor sarcini capacitive mari .

4) Referinţă de tensiune de precizie.

Montajul asigură o stabilitate a tensiunii mai bună de

±0,002%/OC. Potenţiometrele şi rezistoarele sunt bobinate. P1

ajustează driftul, iar P2 tensiunea furnizată de circuit.

Fig. 1.52 Referinţă de tensiune de precizie


- 80 -

1.5. Amplificatoare speciale .

Există numeroase aplicaţii în care trebuie amplificate semnale

slabe de la surse diferite cu impedanţe specifice (de cele mai multe ori

foarte ridicate) în prezenţa zgomotelor externe şi a unor tensiuni mari

de mod comun. Pentru a realiza o amplificare corectă se utilizează

tipuri speciale de amplificatoare destinate câte unei categorii de

aplicaţii. În continuare se face o prezentare a celor mai importante

tipuri de amplificatoare speciale din care unele au în structură

amplificatoare operaţionale integrate sau sunt circuite hibride.

1.5.1. Amplificatoare de instrumentaţie (AI)

Amplificatoarele de instrumentaţie sunt amplificatoare cu intrare

diferenţială prevăzute cu reacţie negativă, cu o amplificare în tensiune

finită, precis determinată şi reglabilă 10001A , cu impedanţă de

intrare foarte ridicată 910inZ , cu un coeficient de rejecţie a

tensiunii de mod comun ridicat dBRMC 100 . Neliniaritatea AI este

mai mică de 0,01%.

Fig.1.53. Variantă simplă de AI cu trei AO.

În fig.1.53 se prezintă o variantă de AI cu trei AO în care AO1 şi

AO2 sunt repetoare, realizând o creştere semnificativă a impedanţei de


- 81 -

intrare, iar AO3 este un amplificator diferenţial care realizează

amplificarea propriu-zisă şi rejecţia de mod comun. O atenţie specială

trebuie acordată preciziei rezistoarelor folosite în montaj pentru a se

asigura condiţia de rejecţie. Dacă se completează schema din fig.1.53

cu câteva rezistoare se obţine un AI cu posibilitatea reglării

amplificării prin acţiunea unui singur rezistor.

Existând reacţie negativă se aplică RII pentru fiecare AO astfel

încât curentul care trece prin circuitul de reacţie Fi poate fi scris :

a

FR

vvi 21 (1.138)

Fig.1.54. AI cu trei AO cu posibilitatea reglării amplificării

dintr-un singur rezistor.

Ştiind curentul de reacţie se poate calcula tensiunea la ieşirea

fiecărui AO :

b

a

bFbF RR

vvvRivRivv

21

11101 (1.139)


- 82 -

a

b

a

b

R

Rv

R

Rvv 2101 1

(1.139 *)

c

a

cFcF RR

vvvRivRivv

21

22202

a

c

a

c

R

Rv

R

Rvv 1202 1

(1.140)

Pentru amplificatorul AO3 se foloseşte relaţia (1.113) în care se

introduc expresiile găsite pentru 01v şi 02v obţinându-se :

1

3

142

4311

1

3

142

43120

1

1

R

R

R

R

RRR

RRRRRv

RR

RR

RRR

RRRRRvv

a

bac

a

bac

(1.141)

Pentru ca amplificarea de mod comun să fie zero, coeficienţii

tensiunilor 1v şi 2v trebuie să fie egali, ceea ce conduce la condiţia :

3241 RRRR (1.142)

Din relaţia precedentă , identică cu (1.114) rezultă că amplificarea

de mod comun nu depinde de rezistenţele cba RRR ,, şi cu această

condiţie satisfăcută se obţine :

cba

a

RRRRR

Rvvv

1

3120 (1.143)


- 83 -

Amplificarea diferenţială devine:

cba

a

d RRRRR

R

vv

vA

1

3

12

0 (1.144)

Dacă se impune : cb RR rezultă :

a

bba

a

dR

R

R

RRR

RR

RA

212

1

3

1

3 (1.145)

Dacă se alege 31 RR rezultă :

a

bd

R

RA

21 (1.146)

Din ultima relaţie se constată că amplificarea diferenţială poate fi

modificată prin acţiunea asupra unei singure rezistenţe.

În fig.1.55. se prezintă schema unui AI la care amplificarea se

modifică, conform relaţiei precedente, prin varierea rezistorului aR .

Fig.1.55. Schema unui AI cu modificarea amplificării prin

varierea unui singur rezistor .


- 84 -

Utilizând AO LF156, prezentat anterior, se poate realiza un AI

conform specificaţiilor producătorului ca în fig.1.56.

Fig.1.56. Schema electrică a AI realizat cu 3 AO tip LF156 .

Schema electrică a AI cu trei AO se pretează foarte bine la

realizarea sub forma unui circuit integrat care să permită o utilizare

uşoară şi performantă. În fig.1.57 se prezintă circuitul integrat

specializat INA 101 produs de firma Burr-Brown. Acesta realizează

caracteristici deosebite. Modul de comandă al amplificării permite

reglarea automată a amplificării prin interfaţarea cu o reţea de

rezistoare programabilă numeric.


- 85 -

Fig.1.57. Amplificator de instrumentaţie de precizie INA 101

Burr-Brown. Caracteristici principale: tensiune de offset = 25 μV

max; drift tensiune de offset = 0,25μV/0C max; curent de intrare =

2nA, RMC = 106dB min/60 Hz ; impedanţa de intrare 1010

Ω;

protecţie pe intrare; neliniaritate redusă < 0,002%, domeniu larg

pentru tensiunile de alimentare între 2,25 şi 18V, zgomot redus =

13nV√Hz ;

1.5.2. Amplificatoare izolatoare (AII) .

AII se utilizează în două cazuri principale :

a) Semnalul care trebuie măsurat este suprapus peste tensiuni de

mod comun de valori ridicate, periculoase pentru utilizator sau

aparatura de măsurare şi prelucrare.

b) Semnalul supus amplificării este preluat de la fiinţe şi există

pericolul ca, prin distrugerea unor componente sau străpungerea unor

izolaţii electrice, tensiunea de alimentare să ajungă în intrare devenind

periculoasă pentru viaţa subiectului.

AII elimină cuplajul galvanic între partea de intrare şi partea de

ieşire. Transmiterea semnalului amplificat între cele două părţi se face

prin câmp electromagnetic, asigurându-se protecţia, fie a aparaturii de


- 86 -

măsură cuplată în ieşire (cazul a), fie a fiinţelor de la care se culege

semnalul (cazul b). AII sunt realizate în prezent mai ales sub formă de

circuite integrate, existând însă şi variante hibride. Etajul de intrare

este de tip amplificator de instrumentaţie şi este izolat de etajul de

ieşire prin transformator sau prin cuplaj optic (optocuplor). O altă

modalitate de separaţie este de a transmite semnalul amplificat prin

purtătoare radio la partea de înregistrare sau prelucrare.

Fig.1.58. Schema electrică a AII .

În montajele cu AII se remarcă trei tipuri de borne de masă

independente galvanic: masa circuitelor de intrare, masa pentru

alimentarea în curent continuu a circuitelor de ieşire, masa circuitelor

de alimentare din ieşirea amplificatorului. În fig.1.58 se prezintă

schema generală a unui amplificator de instrumentaţie izolator la care

nu este explicitat modul de transfer al semnalului din partea de intrare

spre ieşire, dar este arătat modul în care se face alimentarea în curent

continuu a părţii de intrare prin intermediul unui sistem de separaţie

cu transformator special.

Caracteristicile care definesc şi deosebesc un AII faţă de un AI

sunt :

1) Tensiunea de izolaţie, izV reprezintă tensiunea continuă care poate

fi aplicată în mod permanent în bariera de izolaţie în timpul utilizării

fără distrugerea circuitului (domeniu de valori uzual 400V5000V).


- 87 -

2) Tensiunea de test, TESTV reprezintă tensiunea continuă care

poate fi aplicată un timp scurt (0,15s) în bariera de izolaţie fără a

provoca străpungerea.

izTEST VVV 21000 (1.147)

3) Rejecţia modului de izolaţie , RMI arată dependenţa tensiunii

de ieşire de tensiunea existentă în bariera de izolaţie.

0

log20V

VRMI iz (1.148)

(Valorile uzuale ale RMI sunt de 120160dB)

4) Rezistenţa de izolaţie , izR este valoarea rezistenţei electrice a

barierei de izolaţie la aplicarea tensiunii continue în bariera de izolaţie

egală cu izV . (Valorile uzuale sunt : 1210izR )

5) Capacitatea barierei de izolaţie, izC reprezintă capacitatea

măsurată la aplicarea unei tensiuni în bariera de izolaţie egală cu izV .

(Valorile tipice sunt de 312pF)

Pentru un AII în configuraţie de AD tensiunea de ieşire poate fi scrisă

ca :

RMI

V

RMC

VV

R

RV izIC

ID

1

20 (1.149)

AII se realizează în prezent sub formă integrată. În fig. 1.59. este

prezentat circuitul Burr-Brown 3652 care realizează : 0,05%,

liniaritate, bandă de 15 kHz, SR = 1,2V/μs , tensiune de izolaţie de

2000V continuu , tensiune de test 5000V (10s) , rejecţia modului de

izolaţie mai bună de 140 dB.


- 88 -

Fig.1.59. Amplificatorul izolator integrat Burr-Brown 3652

utilizat la preluarea unor biopotenţiale.

Fig.1.60. Structura interna şi terminalele la AO 3652.

Documents

Amplificatoare operationale