Amplificatorul Operational

5/26/2018 Amplificatorul Operational

1/67

CAPITOLUL 4

AMPLIFICATOARE DE MSURARE. APLICAII

4.1. Noiuni fundamentaleUn amplificator este privit ca un cuadripol. Dacmrimea de ieire este de A orimrimea de intrare, unde A este o constant numit amplificare sau ctig atunciamplificatorul este linear. Existi relaii neliniare ntre intrare i ieire: spre exemplu laamplificatorul ptratic sau n cazul amplificatoarelor de logaritmare/antilogaritmare.

n cele ce urmeaz, prin "amplificator" ne vom referi la amplificatorul liniar. Funciede natura mrimilor de intrare i ieire distingem patru tipuri de amplificatoare :amplificatorul de tensiune (mrimile de intrare i de ieire sunt tensiuni, amplificatorul decurent (mrimile de intrare i ieire sunt cureni), amplificator de transconductan(mrimea de intrare este tensiunea iar cea de ieire curent) i amplificatorul detransipedan (mrimea de intrare este curent iar cea de ieire tensiune). ntruct

amplificatorul operaional este amplificator de tensiune, vom trece n revistprincipalelecaracteristici ale acestuia.

n figura 4.1 este reprezentat schema echivalent Thevenin pentru un lan deamplificare n tensiune ce cuprinde sursa de semnal Us cu rezistena intern Rs iamplificatorul, care are la intrare tensiunea Ui i furnizeaz la ieire tensiunea U0 pesarcina rezistivRL.

Us

RsUi Ri

SURSA SARCINAAMPLIFICATOR

R0AUi RL

U0

Fig.4.1. Lande amplificare n tensiune

S-a presupus c circuitul de intrare al amplificatorului nu conine surse de curentsau tensiune ci este pur rezistiv, de rezisten Ri. Circuitul echivalent de ieire alamplificatorului conine o surs de tensiune, AUi (reprezentatprintr-un romb deoareceeste dependent de o alt tensiune), i o rezisten serie de ieire R0. Amplificarea ntensiune a lanului este:

UU

RR R

RR R

Ai

i

s i

L

L

00

= + + U

UR

R RR

R RA

i

i

s i

L

L

00

= + +

(4.1)

Relaia (4.1) aratcputem face amplificarea globalindependentde sursi desarcindoar dacRi= i R0= 0. n acest caz, amplificarea lanului de amplificare devineegalcu amplificareaA, proprie amplificatorului. Un astfel de amplificator este ideal.

4.2. Amplificatoare operaionalen practic se construiesc amplificatoare integrate, numite amplificatoare

operaionale, ce realizeazo amplificare foarte mare. De exemplu, A 741, are valoareatipicpentru amplificare 200.000 iar un amplificator operaional construit mai recent, OP77are o amplificare tipicde 12.000.000.

104


2/67

n figura 4.2.a) se aratschema echivalent a unui amplificator operaional . Aredouintrri, una notatcu + numitintrare neinversoare i alta notatcu -, numitintrareinversoare. Prin urmare AO admite dou tensiuni la intrare : cea de la intrareaneinversoare a fost notatcu Upiar cea de la intrarea inversoare cu Uni o tensiune deieire, notatcu U0.

Diferena dintre Upi Un se numete tensiune diferenial de intrare Udi ea se

regsete pe rezistena diferenialde intrare rd. Schema echivalenta circuitului de ieireal amplificatorului operaional cuprinde sursa aUdunde aeste amplificarea de tensiune nbucldeschisa amplificatorului operaional i rezistena de ieire n bucldeschisr0.

-

+

Up Ud

Un

U0a.Ud

+

-

+Ip

UpUd r

Un In

U0

r0

a.Ud

+

b)a)

Fig.4.2. a) Model practic pentru amplificatorul operaional.Pentru A 741, rd2 M,a 200.000 i r0 75 . b) Model ideal pentru AO

Se poate scrie relaia :

(4.2)( )U a U a U U d p0 = = n

i

Deoarece a are valori mari rezult valori foarte mici pentru tensiunea Ud. Deexemplu, un amplificator operaional A 741, n bucldeschisi frsarcinla ieire aretensiunea de ieire U0= 6 V atunci cnd tensiunea diferenialeste Ud6/200.000 =30 V.

Se numete amplificator operaional ideal acel amplificator ce se bucur deurmtoarele proprieti:

a rd=

(4.3)Ip In= = 0

r

00=

n plus, amplificatorul operaional ideal prezint o band de frecven infinit.Schema echivalentpentru AO ideal este datn figura 4.2 b. Ne vom ocupa pe scurt decircuitele de baz realizate cu amplificator operaional: amplificatorul neinversor,amplificatorul inversor, repetorul, sumatorul, integratorul i difereniatorul.

Pentru schema de amplificator neinversor din figura 4.3.a) presupunem camplificatorul operaional nu are cureni de intrare (Ip= In= 0)

Atunci:, (4.4)U Up =

iar:

U U RR R

b Un= + = 01

1 20 , (4.5)

unde:

105


3/67

b R

R R=

+1

1 2 se cheamfactor de reacie. (4.6)

I0+

a.Ud

r0

R0Un-

R2

rd

R1

UdRi

U0

+Ii Up

U0

+-Ui

R1 R2

RiR0

Ui

a) b)

Fig.4.3. Amplificatorul neinversor

nlocuind n relaia 4.2 putem calcula amplificareaAa schemei:

A U

U b a b

a

a bi= =

+ =

+ 0 1 1

1 1 1 (4.7)

Din relaia (4.7) se observbine diferenele dintre amplificrileAi a: amplificareaAnumit i amplificare n bucl nchis reprezint amplificarea schemei de amplificatorneinversor ce are la intrare tensiunea Uii la ieire tensiunea U0, pe cnd amplificarea n

bucl deschis a se refer doar la amplificatorul operaional ce are la ieire aceeaitensiune U0 dar la intrare are tensiunea Ud. Produsul ab se numete ctigul buclei iartermenul 1+abeste factorul de reducere a amplificrii n bucldeschis.

n cazul utilizrii unui amplificator operaional ideal relaia (4.7) devine :

A Ab

R

Rideal

a b = = +

lim

11 2

1 (4.8)

Prin urmare, inversul factorului de reacie este amplificarea idealn buclnchis.Ne folosim de schema din figura 4.3.b pentru a calcula amplificareaA, rezistena de intrareR

i i rezistena de ieire R

0 a unei scheme de amplificator neinversor ce are n

componenun amplificator operaional real. Pentru aceasta notm Rp= R1R2rdiaplicnd legile lui Kirchhoff se obine :

A

R

R a

r

r

a

R r

R

r

R

d

p

=+ +

+ +

11

11

2

1

0

2 0 0

2

(4.9)

Toate amplificatoarele operaionale se construiesc cu r0 >> rd iar o schem bine

proiectat de amplificator neinversor trebuie s realizeze R1+R2>>r0 pentru aprentmpina ncrcarea excesiv a ieirii i R1R2


4/67

curenilor de intrare aiAO. Prin neglijarea unor termeni rezultai din restriciile de mai sus,relaia (4.9) poate fi pussub forma (4.7).

Problema 4.1. Un amplificator neinversor are n schema sa dou rezistoare deprecizie cu valorile R1= 30 ki R2= 120 k. Determinai valoarea minima lui aastfelnct deviaia maxima luiAfade valoarea idealsfie a) 1%i b) 0,001%.

Rezolvare:Amplificarea idealse determincu relaia (4.8).Aideal= 41.Din relaia (4.9) n care s-au fcut neglijrile impuse de r0= 0, rd= i relaia (4.8)

rezult:

Aideal

ideal

ideal

ideal

A A

A

A

a A=

=

+ (4.10)

Dupnlocuire gsim : a) a= (102 -1).41 = 4059 , b) a= (105- 1).41=4099959.Pentru a determina expresia lui Riconsiderm schema din Fig.4.3b n gol i scriem relaiile

RU

Ii

i

i

=

U U U U r I n i d i d = = i (4.11)I I Ii R+ =2 1R:

Dupnlocuire se obine :

( )R ra

R r

R

R R r

R R ri d= ++

+

+ +

+ +11 2 0

1

1 2 0

1 2 0 (4.12)

Introducnd restriciile impuse de o bun proiectare a amplificatorului neinversor,restricii enunate mai nainte, se obine :

(4.13)(R r a bi d + 1 )

Prin urmare, reacia mrete rezistena de intrare de un numr de ori egal cufactorul de reducere a amplific

rii n bucl

deschis

.

Rezistena de ieire R0se calculeazconsidernd intrarea n scurtcircuit:

U U UR r

R r

R r

R r Rd n

d

d

d

d

= =

++

+

0

1

1

1

12 (4.14)

( )( )

I I IU aU

r

U R r

R r R R rr R

d

d

d

d d

00 0 1

1 2 10 2

= + =

+ +

+ +

De unde rezult:

( )( )R

U

I

r

R r

R r R R ra

r R r

R r

d

d d

d

d

00

0

0

1

1 2 1

0 1

1

1= =

+

+ + +

+

(4.15)

107


5/67

Considernd ca mai sus, c amplificatorul neinversor este bine proiectat, relaia

(4.15) se reduce la :

Rr

a b0

0

1

+ (4.16)

Relaia (4.16) arat camplificatorul neinversor are rezistena de ieire mai micdect rezistena de ieire a amplificatorului operaional de un numr de ori egal cu factorulde reducere a amplificrii n bucldeschis.

Dac n relaia (4.8) considerm R2 = 0 i R1 = , amplificatorul neinversor setransformntr-un repetor de tensiune. n practicrepetorul de tensiune se realizeazprinndeprtarea total a rezistorului R1 i scurtcircuitnd ieirea cu intrarea inversoare aamplificatorului operaional.

Problema 4.2. Un amplificator neinversor este realizat cu A 741 (rd= 2 M, r0=

75,a= 200.000). Determinai : Rii R0pentru cazurileA= 1 iA= 1000.Rezolvare. PentruA= 1 rezult1+ab 200.000, Ri21o62105= 400 G, R0 =75/(2105)0,375 m.

Pentru A = 1000 rezult: 1+a.b = 201, Ri400 M, R00,375 .

Problema 4.3. Se realizeazun repetor de tensiune cu un amplificator operaionalde slabcalitate n ceea ce privete rezistenele de intrare i ieire (rd= 1 k, rd= 10 k)dar cu o amplificare n bucldeschismare (a= 106). DeterminaiA, Rii R0i comparaivalorile obinute cu cele din problema precedent.

Amplificatorul inversor are schema datn figura 4.4.

a.Ud

Un

Up+

-

+r0

Ud

rd

Rn

R2

U0R0

-+

Ui

R1 R2

RnRi

I

U0

a)

Fig.4.4. Amplificatorul inversor

Presupunnd c nu exist curent de intrare n amplificatorul operaional (rd = )aplicm principiul superpoziiei pentru determinarea lui Un:

U UR

R RU

R

R Rn i= +

++

2

1 20

1

1 2 (4.17)

Deoarece Up= 0 i considernd r0= 0 rezult

AU

U bi= =

+

0 1 1 11 1ab

, (4.18)

108


6/67

unde factorul de reacie bare expresia datn relaia 4.6.Cum b


7/67

Problema 4.4.. Considerm un amplificator inversor realizat cu A 741. CalculaiA,

Rn, Rii R0pentru cazurile a) R1 = R2 = 10 kb) R1 = 1 k, R2 = 1 M. Comparai curezultatele obinute.

U1

U1

-+

R4R3

U0

R2R1U1

U2

U3 U0

R

-+Ri3

Ri2

Ri1

R3

R2

R1

b)a)

Fig.4.5. a) Amplificator sumator b) Amplificator diferenial

n figura 4.5.a) se prezintschema unui amplificator sumator:

UR

RU

R

RU

R

RU0

11

22

33= , (4.26)

iar figura 4.5.b) arat schema unui amplificator diferenial. Acest tip de amplificator aredou intrri i o ieire. Pentru a gsi expresia tensiunii de ieire se aplic principiulsuperpoziiei considernd amplificatorul operaional ideal. Prima dat se exprim U01 ncondiia cU2= 0 , apoi U02n condiia U1= 0. n final U0= U01+U02. Se obine :

U RR

RR R

U RR

U02

1

4

3 42

2

111= +

+ (4.27)

Observaie 1. n cazul n care sursele U1 i U2 au rezistene interne, R1 senlocuiete cu R1+ Rs1iar Rcu R3+ Rs2.

Observaie 2. Rezistena de intrare vzutde U1este R1 iar rezistena de intrarevzutde U2este R3+ R4. Prin urmare rezistenele la cele douintrri ale amplificatoruluidiferenial sunt diferite ntre ele.

Observaie 3. n practic, valorile rezistenelor R1, R2, R3i R4se iau astfel nctsfie satisfcutegalitatea:

R

R

R

R4

3

2

1= (4.28)

nlocuind, relaia (4.27) devine :

(UR

RU U0

2

12 1= ) (4.29)

ntruct amplificatorul diferenial este frecvent utilizat n aparatura electronicel va

fi tratat pe larg ntr-unul din subcapitolele urmtoare.

110


8/67

Ui

R

-

C

U0

b)

UiU0

R

-

C

a)

Fig.4.6. a) Integrator b) Difereniator

Tensiunea de ieire pentru circuitul integrator din figura 4.6.a) este :

( ) ( ) ( )U tRC

U t dt U i

t

00

10= + 0 , (4.30)

unde U0(0)reprezintvaloarea tensiunii de ieire a integratorului la t= 0. Cu unAOidealrezistena de intrare a integratorului este Ri= Riar rezistena de ieire a integratorului R0= 0. Dacsursa de la intrare are rezistena internRs, n relaia (4.30) se nlocuiete Rcuvaloarea R+Rs.

Problema 4.5. n schema din figura 4.5 a) se nlocuiete rezistorul R cucondensatorul C i se obine un integrator sumator. Determinai funcia de transfer acircuitului.

Cu unAOreal i frsemnal la intrare schema din figura 4.6 a) va ajunge repede la

saturaie, adic, tensiunea de ieire se va fixa pe valoarea maximnegativsau pozitiv(n jur de - 13 V sau + 13 V). Aceasta se ntmpldin cauza tensiunii de decalaj la intrare.Pentru a preveni saturaia, o metod radical const n plasarea unei rezistene Rp nparalel cu condensatorul C. Circuitul rezultat are funcia de integrator dar numai pe undomeniu limitat de frecven.

Pentru circuitul din figura 4.6.b, tensiunea de la ieirea amplificatorului operaionalideal este :

( ) ( )

U t RC dU t

dt

i

0 = (4.31)

Circuitul real va oscila din cauza benzii limitate de frecven a amplificatoruluioperaional . Stabilizarea poate fi obinutdacn serie cu Cse plaseazo rezistenta Rs.Si n acest caz, circuitul rezultat este difereniator doar pe un domeniu limitat de frecven.

n figurile 4.3, 4.4, 4.5 i 4.6 au fost prezentate circuite cu AOcare implementeazprincipalele operaii matematice. Aceste utilizri au adus denumirea de "operaionale"amplificatoarelor de curent continuu caracterizate de amplificare mare, cureni de intraremici, rezistende intrare mare rezistena de ieire mici bandde frecvenmare.

Aplicaiile prezentate mai sus prezint diferene mici ntre parametrii cecaracterizeaz circuitul real i parametrii circuitului ideal atta timp ct frecvenasemnalului, amplificarea i valorile rezistenelor din schem sunt moderate. Odat cu

creterea frecvenei sau a amplificrii, performanele circuitului se degradeazdin cauzaunor limitri n funcionarea amplificatorului operaional real.

111


9/67

Principala limitare se refer la faptul camplificarea n bucldeschiseste foartemare doar pnla civa hertzi, dupcare ea descrete cu frecvena atrgnd dupsinedegradarea performanelor n buclnchis.

Frecvena la care amplificarea n bucl deschis ajunge de valoare unitar senumete frecvena de tranziie, se noteaz cu fT i este specificat n catalog. Pesteaceast frecven, amplificatorul devine de fapt atenuator. Majoritatea amplificatoarelor

operaionale sunt cu produs bandamplificare constant i egal cu fT.Banda de frecven limitata amplificatorului operaional determini o vitezderspuns ("slew rate") finit. Slew rate este un parametru de catalog important al unuiamplificator operaional. Valoarea finita lui poate introduce importante distorsionri alesemnalului.

n afara limitrilor de frecvenapar i alte erori, cauzate de circuitul de intrare dininteriorul amplificatorului operaional. Aceste surse de erori sunt : curenii de polarizare laintrare, tensiunea i curentul de decalaj la intrare, deriva cu temperatura a tensiunii icurentului de decalaj i zgomotul intern. Ali doi parametrii : raportul de rejecie al moduluicomun i raportul de rejecie a tensiunii de alimentare permit calcularea unor tensiuni deeroare echivalente la intrare. Toate aceste surse de erori la intrare nu pot fi compensatede reacia negativ.

n continuare, vom considera c la un moment dat apare o singur limitare dintrecele enumerate mai nainte . Desigur, n practic toate limitrile apar simultan, darconsiderarea efectelor individuale permite identificarea acelei limitri ce devine criticpentru o aplicaie dat.

Curentul de polarizare i curentul de decalaj la intrare

Pn acum, pentru uurarea interpretrii am considerat c rezistena deintrare a amplificatorului operaional este infinit i cnu existcureni de intrare.

n realitate, intrarea inversoare i neinversoare sunt legate pe o cale de curentcontinuu, la bazele (sau grilele) celor dou tranzistoare ce formeaz etajuldiferenial de intrare. Prin urmare este necesar ca intrrile sfie polarizate n curentcontinuu i totdeauna va exista un curent continuu de intrare corespunztor acesteipolarizri.

n cazul n care etajul diferenial de la intrarea AO este realizat cutranzistoare bipolare npn, curenii de polarizare intr n AO; i ias din AOdactranzistoarele sunt de tip pup . Dei, tehnologic, se urmrete o mperechere ctmai buna celor doutranzistoare, existo diferenntre valoarea curentului Inde polarizare a intrrii inversoare i valoarea curentului Ip de polarizare a intrrii

neinversoare, diferennotatcu Iosnumitcurent de decalaj la intrare :

I I IOS p n= (4.32)

Datele de catalog menioneaz valoarea curentului de polarizare IB cereprezintmedia aritmetica curenilor Ini Ip:

II I

Bn p

= +

2

Figura 4.7 prezint, din punctul de vedere al curen

ilor de polarizare

i de

decalaj, schema echivalenta unui amplificator operaional real.

112


10/67

Un

UpIp

In

-AO

+ U0

I05

IB

IB

+

-

Fig.4.7. Schemechivalentpentru curenii de polarizare i decalaj a unui AO

De regul, curentul de decalaj Ios este mai mic, de aproximativ 10 ori, dectcurentul de polarizare IB.

Curenii de polarizare i de decalaj produc erori ale tensiunii de ieire. Cuajutorul schemei din figura 4.8.a, valabil

att pentru amplificatorul inversor ct

i

pentru amplificatorul neinversor se calculeaz, n absena unui semnal de intrare,tensiunea U0de ieire cauzatde curenii de polarizare.

U0-

R1 Un R2

a)

In

I

Up

Rp

U0-

R1 Un C

In

I

Up

Rp

b)

Fig.4.8. Tensiunea de eroare la ieire produsde curenii de polarizarea) pentru reacie rezistiv; b) pentru in tegrator

U Up n=

(4.33)U Rp p= Ip

O U

R

U U

RI

p nn

+

=

1

0

2

de unde rezult:

U R

R

R R

R RI R In p p0

2

1

1 2

1 21= +

+

(4.34)

n cazul n care :

R R R R R

R Rp = =

+1 21 2

1 2

(4.35)

Rezulttensiunea de eroare la ieire:

113


11/67

U R

R

R R

R RIOS0

2

1

1 2

1 21= +

+ (4.36)

U0se mai numete i tensiune de zgomot de curent continuu la ieire. n timp, U0se modificdatoritderivei cu temperatura a curentului de decalaj.

Problema 4.6.. n schema din figura 4.8.a, R1 = 22 K , R2 = 2,2 M iaramplificatorul operaional este de tip A 741i are IB= 80 A i IOS= 20 nA.

Calculai U0 pentru cazurile a) Rp = 0 , b) Rp = R1||R2, c) Cu valorilerezistenelor de la punctul b, dar reduse de 10 ori d) Cu valorile rezisten elor de lapunctul c, dar nlocuind amplificatorul operaional cu unul ce are Ios = 3 nA.Comparai valorile obinute .

Rspuns: a) U0= 175 mV, b) U0= 44 mV, c) U0= 4,4 mV, d) U0= 0,7mV.

Pentru integratorul din figura 4.8.b, se calculeaz curentul Ic princondensator din relaia :

O U

RI In C

+ = n , (4.37)

care determinvariaia n timp a tensiunii de ieire conform relaiei :

( ) ( )U t C IR

R I dt Un

p

p

t

00

0

10=

+ (4.38)

DacRp= Rrelaia (4.38) devine:

( ) ( )U tC

I dt UOS

t

00

01

0= + (4.39)

Pentru a minimiza efectul curenilor de polarizare i de decalaj, din cele

artate pnacum, rezultcteva consideraii de proiectare :1. Rezistenele echivalente la cele douintrri trebuie sfie egale. Ca urmaren serie cu intrarea neinversoare se pune Rp= R1||R2.

2. Valorile rezistenelor din schemse iau la minimul acceptat de schemide amplificatorul operaional.

3. Se folosete un amplificator operaional cu cureni de polarizare i dedecalaj ct mai mic posibil. Se are n vedere i deriva cu temperatura a curentuluide decalaj. Existmai multe tehnici prin care se obin cureni mici de polarizare :

- realizarea etajului de intrare cu tranzistoare superbeta. Datorit regiuniifoarte nguste a bazei, acetia obin o amplificare de curent de cteva mii.

Reprezentativ pentru aceasttehniceste A 308caracterizat prin IB= 1,5 nA iIOS = 0,2 nA. Amplificatorul operaional LM11 (National Semiconductor) are laintrare o pereche de tranzistoare superbeta n montaj Darlington i este

114


12/67

caracterizat de IB = 25 pA (tipic) 50 pA (maxim) i IOS = 0,5 pA (tipic), 10 pA(maxim).

- furnizarea curentului tipic de polarizare a etajului diferenial de la intrare princircuite interne amplificatorului operaional. n urma acestui proces de compensare,curenii de intrare scad mult . Spre exemplu OP-07 (Procesion Monolitics) are IB= 1 nA i I

OS= 0,4 nA.

- utilizarea de tranzistoare JFET la intrareaAO. Spre exemplu OPA 128/BurrBrown) are cureni de intrare sub 100 fA i este recomandat pentru etajul de intrarela PH-metre.

Amplificatorul operaional 356cu IB= 30 pA i IOS= 3 pA are la intrare ocombinaie de tranzistoare JFET i bipolare realizate prin tehnologia BiFET.

- folosirea tranzistoarelor MOSFET n etajul diferenial de intrare conduce laobinerea de amplificatoare operaionale la care curenii de intrare sunt dai doar decurenii de scurgere ai condensatorului poart - canal. Spre exemplu CA1340(RCA) are IB= 10 pA i IOS= 0,5 pA. - realizarea de amplificatoare operaionale lacare toate tranzistoarele sunt n tehnologie CMOS ca n cazul OP - 80(PrecisionMonolithics) permite obinerea unor cureni de intrare deosebit de mici (IB4o fA.

4. Pentru aplicaii caracterizate printr-o gam mai larg a temperaturii defuncionare trebuie avut n vedere camplificatoarele operaionale cu tranzistoarebipolare la intrare, prezintvariaii cu temperatura a curenilor de intrare mai micidect cele cu tranzistoare cu efect de cmp. La amplificatoarele cu tranzistoare cuefect de cmp curentul de intrare se dubleaz la fiecare cretere cu 10C atemperaturii de funcionare. Realizri recente, compenseaz intern creterea cutemperatura a curenilor de intrare. Spre exemplu, OPA 100(Burr - Brown) are IB= 0,3 pA la 25C cu o variaie de 5 pA pentru ntreg domeniu de variaie a

temperaturii de funcionare.5. La proiectarea cablajului pentru amplificator trebuie luai n considerare icurenii de scurgere prin rezistena finit de izolare ce apar ntre pinii circuituluiintergrat. Adeseori, curenii de scurgere sunt de zeci de ori mai mari dect cureniide intrare proprii amplificatorului operaional folosit. Pentru a mpiedica ajungereacurenilor de scurgere la intrrile amplificatorului, pinii corespunztori intrrilor se

nconjoarcu un inel de gardatt pe o fact i pe cealalta cablajului imprimat.Potenialul electric al inelului de gard trebuie s fie egal cu potenialul

intrrilor pentru a nu exista cureni de scurgere ntre intrri i inelul de gard. nfigura 4.9 se arat modul de legare al inelului de gard pentru amplificatorul

inversor (Fig.4.9.a) i pentru amplificatorul neinversor (Fig.4.9.b).Inelul de gard constituie totodat i un ecran privind ptrundereaperturbaiilor i contribuie la micorarea capacitii de mod comun vzutla intrare. Pe de altparte inelul de gardintroduce o capacitate parazitla intrare a cruiefect poate fi compensat de o capacitate Ccde civa picofarazi legatntre ieirei intrarea inversoare.

n cazul amplificatorului neinversor, folosit n special pentru realizarea uneiimpedane foarte mari de intrare pentru sursa de semnal Ui, o grij deosebittrebuie acordatmodului de legare a sursei Uila borna Hi (fig.4.9.b) a rezistoruluiR3. Rezistorul R3este plasat n aer, iar borna Hi este realizatdintr-o pastilde

teflon . Legtura de la sursa Uila borna Hi se face printr-un fir bine izolat, ct maiscurt i plasat n aer.

115


13/67

2

3

Ui CC

R2

U0

R1

-

a)

R3R1R2

R1R2

2

3

Ui-

b)

U0

R2

CC

Hi R3

R1

Ui

Fig.4.9. Conectarea inelului de gardla a) amplificatorul inversor ib) amplificatorul neinversor

Tensiunea de decalajDei se iau msuri speciale n ceea ce privete simetria circuitului de intrare

i mperecherea componentelor, n practic

, se observ

c

tensiunea de ie

ire a

amplificatorului operaional nu este nulatunci cnd intrrile sunt legate mpreun.Pentru a aduce la zero tensiunea de ieire este necesar ca ntre cele douintrrisse aplice o tensiune Uos numittensiune de decalaj

Uos= Un- Up (4.40)

Pentru A741 valoarea tipic pentru Uos este 2 mV i maxim 6 mV. nschema echivalenta amplificatorului operaional real, tensiunea de decalaj apare

n serie cu intrarea neinversoare i prin urmare va da o tensiune de eroare la ieire

de:

U R

RUn O= +

1 2

1S (4.41)

Tensiunea de decalaj poate fi pozitivsau negativi n cazul integratoruluiva conduce la saturarea ieirii spre valoarea negativsau pozitiva tensiunii dealimentare.

Multe amplificatoare operaionale sunt prevzute cu conexiuni pentrucompensarea exterioara tensiunii de decalaj. Din pcate, compensarea se poate

realiza doar pentru o temperaturde funcionare deoarece tensiunea de decalaj semodificcu temperatura. La A301 coeficientul de variaie a tensiunii de decalajcu temperatura este de 6 V/C, la A356 de 5 V/C dar exist i amplificatoarefuncionale ce prezintcoeficieni mai mici (OP - 07are Uos la 25C de 10 V cu ovariaie de 0,2 V/C).

Pe lng nesimetriile ce inerent exist n circuitele de intrare aleamplificatorului operaional, tensiunea de decalaj poate fi cauzati de modificriletensiunii de alimentare. Modificarea tensiunii de decalaj Uos produs demodificarea tensiunii de alimentare Uaeste specificatn catalog prin intermediulraportului de rejecie al tensiunii de alimentare: PSRR(power supply rejection ratio)prin relaia :

116


14/67

PSRR U

U

n

OS

= 20log

(4.42)

Unii productori specificPSRRatt pentru tensiunea pozitivde alimentarect i pentru cea negativ.

Pentru A741valoarea tipicpentru PSRReste 76,5 dB ceea ce nseamncla fiecare modificare cu 1V a tensiunii de alimentare (spre exemplu de la 15 Vla 14 V) la valoarea Uosde 2 mV mai trebuie adugat 30 V.

PSRRdepinde de frecvena cu care se modific tensiunea de alimentare .Este suficient de mare la frecvene joase, pn la cteva zeci sau sute de hertzidupcare valoarea lui PSRRscade cu 20 dB pe decad.

Un alt parametru, specificat n catalog, care conduce la modificarea tensiuniide decalaj este raportul de rejecie al modului comun CMRR, definit conformrelaiei.

CMRR UU

cm

OS= 20log

, (4.43)

unde Ucmeste variaia tensiunii de mod comun . Pentru A 741valoarea tipicpentru CMRR este 90 dB.

Ca i n cazul PSRR, i valoarea CMRR scade cu 20 dB pe decad lafrecvene ale Ucmmai mari de cteva zeci sau sute de hertzi.

Pentru obinerea de amplificatoare operaionale cu tensiuni de decalaj foartemici se practicdoumetode :

a) folosirea de tehnici ce permit realizarea unei bune simetrii a etajului deintrare ca n cazul OP - 27(Precision Monolitics) ce are valoarea tipicpentru UOSde 10 V (25 V - valoare maxim) cu un coeficient de variaie cu temperatura UOS/T= 0,2 V/C (valoare tipic) i 0,6 V/C (valoare maxim) un PSRRi un CMRRde120 dB.

b). realizarea de amplificatoare operaionale cu chopper caracterizate detensiuni de decalaj i de cureni de intrare foarte mici. Amplificatorul stabilizat cuchopper ICL 7650al firmei INTERSIL prezinto tensiune de decalaj la intrare de 2V cu UOS/T= 0,1 V/C i UOS/t= 100 nV/30 zile i un curent de polarizare laintrare de 10 pA.

Rspunsul cu frecvena

Amplificarea n bucldeschisa unui amplificator operaional se modificcufrecvena conform relaiei:

( )( )

a jf a

j f fa=

+0

1 (4.44)

unde a0este amplificarea n bucldeschisde curent continuu iar faeste frecvena

la care a(jf)cade cu 3 dB.Frecvena la care amplificarea devine unitareste :

117


15/67

(4.45)f a ft= 0 a

Spre exemplu, A741 este un amplificator operaional cu produs band -amplificare constant avnd ft= 1 MHz , a0= 200.000 i fa= 5 Hz.

Datoritdependenei de frecvena lui a(jf), amplificarea n buclnchisse

modificcu frecvena conform relaiei:

( )( )

A jf A

j f fa=

+0

1 (4.46)

Notnd factorul de reacie cu :

b R

R R=

+1

1 2 , (4.47)

pentru amplificatorul neinversor:

Ab a b

R

R0

0

2

1

1 1

1 11=

+ + (4.48)

( )f f a b f

A

f

R RA a

t t= + = +

110 0 2 1

, (4.49)

iar pentru amplificatorul inversor :

A R

R0

2

1= (4.50)

f f

R RA

t=+1 2 1

. (4.51)

n relaiile (4.48) (4.51) s-a considerat a0b>> 1.n figura 4.10 se prezint rspunsul cu frecvena, reprezentat prin

caracteristici Bode, pentru amplificatorul neinversori pentru cel inversor.

Relaia (4.46) arat c modulul amplificrii la frecvena f difer deamplificarea de curent continuuA0cu mai puin de 1%la frecvene mai mici dectfA/7,01, cu mai puin de 0,1 %pentru f < fA/22,3 cu mai puin de 100 ppm pentru f

Documents

Amplificatorul Operational