|
|
|
|
Amplificatoarele operationale integrate sunt circuite elctronuce alcatuite dintr-un numar mare de elemente(tranzistoare,diode,rezistoare si condensatoare)in montaj de 2-3 etaje de amplificare caracterizate prin proprietati care aproximeaza amplificatorul ideal(castig de tensiune foarte mare,rezistenta foarte mare de intrare si rezistenta foarte mica de iesire,stabilitate buna cu temperatura si cu tensiunea de alimentare s.a.).
Amplificatorul operational 848e42i in conexiune directa
Considerat ca element independent,amplificatorul operational 848e42i -al carui symbol este reprezentat in figura A.I.1-este un dispozitiv cu doua terminale de intrare(notate cu - si cu + si denumite respectiv intrare inversoare si neinversoare),o borna de iesire si un punct de masa.Alte borne servesc la alimentarea amplificatorului(cu putentiale simetrice V+ si V - ),la echilibrarea tensiunii de decalare(offset) de la intrare,la compensarea(modificarea)caracteristicii de frecventa a amplificatorului operational(prin circuite exterioare constand din capacitati si rezistente),sau la obtinerea unei iesiri simetrice(in care caz sunt prevazute doua borne de iesire).
In valori instantanee tensiunea de iesire u0 este proportionala cu diferenta tensiunilor de intrare un si un (aplicate respective la borna + si - ):
U0=a(un - un), A.I.1
unde a este amplificarea in bucla deschisa.
Amplificarea este o functie de frecventa,avand valoarea maxima la frecventa zero (in curent continuu),notata cu: as(as=102.108).
In
functie de numarul de etaje de amplificare interne,amplificatoarele
operationale pot avea doua sau trei frecvente de taiere(frangere)a
caracteristicii amplificare-frecventa.De exemplu,un amplificator operational de
tipul 741 are amplificarea:
A.I.2
Utilizarile amplificatorului in bucla deschisa,asa cum sunt prezentate in schemele din figura A.I.1,se intalnesc mai rar(de exemplu in calitate de amplificator comparator),deoarece parametrii sai nu sunt stabili,depinzand de marimea semnalului,de timp,de temperatura,de tensiunile de alimentare si prezinta variatii de la un exemplar la altul.
1.1.Modurile de utilizare ale amlplificatorului operational,sintetizate in figura A.I.1 sunt:
-montajul diferential,pentru care u0=a(un - un); datorita amplificarii foarte mari,tensiunile un si un difera foarte putin intre ele(de exemplu,pentru un=6mV, un=6.2mV si a=20 000,rezulta u0= 4mV);
-montajul neinversor in care un=0,rezultand tensiunea de iesire u0=a uintr de aceasi polaritate cu cea de intrare;
-montajul inversor in care un=0,iar tensiunea de iesire u0=-a uintr, de polaritate inversa fata de tensiunea de intrare;
-montajul diferential cu intrare flotanta care este asemanator cu cel din figura A.I.1,a,dar are intrarile izolate fata de masa.
Prin utilizarea unei reactii,proprietatiile amplificatorului operational se schimba substantial,obtinandu-se o amplificare constanta si de valoare bine determinate,o modificare in sensul dorit a caracteristicii de transfer,cresterea impedantei de intrare,scaderea impedantei de iesire,precum si realizarea diferitelor functii de operationale.
In montajele enumerate,relatiile date caracterizeaza cazul ideal al amplificatorului operational.Abaterile de la situatia ideala constituie erori,care se grupeaza in trei categori:
1.2.Erorile statice,datorate prezentei generatoarelor parazite de tensiune si de curent de la intrare si factorilor de rejectie pe modul comun si al surselor de alimentare.
Tensiunea de decalare(offset)se manifesta prin aparitia unei tensiuni la iesire chiar in cazul tensiunilor nule de intrare(intrarile puse la masa).Pentru anularea acestei tensiuni parasite se utilizeaza circuite de compensare montate la bornele indicate de cataloagele firmelor constructoare,cum se arata in figura A.I.2.
Curentii de decalare si de polarizare de la intrare reprezinta respective diferenta (tD=in-ip) si valoarea medie(iB=in-in/2) a curentilor de intrare in amplificator.Acesti curenti se pot echilibra prin egalizarea rezistentelor conectate la intrarile amplificatorului si scaderea valorii alese pentru aceste rezistente.
Factorul de rejectie pe modul comun(CMRR=Commun Mode Rejection Ratio)este raportul dintre amplificarea in bucla deschisa a0 si amplificarea de mod comun amc exprimat prin relatia:
(A.I.3)
unde amc este amplificarea tensiunii de mod comun umc , comuna ambelor intrari (fig. A.I.3) si care se transmite la iesirea amplificatorului prin relatia:
u0=a0uintr+amcumc (A.I.4)
Ordinul de marime al CMRR este 70.100dB,ceea ce arata o influenta redusa a tensiunii de mod comun umc .
Influenta variatiilor tensiunii de alimentare asupra tensiunii de iesire se exprima prin factorul de rejectie al tensiunii de alimentare(SVR=Supply Voltage Rejection),
(A.I.5)
care are valori de ordinul 10.100mV V.
Sursele
de erori mentionate sunt importante, de asemenea,prin variatia lor cu
temperatura ambianta.Pentru compensarea acestei influente,in unele cazuri se
recurge la termoreglarea circuitului integrat(mentinand temperatura
amplificatorului la o valoare practice
1.3.Erorile dinamice sunt erorile de regim tranzitoriu si apar datorita limitarilor de frecventa ale castigului in bucla deschisa,curentului maxim care poate fi debitat de etajele amplificatorului operational si zgomotului generat de amplificator.
Limitarea in frecventa(exprimata prin frecventele de taiere ale caracteristicii amplificare-frecventa)este in stransa legatura cu problema stabilitatii amplificatorului operational.Asigurarea stabilitatii sau modificarea caracteristicii de frecventa necesita,in general,introducerea unor retele de compensare la bornele de intrare sau in bucla de reactie.
Alta limitare este data de viteza maxima a tensiunii de iesire(SR=Siew Rate),exprimata prin relatia:
(A.I.6) si masurata in V/ms.pentru
un semnal treapta Du0
se considera diferenta intre 0.9 u0 si 0.1 u0 pentru care
Dt=tSR=0.35/B,unde
B este banda de frecventa.Pentru semnalele sinusoidale de forma u0=U0sin
wt
rezulta(du0/dt)max=U0 w .
1.4.Erorile de evaluare(de calcul)sunt datorate dispersiilor valorilor reale individuale ale parametrilor amplificatorului operational:amplificarea in bucla deschisa a,rezistenta de intrare Ri si rezistenta den iesire R0.Acesti parametric pot fi modificati si stability la valori precise prin aplicarea unor reactii corespunzatoare in circuitul amplificatorului operational.
2.Amplificatoare operationale cu reactie
2.1.Amplificarea in bucla deschisa si functia de transfer a circuitului.Performantele circuitelor cu amplificatoare operationale pot fi modificate si ameliorate substantial prin folosirea unei reactii egative cum se arata in figura A.I.4. in cazul general(A.I.4.a),scriind curentii din nodurile M si N rezulta ecuatiile:
(A.I.7)
(A.I.8)
Tinand seama de relatia (A.I.1)rezulta ca tensiunea de intrare e 0(deoare ce e =un -un=-u0/a si amplificarea este a 1),deci punctele M si N sunt practice la acelasi potential.
Neglijand astfel termenii (un-un)/Rt in ecuatiile (A.I.7) si (A.I.8),rezulta:
(A.I.9)
(A.I.10)
care prin egalare da relatia generala:
Prin particularizare,din figura A.I.4,a rezulta schemele amplificatorului inversor(fig A.I.4,b),neinversor(fig A.I.4,c) si diferential (fig A.I.4,d) cu reactie,respective schemele circuitului inversor (fig A.I.4,e) si repetor (fig A.I.4,f).
La amplificatorul inversor intrarea ,,+" este legata la masa deci u2=0,R3=0 si R4= :tensiunea u1 se aplica prin rezistenta R1 la borna inversoare,iar tensiunea de iesire este:
(A.I.12)
Punctul M este o ,,masa fictiva"(tensiunea e 0),iar curentul de intrare in amplificatory este practice nul(in=-in 0).
Amplificatorul neinversor corespunde situatiei inversate fata de cazul precedent:tensiunea se aplica direct la intrarea neinversoare(R3=0,R4= ,u2 0),iar rezistenta R2 are intrare la masa(u1=0).Tensiunea de iesire este :
(A.I.13)
Punctul M sste in acest caz la potential foarte apropiat de u2.In cazul amplificatorului diferential cu reactie si intrari simetrice (fig A.I.,d) R3=a R1,R4=a R2,a=0.1..10 tensiunea de iesire este:
(A.I.14)
Se observa ca in toate cazurile analizate amplificarea circuitului amplificatory cu reactie notata Kr si definite ca raport intre tensiunea de iesire si cea de intrare pentru a 1:
(A.I.15)
este independenta de amplificarea in bucla deschisa (care poate varia sensibil de la un amplificator la altul,dar este intotdeauna foarte mare :a 1).Amplificarea,Kr depinde numai de raportul R2/R1,care poate fi fixat la valori dorite si mentinut constant.
In plus,daca in locul rezistentelor se utilizeaza impedante (realizate din rezistente si capacitati alese convenabil),se pot realiza functii de transfer de diferite tipuri.Expresiile simplificate ale functiilor de transfer,pentru cele trei tipiri principale de scheme din figura A.I.1 sunt:
amplificator
inversor,cu reactie (A.I.16)
amplificator neinversor,cu reactie (A.I.17)
amplificator
diferential,cu reactie (A.I.18)
In figura A.I.15 sunt prezentate cateva scheme de amplificatoare cu reactie realizata din retele frecvent utilizate,impreuna cu functiile lor de transfer Kr(S) valabile pentru a 1.
2.2. Impedantele de intrare si de iesire.Impedanta de intrare a amplificatorului operational cu reactie se deduce din figurile A.I.4,b si A.I.4,c,in care se vor considera impedante(Z1 si Z2) in locul rezistentelor(R1respectiv R2) si se va tine seama de faptul ca tensiunea e (dintre borna inversoare si borna neinversoare)este neglijabil de mica.In aceste conditii rezulta:
-pentru montajul inversor: Zintr=Z1 ; (A.I.19)
-pentru montajul neinversor,tinand seama ca u0=a e,unde e = Rit Iintr (Rit fiind rezistenta de intrare diferentiala a amplificatorului propriu-zis,iar Iintr curentul prin Rit),rezulta:
respective
. (A.I.20)
Se constata ca Zintr Rit ,montajul neinversor realizand astfel o impedanta de intrare care poate lua valori foarte mari (cu cel putin un ordin de marime peste Rit),in timp ce montajul neinversor asigura o impedanta de intrare egala cu Z1(care poate fi mai mica decat Rit).
Impedanta de iesire. Se poate demonstra ca impedanta de iesire a amplificatorului neinversor cu reactie(fig A.I.4,c)este data de expresia:
(A.I.21)
unde R0 int este rezistenta interna de iesire a amplificatorului operational.Se constata ca Z0 R0 int concluzie valabila si pentru celelalte circuite de baza(inversor si diferential).
Exemplul A.I.1. Un amplificator operational de tipul mA 741 cu a0=200000,Rid=2MW,Re int=75W,montat in circuit neinversor cu reactie(Fig.A.I.4,c),in care R1=100W si R2=10kW,are castigul(A.I.13) K=1+R2/R1=101,rezistenta de intrare pentru frecventa zero:rint=200 000 2 105 100/10 001 4 104 si rezistenta de intrare R075 (200 000)-1 10 001/100=75/2000=0.0375W.
2.3.Marimi de decalare.Pentru amplificatorul operational 848e42i cu reactie in montaj diferential (fig.A.I.6) cu u1 u=u2 ,tensiunea de decalare de la intrare poate fi anulata prin reglarea elementelor montate in circuite exterioare amplifcatorului(v. fig.A.I.2).
Tensiunea de decalare totala uDt pentru amplificatorul operational 848e42i diferential cu reactie (fig.A.I.4,u) se poate exprima pe baza notatiilor din figura A.I.6, sub forma:
. ( A.I22)
Laplace aplicata relatiei A.I.15 :
U0(s)=Uintr(s) K(s), (A.I.28)
In care Uintr(s)=Uintr1/s incazul excitatiei treapta,iar K(s)este functia de transfer exprimata de relatia A.I.25 sau A.I.26,scrisa in forma operationala.
In cazul ezemplului precedent,din relatia (A.I.27)reyulta K(s)=101/(1+s/2pfe)si in final:u0(t)=101 uintr[1-e-2a/ 0 t] (A.I.29)
Timpul de crestere al raspunsului(tcr)este definit ca intervalul de timp in care raspunsul creste de la 0.1 la 0.9 din valoarea sa finala(u0 =101 uintr).
Valorile t1si t2 corespunzatoare timpului t pentru conditiile mentionate rezulta din:
t1=0.1054/2pfe (A.I.30)
t2=2.3026/2pfe (A.I.31)
Timpul de crestere este:
(A.I.32
//
|
