Amplificatoare diferentiale cu AO

Amplificatoare diferentiale cu AO

Schema de principiu a unui amplificator diferential cu AO

AO – diferential: usor de construit AD cu AO.

In cazul unui AD, tensiunea de iesire trebuie sa fie proportionala cu diferenta dintre tensiunile de la cele doua intrari si sa depinda cat mai putin de tensiunea de mod comun de la intrari.

- schema de principiu:

- tensiunea de iesire:

- se pune in evidenta raportul :

- pentru a fi AD:

, sau:

adica tensiunea de iesire este proportionala cu diferenta tensiunilor de la cele doua intrari, amplificarea de tensiune diferentiala fiind

*

- se reflecta la intrarea inversoare a AO cu valoarea , neglijabila in comparatie cu Z₁ si:

- impedanta de intrare pe borna neinversoare a AO este foarte mare in comparatie cu impedanta Z₄ impedantele de intrare oferite pentru cele doua surse de semnal vor fi:

* Este necesar: - daca: Z_i = R_i pentru compensarea marimilor reziduale:

*

* Z₁ si Z₂, trebuie sa indeplineasca si cerintele generale pentru circuitele cu AO, adica Z₂ sa nu fie prea mica pentru a nu incarca suplimentar AO la iesire, iar Z₁ trebuie sa asigure impedanta de intrare in amplificator in limite rezonabile.

* Conditii multe – amplificare impusa - proiectarea optima dificila;

* Conditia de AD nu este indeplinita cu strictete → apare si o componenta determinata de tensiunea de mod comun de la intrare:

Se noteaza:

v_id = v_i1 – v_i2, tensiunea diferentiala (de amplificat);

, tensiunea de mod comun de la intrare (care trebuie rejectata);

- se deduce:

- amplificarea de tensiune pe modul comun:

* factorul de rejectie a modului comun al AO, va determina o amplificare a tensiunii de mod comun de la intrare de valoare:

- factorul de rejectie a modului comun va fi:

* pentru marirea factorului de rejectie a modului comun, prin indeplinirea cat mai buna a conditiei de AD se poate folosi un circuit de reglaj al rezistentei R₄, rezistenta R₅ fiind in serie cu o rezistenta reglabila, P

Fig.4.2.32

* Impedanta de intrare pe modul comun (considerand CMMR →∞):

* Tensiunea de decalaj obtinuta la iesirea amplificatorului:

relatie dedusa in conditiile: R₁=R₃ si R₂=R₄

Proiect: Echipamente si instalatii de stingere a incendiului - prescriptii generale Eseu: Specificatie tehnica - fitinguri canalizare sudate din pvc

* mai rezulta:

- impedantele de intrare pe cele doua intrari sunt de valoare mica, ≤ 20 kΩ

- marirea rezistentelor R₁ = R₃ duce, la amplificare diferentiala impusa,

la marirea impedantelor R₂ si R₄, ceea ce se poate face numai in anumite limite. - pe de alta parte, rezistentele R₁ si R₃ includ si rezistentele generatoarelor de semnale ale caror valori nu sunt, de obicei, precizate si pot depinde de conditiile reale de functionare.

* Banda de trecere a amplificatorului diferential este limitata, pe de o parte, de catre AO, limitarea facandu-se la valoarea , iar pe de alta parte, de capacitatea parazita, C_p (ordinal de marime fiind 1-10 pF), la valoarea , remarcandu-se importanta rezistentelor din circuit.

* Pentru un reglaj al amplificarii de tensiune, acesta se poate face numai modificand simultan doua dintre rezistentele din circuit pentru mentinerea permanenta a conditiei de amplificator diferential, ceea ce este dificil deoarece presupune folosirea unui potentiometru dublu.

* Dezavantajele structurii diferentiale de baza se pot corecta cu alte scheme de amplificatoare diferentiale. Exista mai multe variante practice de amplificatoare diferentiale care satisfac mai bine restrictiile prezentate anterior.

Amplificator diferential cu amplicare marita

Marirea amplificarii diferentiale:

- prin micsorarea rezistentei R₁

- prin marirea rezistentei R₂

(cu mentinerea conditiei de amplificator diferential).

- Dar:

- rezistenta R₁ nu poate fi micsorata oricat, deoarece se micsoreaza impedanta de intrare diferentiala,

- rezistenta R₂ nu se poate mari oricat din cauza lui I_D

Solutie: se poate folosi schema cu divizor de tensiune pe iesirea AO. Pentru pastrarea acelorasi conditii de comportare a circuitului ca amplificator diferential, se foloseste un repetor pe emitor care preia functia de adaptare intre circuitul de iesire modificat si circuitul de reactie.

- intre cele doua borne de intrare si iesirea celui de al doilea AO, se obtine un amplificator diferential care preia toate performantele amplificatorului diferential din schema de principiu (mai putin elementele relative la marimile reziduale pentru ca intervin si parametrii celui de al doilea AO); tensiunea la iesirea sa va fi:

- tensiunea de la iesirea circuitului, , se determina din tensiunea de la iesirea circuitului, v_o prin divizorul de tensiune format de R’ si R”

- rezulta amplificarea de tensiune diferentiala sub forma:

- prin raportul rezistentelor si se poate obtine amplificare mare; efecte asupra celorlalte performante.

* functionare simetrica pentru ambele surse de semnal: impedante de intrare egale pe cele doua intrari ale amplificatorului diferential:

- v_i2 se aplica unui inversor de tensiune format cu AO1 si, apoi, se aplica, impreuna cu tensiunea de intrare v_i1, unui circuit sumator inversor realizat cu AO2. Se obtine:

- impedantele de intrare pe cele doua intrari vor fie egale cu R₁ si se vor alege de valori relativ mici pentru a se obtine si o banda de trecere mare a amplificatorului.

- pentru factor de rejectie cat mai bun: imperechere foarte buna a celor 4 rezistente R₁

- tensiunea de decalaj de la iesirea circuitului:

- pentru compensarea efectului curentului de polarizare, pe intrarile neinversoare ale celor doua AO se introduce rezistente de compensare, , respectiv .

Amplificatoare diferentiale cu impedante de intrare marite

Valori mari ale impedantei de intrare: tensiunile de intrare se aplica pe bornele neinversoare ale celor doua AO:

* Impedantele de intrare diferentiale rezultate sunt chiar impedantele de intrare pe modul comun ale celor doua AO, foarte mari, pentru orice aplicatie, dar nu neaparat egale (cele doua AO nu pot fi strict identice).

* Tensiunea de iesire: prin superpozitie:

daca se indeplineste conditia:

asemanatoare cu conditia pentru schema de principiu.

* Tensiunea de decalaj de la iesirea circuitului:

* compensarea efectului curentului de polarizare: se introduc rezistente de compensare, , respectiv .

O alta varianta: semnalele de amplificat se aplica, mai intai, unor repetoare de tensiune realizate cu AO1 si AO2. Impedantele de intrare care se obtin sunt foarte mari (chiar daca nu egale) iar in privinta celorlalte cerinte, se obtin aceleasi conditii ca la amplificatorul din schema de principiu. Tensiunile reziduale ale primelor doua AO vor fi si ele amplificate spre iesire cu amplificarea de tensiune a amplificatorului diferential.

* Problema reglajului amplificarii diferentiale cu ajutorul unui singur potentiometru cu mentinerea impedantelor de intrare de valoare ridicata se poate face cu schema din figura in care rezistenta notata cu P este reglabila.

- pentru fiecare din cele doua AO se inchide o bucla de reactie negativa; deci diferentele de potential intre bornele lor de intrare sunt nule → potentialul punctului A fata de masa este v_i1 iar cel al punctului B este v_i2

- tensiunea de iesire, v_o, se obtine prin metoda potentialelor la noduri in punctele A si B. Rezulta relatiile:

- din a doua relatie se expliciteaza:

si se introduce in prima. Se grupeaza in mod convenabil termenii ce contin cele doua tensiuni de intrare:

(4.2.89)

Pentru ca circuitul sa functioneze diferential, este necesara egalitatea coeficientilor celor doua tensiuni:

Se deduce conditia:                             Tensiunea de iesire devine:

- amplificarea de tensiune diferentiala se poate modifica cu ajutorul rezistentei reglabile P fara a fi afectata conditia de functionare ca amplificator diferential.

* Alta varianta de AD la care reglajul de amplificare diferentiala de tensiune se poate face de la o singura rezistenta:

- conditii de AD:

- ,

- amplificarea de tensiune diferentiala:

- reglarea amplificarii de tensiune diferentiale se face cu fara sa fie afectate conditiile de functionare ca amplificator diferential.

- impedantele de intrare se pot obtine suficient de mari dar nu egale.

Amplificatoare diferentiale de instrumentatie

* varianta mai buna: “amplificator de instrumentatie”, foarte larg utilizata, in diferite variante, in aparatele de masura.

- intrari: bornele neinversoare ale AO1 si AO2 → impedante de intrare de valoare foarte mare si pe modul diferential de excitatie.

- tensiunile de la iesirile acestora se aplica la intrarile unui AD obisnuit, realizat cu AO3 cu aceleasi rezistente in circuitele celor doua borne pentru indeplinirea conditiei de functionare diferentiala;

- tensiunea de iesire:

- pentru fiecare din primele doua AO se inchide o bucla de reactie negativa → potentialul punctului A fata de masa este v_i1 iar cel al punctului B este v_i2

- v_o1, se obtine prin superpozitie:

- v_i1 este amplificata in schema de amplificator neinversor (la anularea tensiunii de intrarea v_i2, punctul B este un punct virtual de masa datorita reactiei negative realizate prin rezistenta R”

- tensiunea v_i2, prin R₀ intr-o schema de amplificator inversor:

- asemanator:

- rezulta:

Observatie: aceeasi relatie se poate obtine si mai direct daca se constata ca, prin rezistentele R’ si R” circula acelasi curent ca si prin rezistenta R₀, de valoare: , astfel ca diferenta dintre tensiunile v_o1 si v_o2 se scrie direct:

.

- se obtine aceeasi formula pentru tensiunea de iesire.

Se constata ca amplificarea de tensiune se poate regla cu ajutorul rezistentei R₀ in limite foarte largi fara a afecta conditia de functionare ca amplificator diferential.

Amplificatorul diferential cu trei AO se realizeaza si sub forma de circuit liniar integrat. In acest caz, rezistentele din amplificatorul diferential de la iesire, cu AO3, se realizeaza cu o precizie foarte buna, fiind prelucrate prin tehnici laser astfel incat factorul de rejectie a modului comun sa fie cat mai mare. De asemenea, valoarea rezistentei R_o poate fi selectata la valori predeterminate pentru anumite valori ale amplificarii de tensiune sau poate fi conectata din exterior pentru a se obtine valoarea necesara a amplificarii. Impedantele de intrare sunt de valoare foarte mare.