Amplificatoare operationale - generalitati

AMPLIFICATOARE OPERATIONALE - Generalitati

Reprezinta categoria cea mai raspandita de amplificatoare integrate, caracterizate prin amplificare mare in tensiune, impedanta mare de intrare, impedanta mica de iesire, stabilitate buna cu temperatura si cu tensiunea de alimentare.

Denumirea de “operationale” are doar o justificare istorica, primele astfel de amplificatoare fiind utilizate pentru realizarea unor operatii matematice: adunare, integrare, derivare, e.t.c.

Un AMPLIFICATOARE OPERATIONALE este constituit din mai multe etaje de amplificare conectate in cascada. Deoarece AMPLIFICATOARE OPERATIONALE este un circuit integrat, pentru a putea fi utilizat trebuie sa stim ce se afla in interiorul circuitului. Cu toate acestea, caracteristicile AMPLIFICATOARE OPERATIONALE pot fi intelese suficient de bine avand doar cateva idei despre ce se afla in interiorul circuitului integrat. In Fig.5.3 este prezentata schema bloc a unui AMPLIFICATOARE OPERATIONALE tipic.

Fig.5.3. Structura unui AMPLIFICATOARE OPERATIONALE tipic

Etajul de intrare, alcatuit dintr-un amplificator diferential, prezinta avantajele unei rejectii de mod comun mari, unei intrari diferentiale si unei impedante mari de intrare (de ordinul megohmmilor). Al doilea etaj este un amplificator de tensiune cu amplificare (castig) mare, compus din mai multe tranzistoare care sunt adesea conectate in perechi Darlington. Amplificarea in tensiune realizata de acest etaj depaseste 200.000, in c.c. Etajul de iesire este de regula un repetor pe emitor, care determina o impedanta mica de iesire pentru AMPLIFICATOARE OPERATIONALE.

In Fig.5.4 este prezentata schema echivalenta a unui amplificator operational, care are doua intrari, intrarea inversoare “ “ si intrarea neinversoare “+”, o iesire si un punct de masa. Alte borne servesc la alimentarea amplificatorului (cu potentiale simetrice +V si –V ), la echilibrarea tensiunii de decalaj (offset), la compensarea (modificarea) caracteristicii de frecventa a AMPLIFICATOARE OPERATIONALE (prin circuite exterioare constand din capacitati si rezistente).

Fig.5.4. Modelul practic pentru amplificatorul operational

In Fig.5.5 este aratat aspectul general si modulul in care un AMPLIFICATOARE OPERATIONALE se reprezinta in schemele electronice, iar in Fig.5.6 este prezentata caracteristica de transfer in tensiune (tensiunea de iesire u₀, in functie de tensiunea diferentiala de intrare u_d) a unui AMPLIFICATOARE OPERATIONALE.

ESEU: Formarea condensului pe sufrafata interioara a unitatilor de geam termopan termoizolator, respectiv a ramelor ESEU: Aspectul exterior al cladirilor

Fig.5.5. Aspectul general (a) si reprezentarea in schemele electronice a unui AMPLIFICATOARE OPERATIONALE

Fig.5.6. Caracteristica de transfer in tensiune a unui AMPLIFICATOARE OPERATIONALE

Relatia de functionare a unui AMPLIFICATOARE OPERATIONALE este:

u₀ = A₀(u_p-u_n) = A₀u_d (5.7)

Tensiunea u_d se numeste tensiune diferentiala de intrare si se regaseste pe rezistenta diferentiala de intrare R_d, iar A₀ este amplificarea in bucla deschisa a AMPLIFICATOARE OPERATIONALE. Amplificarea este o functie de frecventa, A₀=A₀(f), si are valoarea maxima la f = 0 (A₀(0)=10³÷10⁶).

In regiunea centrala functionarea AMPLIFICATOARE OPERATIONALE este liniara (tensiunea de iesire este proportionala cu tensiunea diferentiala de intrare) iar panta caracteristicii este amplificarea in tensiune A₀.

(5.8)

Pentru ca functionarea AMPLIFICATOARE OPERATIONALE sa fie liniara, acesta trebuie sa lucreze numai in regiunea liniara a caracteristicii lui. Daca tensiunea diferentiala de intrare u_d creste astfel incat tensiunea de iesire se apropie pana la 1-2 V de tensiunea de alimentare +V ultimul etaj al AMPLIFICATOARE OPERATIONALE se satureaza. Ca urmare, la cresterea in continuare a tensiunii u_d, tensiunea de iesire ramane constanta (u_o = U_OH). Acelasi lucru se intampla daca tensiunea de iesire scade apropiindu-se pana la 1-2 V de tensiunea –V. Limita superioara a tensiunii de iesire se numeste tensiune de saturatie pozitiva (U_OH) iar cea inferioara, tensiune de saturatie negativa (U_OL).

In Fig.5.7 este aratat modul practic de alimentare a unui AMPLIFICATOARE OPERATIONALE.

Fig.5.7. Alimentarea unui AMPLIFICATOARE OPERATIONALE.

Aplicatia 5.2

Sa se determine valoarea tensiunii de la iesirea AMPLIFICATOARE OPERATIONALE din Fig.5.8, in doua situatii:

a) u_d=0,09mV

b) u_d=0,5mV

Fig.5.8. Schema si caracteristica de transfer a AMPLIFICATOARE OPERATIONALE

Parametrii esentiali ai unui AMPLIFICATOARE OPERATIONALE ideal sunt:

amplificarea in bucla deschisa infinita.

(5.9)

Rezulta u_p = u_n sau u_d = 0

impedanta de intrare infinita Z _i =

impedanta de iesire nula Z  _e = 0 ;

tensiune de decalaj (de offset) nula V_off = 0.

S-a constatat ca atunci cand ambele intrari sunt scurtcircuitate la masa (u_d=0), tensiunea de iesire este diferita de zero (u ₀ 0).

Se numeste tensiune de decalaj (de offset), tensiunea care trebuie aplicata la intrare astfel incat la iesire, tensiunea sa fie nula. Tensiunea de decalaj are valori cuprinse intre 1mV si 10mV la AMPLIFICATOARE OPERATIONALE de uz general si sub 1 mV, la cele de precizie.

curentii de decalaj si de polarizare de la intrare sunt nuli.

- Curentul de decalaj (offset):  I_off = i _n- i_p = 0

- Curentul de polarizare:  I_pol=1/2(i _n+i_p)=0

Din cele doua relatii rezulta :   i _n = i_p = 0

factorul (raportul) de rejectie de mod comun infinit

RRMC =

In cazul ideal, tensiunea de iesire este data de relatia:

u₀ =A₀ (u_P - u _n) = A₀*u_d (5.10)

Fig.5.9. Comportarea reala a AMPLIFICATOARE OPERATIONALE

Comportarea reala a AMPLIFICATOARE OPERATIONALE difera, tensiunea de iesire cuprinzand doua componente, conform schemei de modelare a unui AMPLIFICATOARE OPERATIONALE prezentata in Fig.5.9.

u₀ = A_d*u_d+A_mc*u_c (5.11)

  (5.12)

unde:

A_d – amplificarea diferentiala (utila);

A_mc – amplificarea de mod comun;

u_mc – tensiune de mod comun.

Factorul de rejectie de mod comun este deci raportul dintre amplificarea diferentiala si amplificarea pe modul comun.

(5.13)

In realitate astfel de parametrii ideali nu pot fi realizati, existand diferite tipuri de AMPLIFICATOARE OPERATIONALE care au anumiti parametrii ce tind catre valorile ideale.

In Fig.5.10 este aratata schema echivalenta pentru un AMPLIFICATOARE OPERATIONALE ideal.

Fig.5.10 Modelul ideal pentru AMPLIFICATOARE OPERATIONALE.

In bucla deschisa AMPLIFICATOARE OPERATIONALE sunt putin utilizate deoarece parametrii lor nu sunt stabili, depinzand de marimea semnalului de intrare, de temperatura, de tensiunea de alimentare etc. Prin utilizarea unei reactii se pot modifica proprietatile AMPLIFICATOARE OPERATIONALE obtinandu-se o amplificare constanta, a carei valoare este determinata in special de parametrii elementelor din reactie.