Amplificatoare operationale - Amplificatoarele integrate monolitice

Scopul lucrarii

Lucrarea isi propune studierea catorva circuite de baza realizate cu amplificatoare operationale. Se pun in evidenta relatiile de principiu deduse in conditilie presupunerii unui amplificator ideal, ca si doua aspecte fundamentale legate de aceste configuratii cu amplificatoare operationale:

raspunsul in timp

comportarea in frecventa.

Notiuni teoretice

Amplificatoarele integrate monolitice constituie clasa cea mai cunoscuta si mai utilizata de circuite integrate analogice. Ele au astazi nenumarate aplicatii, in special in sistemele de achizitie a datelor si in modulele de calcul analogic din temperature si control.

Amplificatorul operational "ideal" este un amplificatory de tensiune cu intrare diferentiala si iesire simpla, avand amplificare infinita, banda infinita, impedanta de intrare infinita si impedanta de iesire 0.

Performantele amplificatoarelor idealesunt, de obicei, suficiente pentru a aporxima proprietatile amplificatorului ideal, la frecvente joase.

Circuit echivalent simplificat al unui

amplificator operational, ideal (a=,Z_IN=)

In lucrarea de fata, se utilizeaza un amplificator de uz general βA 741. In majoritatea cazurilor, amplificatorul operational este folosit in configuratie cu REACTIE NEGATIVA.

Presupunerea ca amplificatorului este ideal simplifica foarte mult analiza circuitelor cu amplificatoare operational, conectate in configuratie cu retea negative.

In lucrarea de laborator, vom urmari pentru o serie de circuite cu amplificatoar operational raspunsul in timp (deci forma in timp a tensiunii la iesire atunci cand la intrare se aplica un semnal oarecare), cat si comportarea in frecventa (modulul functiei de transfer in functie de frecventa).

Desfasurarea lucrarii

1. Amplificatorul inversor este una din aplicatiile imediate ale unui amplificator operational (A.O.).

Schema amplificatorului inversor

1.1 Se realizeaza circutul (schema amplificatorului inversor), utilizand valorile de rezistente:

R₁=1 KW

R₂=10 KW

Se observa ca valoarea teoretica a tensiunii de iesire obtinuta in urma inlocuirii valorilor rezistoarelor in formula de calcul pentru amplificatorul inversor este mai mare mare decat cea obtinuta experimental. Tensiunea de la iesire este de aproximativ 10 ori mai mare decat cea de la intrare, deci amplificatorul amplifica in tensiune de aproape 10 ori.

Se observa ca semnalul de la iesire V_out, care are amplitudinea 0,45 V, este in antifaza cu semnalul de la intrare, a carui amplitudine este 0.05 V, deci amplitudinea semnalului de intreare este mai mare de 10 ori () decat cea a semnalului de la intrare.

1.2 Se repeat punctual pentru R₂ =100 KW

Daca inlocuim rezistenta R₂ care era de 10K cu o rezistenta de 100 KW, atunci amplificatorul va da la iesire o tensiune de aproximativ 100 de ori mai mare decat cea de la intrare, deci amplificatorul amplifica in tensiune de aproape 100 ori.

Se observa ca amplificarea se mareste cu un numar aproximativ egal cu valoarea rezistentei R₂.

Semnalul de la iesire, care are amplitudinea de 5.25 V, este in antifaza cu semnalul de la intrarea, a carui amplitudine este de 0.05 V.

Pentru a mari amplificarea circuitului anterior, evitand cresterea peste valori rezonabile a rezistentei R₂ sau scaderea prea mare a rezistentei R₁, se realizeaza schema de mai jos, utilizand valorile de rezistente:

R₁=1 KW

R₂=100 KW

R₃=1 KW

R₄=10 KW

Configuratie inversoare cu amplificare marita

Tensiunea de intrare era de 10 mV, dar la iesire semnalul era saturat si am luat pentru acesta tensiune valoarea 5 mV. Spre deosebire de punctual anterior, am mai adaugat rezistenta R_3. Amplitudinea semnalului de la iesire este mai mare fata de amplitudinea V_out a semnalului de iesire de la punctual cu 0,25 V. Amplificatorul da la iesire o tensine de mai mult de 100 de ori mai mare decat tensiunea de intrare (de 110 ori mai mare).

Amplificarea este mai mare decat la punctul anterior. Obtinerea aceastei amplificari marite a fost realizata printr-un artificiu de circuit. Semnalele de intrare si iesire sunt in antifaza, semnalul de intrare avand amplitudinea de 5mV, iar cel de la iesire de 5,5 V.

3. Se realizeaza circuitul amplificatorul sumator, utilizand valorile de rezistente:

Schema amplificatorului sumator

Daca la intrarea unui circuit inversor se aplica mai multe semnale se obtine la iesire suma ponderata (cu semn schimbat) a marimilor de intrare.

R₁=1 KW

R₂=10 KW

R₃=10 KW

R_comp=1 KW

Se observa ca semnalul de la iesire are amplitudinea egala cu suma ponderata, cu semn schimbat, a marimilor de la intrare. Semnalul V_in1 de la intrare are amplitudinea de 100mV, iar semnalul V_in2, tot de la intarare, are tensiunea continua de 1V. Semnalul de la iesire are amplitdinea de -1V. Semnalele de la iesire si intrare sunt in antifaza.

Se realizeaza circuitul derivator.

Daca pe intrarea unui circuit inversor de tipul (amplificator inversor) se pune un

condensator C₁ in locul rezistentei R₁, se realizeaza operatia matematica de diferentiere, obtinandu-se la iesire la iesire (la joasa frecventa) un semnal care este proportional cu derivata semnalului de intrare:

Schema derivatorului

Se realizeaza circuitul derivator, utilizand urmatoarele valori de elemente:

a) La intrare avem un semnal dreptunghiular.

R₁=1 KW

C₁=100 nF

R2=10 KW

Pentru a obtine dintru semnal sinusoidal un semnal cosinusoidal, se foloseste circuitul derivator. Tot circuitul derivator transforma semnalul triunghiular in semnal triunghiular. La circuitul derivator trec foarte bine frecventele inalte.

La frecvente mici, de 100Hz, ampitudinea semnalului de la iesire este aceeasi cu amplitudinea semnalului de la intrare.

b) La intrare avem un semnal dreptunghiular.

R₁=1 KW

C₁=100 nF

R2=10 KW

La frecvente mari, de 1KHz, ampitudinea semnalului de la iesire tinde sa creasca fata de amplitudinea semnalului de la intrare.

c) La intrare avem un semnal dreptunghiular.

R₁=1 KW

C₁=100 nF

R2=10 KW

R_comp=10 KW

Tipul de filtru este filtru trece-sus. (pentru ca suporta frecventele inalte)

4.3. Intra in oscilatie pentru ca nu mai are rezistenta (rezistenta R₁ a fost scurtcircuitata, shuntata). (am scurtcircuitat rezistenta R₁)

5. Se realizeaza circuitul integrator.

Daca in reactia unui circuit inversor de tipul (amplificatory inversor) se pune un condensator C₂ in locul rezistentei R₂, se realizeaza operatia matematica de integrare, obtinandu-se la iesire un semnal care este proportional cu integrala semnalului de intrare:

Schema integratorului

5.1. Se realizeaza circuitul integrator, utilizand urmatoarele valori de elemente:

a) La intrare avem un semnal dreptunghiular

R₁=10 KW

R2=100 KW

C₂=22 nF

Semnalul de la iesire are amplitudinea mai mica decar semnalul de intrare.

b) La intrare avem un semnal dreptunghiular.

R₁=10 KW

R2=100 KW

C₂=22 nF

Semnalul de la iesire tinde sa devina un semnal triunghiular la frecvente mari (la frecventa de 1 KHz, chiar devine dreptunghiular).

5.2. Tipul de filtru e filtru trece-jos.

La cresterea frecventei, amplitudinea scade.

6. Se realizeaza circuitul redresor monoalternanta si circuitul redresor bialternanta.

Cu ajutorul amplificatoarelor operationale se pot realize redresoare de precizie, capabile sa redreseze tensiuni mult mai mici decat tensiunea de deschidere a unei jonctiuni PN. Acest lucru e posibil datorita castigului in bucla deschisa al amplificatorului operational.

Schema redresor monoalternanta si bialternanta

La alternanta pozitiva, dioda este blocata si nu conduce.

Pentru redresor bialternanta:

La intrare avem un semnal sinusoidal, de amplitudine 50 mV.

Daca scot S, rezulta o reactie pozitiva si dioda S este deci necesara.

6.2 Pentru redresor bialternanta:

La intrare avem un semnal sinusoidal, de amplitudine 50 mV.

Se realizeaza circuitul amplificatorul logarithmic

Pentru a obtine un circuit cu o caracteristica logaritmica este sufficient ca in montajul inversor sa se introduca in reactie o jonctiune polarizata direct. Incluzand un transistor NPN in conexiune baza comuna (transdioda), tensiunea de iesire este proportionala cu logaritmul tensiunii de intrare:

Schema amplificatorului logarithmic

7.1 Se aplica un semnal triunghiular pozitiv la intrare.

Probeleme obligatorii de studiu in timpul sedintei de la laborator

1. Ce rol are rezistenta de pe borna "+" asupra functionarii amplificatorului operational in configuratia inverse?

Rezistenta de pe borna "+" este R_comp si este legata la masa. R_comp nu influenteaza amplificarea.

2. Determinati expresia amplificarii in tensiune a schemei din figura 1.4 in functie de R₁, R₂, R₃ si R₄, considerand amplificatorul operational si ideal.

R₁=1 KW

R₂=100 KW

R₃=1 KW

R₄=10 KW

3. Deduceti expresia amplificarii in tensiune a schemei din figura 1.5 si comparati rezultatul cu forma de unda obtinuta pe osciloscop.

4. Calculati functia de transfer a circuitului derivator si verificati astfel raspunsul in frecventa obtinut experimental.

Semnalul de la iesire este derivate semnalului de la intrare cu semn schimbat si inmultit cu RC.

5. Ce rol joaca R₂ de la circuitul integrator din fig. 1.7?

Se foloseste rezistenta R₂ pentru calculul constantei de timp V₀(t₀).

6. Explicati rolul diodei D₁ de la redresorul monoalternanta.

Dioda D₁ realizeaza redresarea monoalternanta. Cand alternanta e pozitiva, dioda D₁ este bloacata, deci nu conduce.