	Aeronautica	Comunicatii	Constructii	Electronica	Navigatie	Pompieri
	Tehnica mecanica

Electronica

Index » inginerie » Electronica
» Amplificatorul operational BA741

Amplificatorul operational BA741

Amplificatorul operational

Scopul lucrarii: studierea principalelor proprietati ale amplificatoarelor operationale.

2. Consideratii teoretice

Amplificatorul operational AO este un amplificator de tensiune integrat, de c.c., de banda larga, avand mai multe etaje, dintre care primul diferential. Denumirea provine de la destinatia sa initiala: realizarea operatiilor aritmetice in calculatoarele analogice.

AO se alimenteaza cu o sursa dubla de tensiune, pentru a putea realiza operatii cu semn. Cele doua intrari se numesc inversoare notata cu - si neinversoare notata cu +. Tensiunea de iesire u₀ poate lua orice valoare in intervalul (-U_alim+U_alim). In fapt plaja tensiunilor de iesire este usor micsorata, din tensiunile de alimentare scazandu-se tensiunile de saturare ale tranzistoarelor etajului de iesire care este in contratimp. Toate tensiunile se masoara fata de potentialul de referinta de 0V.

Tensiunea de iesire a AO este:

u₀= A_d ( u₊ - u_- ) + A_MC + U_OFF

unde:

A_d: amplificarea diferentiala;

A_MC: amplificarea de mod comun;

U_OFF: tensiune de decalaj termic (offset).

+U_alim

u₀

u_- u₊ -U_alim

Fig. 1.1 Amplificator operational

Efectul principal al AO, care este urmarit prin constructie, este cel de amplificator diferential de c.c., adica termenul A_d (u₊- u_-). Pentru ca AO sa poata functiona cu reactii negative puternice A_d are de regula valori foarte mari, valorile obisnuite depasind cu mult 10⁶.

Amplificarea A_MC se numeste 'de mod comun' si este nedorita. Termenul de mod comun este cauzat de asimetriile din etajul diferential de intrare. Cu cat simetria etajului diferential de intrare va fi mai perfecta, amplificarea de mod comun va fi mai mica decat cea diferentiala iar AO va fi mai bun. Rejectia modului comun se apreciaza prin raportul dintre amplificarea diferentiala si amplificarea de mod comun exprimat in dB:

CMRR= [dB]

CMRR - factorul de rejectie al modului comun atinge in mod obisnuit valori de 70100dB. AO de mare precizie au un inalt grad de simetrie a intrarii si deci un CMRR foarte bun. O masura de crestere a CMRR chiar de catre utilizatori este asigurarea unei simetrii cat mai bune a circuitelor conectate la cele doua intrari.

U_OFF, tensiunea de decalaj termic (offset) se manifesta prin tensiuni perturbatoare de valori mici (zeci-sute de μV) avand variatii lente, dependente de temperatura integratului. Ea se datorata asimetriilor etajului diferential de intrare provocate de variatiile inegale cu temperatura ale parametrilor tranzistoarelor. Offset-ul poate compromite prelucrarea semnalelor de valori mici si mai ales integrarile. In aceste cazuri se pot utiliza AO cu offset redus, asigurat prin constructie. Sunt posibile si metode active de compensare a offset-ului.

AO au doua proprietati fundamentale:

Amplificarea diferentiala A_d este foarte mare, practic infinita: uzual A_d > 10⁵;

Impedantele de intrare Zi₊ si Zi_- sunt foarte mari, putandu-se considera infinite (de obicei mai mari de 10¹²MW) rezultand ca si curentii de intrare sunt practic nuli. Impedantele de iesire sunt mici, ceea ce favorizeaza cuplajul electric intre etajele amplificatoare de tensiune.

Din cele de mai sus reiese faptul ca AO este o structura ideala pentru utilizarea reactiilor paralel-serie negative sau pozitive. Reactia negativa se obtine cupland iesirea cu intrarea inversoare, iar reactia pozitiva cupland iesirea cu intrarea neinversoare. Cuplarea se poate face printr-o rezistenta, sau prin diferite retele pasive.

AO mai au si alte proprietati favorabile: impedanta de iesire foarte mica, banda de frecventa foarte larga, caracteristica de transfer liniara si simetrica, etc.

Datorita acestor calitati AO s-au impus in realizarea circuitelor analogice ca solutie de referinta. Ele sunt prezente si in structura altor circuite integrate specializate pentru diferite functii. Se va observa prezenta stucturilor AO, de exemplu in circuitul integrat de temporizare bE555 cu functie de comparator sau in stabilizatorul bA723, ca amplificator de eroare.

Montaje fundamentale cu amplificatoare operationale

a) Amplificatorul inversor

Configuratia cea mai importanta pentru intelegerea functionarii AO este cea de amplificator inversor, prezentata in figura urmatoare.

R₂ nu circula curent (Z_in = ). Aceasta rezistenta nu este obligatorie, dar se recomanda pentru a sime-triza cat mai bine intrarea in AO si a creste astfel CMRR. Avand in vedere amplificarea diferentiala infinita, potentialul celeilalte intrari, cea inversoare, va ramane fixat tot la OV, daca iesirea U₀ nu se satureaza (nu ajunge la E). Tensiunea diferentiala u_d care respecta conditia

u_d=u₊-u_-<E/A_d

va fi de regula neglijabila din cauza valorilor mari ale A_d.

R₁ R₂

u_d

u_i

u₀

R₁|| R₂

A_u R_in= R₁

Fig. 1.2 Amplificator inversor

Intrarea inversoare fiind virtual la OV, tensiunea de intrare in amplificatorul inversor U_i(a nu se confunda cu U_-) va produce prin R₁ un curent de valoare i(t) = u_i(t) / R₁. Deoarece impedanta de intrare in AO este infinita, singura cale de iesire din nod a acestui curent (conform legii I a lui Kirchoff) va fi asigurata de tensiunea de iesire U₀ care va lua o astfel de valoare, de semn opus celei de intrare, incat prin rezistenta R₂ sa se scurga integral curentul i(t). Cunoscand tensiunea de iesire, se poate calcula amplificarea in tensiune a amplificatorului inversor:

Amplificarea depinde numai de raportul rezistentelor R₂/R₁. Facand apel la cunostintele despre reactia negativa, se constata ca R₂ realizeaza o astfel de reactie, de tip paralel-serie cu efect stabilizator. Cand R₂/R₁ este subunitar amplificatorul inversor devine atenuator (A_u<1).

Un caz particular de amplificator inversor este inversorul, care se obtine cand R₁ = R₂ iar u₀ = - u_i. Pentru inversor A_u= 1.

Din punct de vedere al rezistentei de intrare, acest amplificator avand R_int= u_i(t)/i(t) = R₁ este dezavantajos cand dorim amplificarea unor semnale de tensiune de putere foarte mica (de exemplu in traductoare, amplificatoare de masura etc.). Intr-adevar, daca am incerca sa crestem R₁ cresterea rezistentei de intrare ar fi inutila, deoarece in acelasi timp ar scadea amplificarea. Aceasta proprietate poate fi insa utila cand se impune adaptarea intrarii la impedante mici, intr-un domeniu larg de frecvente.

b) Amplificatorul neinversor

Daca intrarea se va aplica bornei neinversoare, impedanta de intrare in amplificatorul astfel obtinut se va pastra la valorile foarte mari ale AO propriuzis.

Curentul i care strabate rezistentele R₁ si R₂ are valoarea iar tensiunea de la iesire se calculeaza usor:

Amplificarea rezulta imediat:

A_u

R₁ R₂

u_i u₀

R₁|| R₂

Fig. 1.3 Amplificator neinversor

Un caz particular de amplificator neinversor este repetorul (R₁ = sau R₂ = 0), util cand se doreste amplificarea unor semnale de tensiune foarte slabe.

u_i u_i

u_i u_i

Fig. 1.4 Repetoare

c) Circuite de adunare si scadere

Proprietatea amplificatorului inversor de a transmite la iesire curentul care intra in nodul intrarii inversoare, prin rezistenta de reactie, se pastreaza si daca exista mai multi curenti de intrare incidenti. Pe rezistenta de reactie are loc o insumare a curentilor de intrare. Rezulta ca in cazul in care toate rezistentele au aceeasi valoare, vom obtine la iesire suma tensiunilor de intrare cu semn schimbat, din cauza caracterului inversor al amplificatorului.

Curentul i_R care strabate rezistenta de reactie R_R are valoarea

Daca R₁ = R₂ = . = R_n = R_R = R tensiunea de iesire va fi, in consecinta:

R_n

i_n

i_R

u_i_n

R₁ R_R

i₁

u_i

u₀

Fig. 1.5 Amplificator sumator

Scaderea poate rezulta adaugand circuite inversoare la intrarile de tip descazut ale sumatorului. Daca dorim insa utilizarea unui singur AO, se poate realiza schema urmatoare, interesanta mai ales prin modul de calcul al u₀, care apeleaza la principiul superpozitiei. u₀₁ si u₀₂ sunt componentele lui u₀ datorate tensiunilor de intrare u₁ respectiv u₂, calculate pe rand. Cand calculam efectul lui u₀₁ consideram u₂=0 iar cand calculam efectul lui u₀₂ consideram u₁=0. Rezultatul final se obtine prin insumarea celor doua rezistente partiale.

u₀₁ =

u₀₂ =

u₀= u₀₁ + u₀₂ =

La calculul lui u₀₁ s-a avut in vedere faptul ca u₁ este ponderata prin divizorul de tensiune R₃-R₄.

R₂

R₁ V₊

βA741

4 10

u₂

5 u₀

u₁R₃ V_-

R₄

Fig. 1.6 Circuit de scadere cu amplificatorul

operational βA741

Daca este realizata conditia , tensiunea de iesire va fi u₀ = (u₁ - u₂) iar atunci cand R₁ = R₂ = R₃ = R₄ iesirea este diferenta intrarilor: u₀ = u₁ - u₂.

3. Desfasurarea lucrarii

Se apeleaza programul Electronics Workbench 5.12 si se realizeaza schemele din figurile de mai jos