curs 09 amplificatoare operationale

Dispozitive Electronice şi Electronică AnalogicăSuport curs 09 –Amplificatorul operaţional.

Amplificatorul operaţional

1. Simbolul amplificatorului operaţional

Amplicatorul operaţional (prescurtat AO) este un circuit integrat, compus

dintr-un set de tranzistoare. În Figura 1 este prezentată structura internă a unui

astfel de amplificator, în care simbolurile notate cu Q reprezintă tranzistoarele.

Figura 1. Structura internă a amplificatorului operaţional LM741.

Structura prezentată mai sus este integrată prin tehnologii adecvate şi

încapsulată într-un material special apoi livrată utilizatorului sub forma unui circuit

integrat, în capsule de diferite forme, prezentate în Figura 2.

1


Figura 2. Amplificatoare operaţionale livrate sub diferite capsule.

Din Figura 1 se remarcă faptul că un amplificator operaţional este un circuit

cu două borne de intrare şi o singură bornă de ieşire. Între bornele de intrare şi

masa circuitului se aplică semnalele care reprezintă informaţia care urmează a fi

prelucrată. Rezultatul prelucrării acestor semnale este furnizat între borna de

ieşire a circuitului şi masa acestuia.

Una din intrări se numeşte intrare inversoare, deoarece între semnalul

rezultat la borna de ieşire şi cel aplicat la borna de intrare respectivă, există un

defazaj de 1800. A doua intrare se numeşte intrare neinversoare, deoarece

între semnalul rezultat la borna de ieşire şi cel aplicat la borna de intrare

respectivă, există un defazaj de 00.

Pentru ca amplificatorul operaţional să poată prelucra semnalele aplicate pe

cele 2 borne de intrare, este necesar ca acestuia să i se furnizeze energie.

Această energie provine de la 2 surse de alimentare, care furnizează circuitului

integrat o tensiune continuă pozitivă, respectiv una negativă faţă de masa

circuitului electronic (pentru anumite variante de amplificatoare operaţionale este

suficientă şi o singură sursă de alimentare).

Utilizarea structurii amplificatorului operaţional în analiza sau proiectarea

sistemelor electronice care conţin acest tip de circuite este incomodă. Din acest

motiv, în sistemele electronice, în locul structurii din Figura 1, amplificatorul

operaţional este reprezentat prin intermediul unui simbol, în care sunt scoase în

evidenţă cele 5 bornele de interes ale amplificatorului – bornele de semnal,

respectiv cele de alimentare. Simbolul amplificatorului operaţional este prezentat

în Figura 3.

2


Figura 3. Simbolul amplificatorului operaţional.

Intrarea notată cu “+” reprezintă intrarea neinversoare, iar cea notată cu “–”

reprezintă intrarea inversoare. Pe aceste intrări se aplică tensiunile de intrare,

care sunt notate în mod uzual cu vi+, respectiv vi

-. Diferenţa dintre cele 2 tensiuni

de intrare se numeşte tensiune de intrare diferenţială şi este notată viD. AO-ul are

o singură ieşire, de unde se preia tensiunea de ieşire notată vo.

Simbolul AO-ului conţine şi cele două borne de alimentare. Borna pe care se

aplică tensiunea de alimentare pozitivă se notează cu VCC, iar borna pe care se

aplică tensiunea de alimentare negativă se notează cu VEE.

În figura de mai sus, prin i+ şi i- s-au notat curenţii de pe cele 2 intrări ale AO-

ului.

2. Parametrii amplificatorului operaţional

A. Caracteristica de funcţionare

Rolul AO-ului este de a amplifica în tensiune diferenţa dintre semnalele

aplicate pe bornele de intrare ale acestuia. Relaţia 9.1 exprimă legătura dintre

semnalul de ieşire şi cele 2 semnale de intrare.

9.1

3


Parametrul notat AV_AO reprezintă factorul de amplificare al AO-ului şi este de

ordinul sutelor de mii (AV_AO100000). Deşi capacitatea de amplificare în

tensiune a a AO-ului este foarte mare, variaţia maximă a valorii tensiunii de ieşire

vo este limitată la valori apropiate de valorile tensiunilor de alimentare VCC,

respectiv VEE. Valorile limită ale tensiunii de ieşire vo se numesc tensiuni de

saturaţie. Deoarece AO-ul este alimentat de la 2 tensiuni de alimentare diferite,

tensiunile de saturaţie au 2 valori distincte, definite ca în relaţia 9.2:

9.2

Funcţionarea AO-ului este caracterizată de către caracteristica sa de transfer,

prezentată în Figura 4, care furnizează o imagine grafică a legăturii dintre

tensiunea de ieşire vo şi tensiunea de intrare diferenţială viD (diferenţa dintre

tensiunile de intrare).

Figura 4. Caracteristica de transfer (de funcţionare) a AO-ului.

Din caracteristica de transfer a AO-ului se observă că acesta poate funcţiona

în 2 regiuni distincte şi anume:

regiunea liniară, în care AO-ul poate amplifica semnalele de intrare fără a

genera distorsiuni la ieşirea sa, funcţionarea fiind caracterizată de relaţia

9.1.

4


regiunea de saturaţie, în care AO-ul generează distorsiuni la ieşirea sa,

funcţionarea fiind caracterizată de relaţia 9.3:

9.3

Datorită amplificării în tensiune foarte mari, în regiunea liniară panta

caracteristicii de funcţionare este foarte mare (segmentul de dreaptă din această

regiune se confundă cu axa verticală a graficului), iar domeniul de valori ale lui viD

în această regiune tinzând la 0V. Din acest motiv, datorită semnalelor parazite

care sunt prezente permanent pe bornele de intrare ale AO-ului, tensiunea de

ieşire vo a AO-ului va lua întotdeauna una din cele 2 valori de saturaţie.

Deoarece tensiunea de la ieşirea amplificatorului operaţional vo nu poate lua

decât două valori distincte VSAT+, respectiv VSAT

-, acesta nu poate amplifica un

semnal deoarece îl distorsionează.

B. Caracteristica de frecvenţă

Amplificarea în tensiune AV_AO se menţine la valori în jurul sutelor de mii

numai dacă frecvenţa tensiunii de intrare viD este foarte mică. Pentru valori mari

ale acestei frecvenţe, se constată că valoarea amplificării în tensiune AV_AO se

reduce; la creşterea frecvenţei lui viD de 10 ori se observă o reducere a

amplificării în tensiune AV_AO de 10 ori (sau cu 20decibeli). Dependenţa

parametrului AV_AO de frecvenţa lui viD este descrisă grafic prin intermediul

caracteristicii de frecvenţă, prezentată în Figura 5. Pe această figură au fost

scoşi în evidenţă 2 parametrii importanţi ai AO-ului:

frecvenţa superioară fs_AO = frecvenţa lui viD la care amplificarea în tensiune

AV_AO se reduce de 0.707 (3decibeli) ori faţă de valoarea sa maximă;

valoarea tipică a acestei frecvenţe este de ordinul zecilor de hertzi.

frecvenţa unitate fB = frecvenţa lui viD la care amplificarea în tensiune AV_AO

devine egală cu unitatea; valoarea tipică a acestei frecvenţe este în jurul

valorii 1MHz.

5


Figura 5. Caracteristica de frecvenţă a AO-ului.

Limitări introduse de AO la frecvenţe mari, în regim variabil de semnal

mare

Un fenomen specific circuitelor cu AO constă în apariţia unor distorsiuni ale

formei de undă ale tensiunii de ieşire, în cazul în care frecvenţa şi

variaţia acesteia este mare. Acest fapt este datorat limitărilor introduse de AO,

care este incapabil să producă variaţii rapide ale tensiunii de ieşire vo. Parametrul

AO-ului care indică nivelul limitărilor în viteza de variaţie a tensiunii de ieşire vo se

numeşte slew-rate (SR) şi furnizează informaţii despre valoarea variaţiei

maxime a tensiunii de la ieşirea amplificatorului pe care acesta o poate genera

într-o microsecundă:

Pe baza parametrului SR se mai defineşte frecvenţa maximă a AO-ului

fMAX_AO care reprezintă frecvenţa până la care AO-ul poate păstra nedistorsionată o

tensiune de o anumită amplitudine Vo. Între cei doi parametrii există următoarea

relaţie:

9.4

unde v0_MAX reprezintă variaţia maximă a tensiunii de ieşire şi este egală cu:

6


2. Modelarea amplificatoarelor operaţionale

Datorită caracteristicilor generate de structura sa, AO-ul poate fi modelat prin

intermediul unui amplificator de tensiune ideal. Din acest motiv, AO-ul se va

considera un element de circuit liniar, care are rezistenţa de intrare Ri_AO de

valoare infinită, iar reziszenţa de ieşire Ro_AO de valoare zero:

9.5.a

Datorită rezistenţei de intrare de valoare infinită, curenţii de intrare ai AO-ului (i+

şi i- sunt egali cu zero).

9.5.b

Fiind un amplificator de tensiune ideal, amplificarea în tensiune a AO-ului se va

considera infinită:

9.5.c

7

curs 09 amplificatoare operationale

Documents