Sari la conținut

Bine ați venit pe site-ul web TEHNIUM AZI - un site web cu și despre tehnologie în memoria revistei Tehnium.

    Bine ați venit pe site-ul web TEHNIUM AZI, ca în cele mai multe comunităţi online și aici trebuie să vă înregistraţi pentru a vizualiza, descarca fișiere sau posta în comunitatea noastră, dar nu vă faceţi griji acesta este un proces simplu, gratuit, care necesită informaţii minime pentru înscriere. Faceți parte din comunitatea TEHNIUM AZI prin autentificare sau crearea unui cont de utilizator pentru: a incepe subiecte noi şi răspunde la alte subiecte; a te abona la subiecte şi forumuri în scopul obținerii de informații actualizate în mod automat; a avea propriul tău profil și ați face noi prieteni; și pentru a vă personaliza experienţa dumneavoastră aici.

    Pentru suport tehnic vă rugăm să vizitați:   FORUMUL  TEHNIUM AZI

Today's Birthday's
Amplificatorul operational
* * * * *
1.Generalități

Imagine postată
Necesitatea miniaturizării circuitelor electronice a condus la includerea într-o singură capsulă a mai multor componente discrete, cum ar fi: tranzistoare, diode, rezistențe etc. S-a ajuns astfel la realizarea circuitelor integrate unde majoritatea elementelor componente ale unui circuit sunt incluse intr-o singură capsulă. Dacă în această capsulă transpunem schema cu componente discrete a unui amplificator operațional atunci putem spunem ca circuitul integrat este un amplificator operațional (fig.1).

Amplificatoarele operaționale (A.O.) sunt amplificatoare de curent continuu cu amplificare mare proiectate inițial pentru a realiza anumite operații matematice, având intrări diferențiale și, de regulă, o singură ieșire. Deși un amplificator operațional este un amplificator ideal, cu o amplificare infinită, bandă infinită și un răspuns în frecvență perfect plat, impedanță de intrare infinită și impedanță de ieșire 0, fără drift cu temperatura, în practică, amplificatorul operațional are următoarele caracteristici:
- impedanță mare de intrare;
- impedanță mică de ieșire;
- câștig foarte mare (peste 50 000);
- bandă foarte mare și răspuns foarte plat în frecvență;
- drift cu temperatura foarte mic.

Imagine postată
Constructiv, un amplificator operaţional este constituit din: două intrări (inversoare şi neinversoare), o ieşire şi terminalele de alimentare, aşa cum se arată în fig.2. Există o mulțime de aplicații ale amplificatorului operațional, printre care inversorul, amplificatorul ne-inversor, repetor de tensiune, amplificatorul sumator, amplificatorul integrator, amplificatorul diferențial și compatorul. Pentru a determina aplicația specifică, se conectează diferite componente externe amplificatorului operațional.

2. Scurt istoric

1941 - Primul tub electronic amplificator operaţional. Primul amplificator operaţional a fost găsit in patentul american nr. 2401779 "Amplificator Sumator", înregistrat în 1941 de Karl D. Swartzel Jr. de la laboratoarele Bell. Acest design utiliza trei tuburi electronice în vid pentru a realiza un câştig de 90dB şi funcţiona la o tensiune simetrică de ± 350V. Circuitul avea o singură intrăre neinversoare destul de asemănătoare cu intrările diferenţiale inversoare şi neinversoare din amplificatoarele operaţionale prezente. De-a lungul celui de-al doilea război mondial invenţia lui Swartzel s-a dovedit foarte valoroasă, aceasta fiind utilizată în controlul artileriei M9, într-un sistem conceput de laboratoarele Bell. Acest sistem de control al artileriei lucra cu sistem radar SCR584 pentru a îmbunătăţi rata de atingere a ţintelor, ajungând astfel la aproape 90%, procent care nu mai fusese atins până atunci.

Imagine postată

1947 - Primul amplificator operaţional cu intrări inversoare şi neinversoare
În 1947, amplificatorul operaţional a fost pentru prima oară definit în mod formal şi numit într-o lucrare de profesorul John R. Ragazzini de la Universitatea Columbia. În această lucrare o notă de subsol menţionează că amplificatorul operaţional a fost proiectat de un student a cărui lucrare s-a dovedit a fi importantă. Acest amplificator operaţional, proiectat de Loebe Julie, a fost superior din mai multe puncte de vedere. El a avut două inovaţii majore. În circuitul de intrare a folosit o triodă pentru a reduce deriva circuitului de ieşire şi, mult mai important, a fost primul amplificator operaţional care avea două intrări (inversoare şi neinversoare). Intrările diferenţiale au făcut o serie întreagă de noi funcţionalităţi posibile.

1948 - Primul chopper stabilizator cu amplificator operaţional
În 1949, Edwin A. Goldberg a proiectat chopper stabilizator cu A.O.. Acesta este compus dintr-un amplificator operaţional obişnuit şi un amplificator de c.a. care funcţionează în paralel cu AO-ul. Chopper-ul culege semnalul de curent alternativ prin comutarea tensiunii continue între valoarea nominală şi masă, într-un ritm rapid (60Hz sau 400Hz). Acest semnal este apoi amplificat, redresat, filtrat şi alimentează intrarea neinversoare a amplificatoarelor operaţionale. Acest lucru a imbunătăţit considerabil câştigul amplificatoarelor operaţionale prin reducerea semnificativă a derivei termice şi a dc offset-ului. Din păcate, orice AO care era folosit cu chopper-ul nu putea folosi intrarea neinversoare pentru orice alt scop. Cu toate acestea, caracteristicile mult îmbunătăţită a chopper-ului stabilizator cu AO a crescut rata de utilizare a amplificatoarelor operaţionale. Tehnicile care vor folosi în mod uzual intrarea neinversoare nu vor fi foarte populare până în anii 1960 când vor apărea circuitele integrate amplificatoare operaţionale. În 1953, tuburile electronice amplificatoare operaţionale au devenit disponibile comercial odată cu lansarea modelului K2-W de George A., Philbrick Researches, Incorporated.

1961 - Primul circuit integrat amplificator operaţional
Odată cu naşterea tranzistorului în 1947 şi a tranzistorului de siliciu în 1954, conceptul de circuit integrat a devenit o realitate. Introducerea procesului planar în 1959 a făcut tranzistorii şi circuitele integrate suficient de stabile şi ieftine pentru a fi comercializate. Prin 1961 s-au produs primele circuite integrate amplificatoare operaţionale. Aceste A.O.-uri au fost efectiv mici placi de circuit având pe margine conectori. De obicei, ele permiteau selectarea manuală a rezistorilor, în scopul de a îmbunătăţi anumite lucruri, cum ar fi tensiunea de offset si deriva cu temperatura. În 1961, P45 se putea alimenta la ± 15 V şi avea un câştig de 94dB şi putea accepta pe intrare semnale în intervalul ±10V.

1962 – Primele A.O.-uri modularizate
Prin 1962, mai multe companii au produs placuţe modulare care putea fi introduse în circuite imprimate. Aceste pachete au fost extrem de importante conducând la includerea într-o singură capsulă a amplificatorului operaţional. Odată realizat acest lucru, amplificatoarele operaţionale putea foarte uşor să fie incluse în diferite scheme, rezultând astfel circuite mai mici.

1963 – Primul circuit integrat amplificator operaţional în tehnologie monolitică
În 1963 a fost proiectat de Bob Widlar, de la Fairchild Semiconductor, primul amplificator operaţional în tehnologie monolitică. Circuitele integrate monolitice constau numai într-un singur chip. Spre deosebire de cip mai există şi circuite discrete, numai cu piese (IC discret) sau mai multe chip-uri libere conectate pe o placă de circuit (IC hibrid). Aproape toate amplificatoarele operaţionale moderne sunt circuite integrate monolitice; cu toate acestea, acest prim circuit integrat nu a avut prea mult succes. Probleme cum ar fi o tensiune de alimentare innegală, câştigul redus şi o gamă dinamică mică, nu a putut să-i asigure o poziţie dominantă în rândul amplificatoarelor operaţionale până în 1965, atunci când μA709, proiectat de către Bob Widlar, a fost lansat.

1968 – Lansarea μA741 – cel mai utilizat amplificator operaţional
Popularitatea operaţionalelor monolitice a crescut şi mai mult odată cu lansarea circuitului integrat amplificator operaţional LM101 în 1967, care a rezolvat o varietate de aspecte, dar şi cu lansarea ulterioară a μA741 în 1968. Circuitul integrat uA741 a fost extrem de similar cu LM101 cu excepţia faptului că avea inclus un condensator de 30 pF, pentru compensare, în interiorul capsulei, în timp ce LM101 necesita compensare externă. Această diferenţă minoră a făcut din uA741 unul din cele mai utilizate amplificatoare operaţionale, a cărui mod de amplasare a pinilor a devenit ulterior referinţă. Acest operaţional este încă în producţie şi a devenit omniprezent în electronică, mulţi producatori de componente electronice realizând acest cip clasic, recunoscut sub denumirea simplă de 741.

1966 – Primul amplificator operaţional „varactor bridge"
De la 741, au existat mai multe direcţii diferite luate în proiectarea amplificatoarelor operaţionale. Operaţionalele „varactor bridge" au început să fie produse în anii 60, sunt caracterizate prin curenţii mici de intrare şi sunt cele mai bune amplificatoare operaţionale disponibile, având o capacitate mare de rejecţie a zgomotului sursei de alimentare şi pot trata în mod corect, sute de volţi, la intrările lor. În anii 1970, viteza mare, curenţi de intrare reduşi, s-au putut realiza utilizând tranzistoare FET. Aceştia, vor fi în cea mai mare parte, înlocuiţi de tranzistoarele MOS în anii 80. Pe parcursul anilor 70 au fost disponibile mai multe amplificatoare operaţionale cu o singură sursă de alimentare.

1972 – Primul AO alimentat nesimetric
Cu o singură sursă de alimentare tensiunile de intrare şi ieşire pot fi la fel de mici ca tensiunea de alimentare negativă în loc să fie de cel puţin doi volţi deasupra ei. Rezultatul este acelă că se poate funcţiona în multe aplicatii cu pinul de alimentare negativ conectat la masa sursei de semnal, eliminând astfel nevoia pentru o sursă de alimentare negativă separată.

1972 – Primul circuit integrat cu patru AO-uri incluse în capsulă
LM324 a fost primul circuit integrat amplificator operaţional quad, devenind mai târziu un standard industrial. În plus, încapsularea multiplelor amplificatoarelor operaţionale în aceeaşi capsulă, a condus în anii 1970 la naşterea amplificatoarelor operaţionale în capsule hibride. Aceste AO-uri au îmbunătăţit, în general, versiunile existente ale operaţionalelor monolitice. Deoarece, tensiunile de alimentare a circuitelor analogice au scăzut (asemenea celor digitale), a fost necesar realizarea amplificatoarelor operaţionale de joasă tensiune, tocmai pentru a urmări acest trend. Astfel, s-a ajuns la tensiuni de alimentare simetrice de +/-5V sau numai 5V sau chiar mai mici.

3. Mărimi Caracteristice

Imagine postată
a. Factorul de amplificare(câştigul) diferenţial în bucla deschisă
A0 reprezintă raportul dintre variaţia tensiunii de ieşire (V0) şi tensiunea diferenţială de intrare (vezi figura 4):

Imagine postată

b. Factorul de amplificare pe mod comun în bucla deschisă
AMC reprezintă raportul între variaţia tensiunii de ieşire şi media aritmetică a tensiunilor de intrare:

Imagine postată

Acest parametru rezultă din faptul că, chiar în cazul în care cele două tensiuni de intrare, ,sunt egale însă diferite de zero se produce tensiunea la ieşirea amplificatorului operaţional. În cazul ideal, al amplificatorului operaţional perfect AMC=0.

c. Tensiunea de decalaj (offset) de la intrare
UEI este valoarea tensiunii continue aplicată la una din intrările circuitului pentru care ieşirea este nulă: V0=0.

d. Curentul de polarizare de intrare - iB, unde iB este valoarea medie a curenţilor de intrare:
Imagine postată
e. Factorul de rejecţie pe mod comun – CMR
Este raportul dintre factorul de amplificare diferenţial A0 şi factorul de amplificare pe mod comun: AMC.
Imagine postată
Conform celor arătate mai sus, întrucât la un amplificator perfect AMC=0, rezultă în acest caz: CMR=∞

f. Banda de trecere în bucla deschisă
Este domeniul (gama) de frecvenţe în care amplificarea scade la valoarea de AU/√2 (-3dB) faţă de valoarea maximă: AU.

4. Funcţionarea amplificatorului operaţional

4.1 Amplificatorul operational inversor

Imagine postată
În cazul acestui tip de amplificator semnalul se amplifica pe borna notata cu (-), iar borna (+) este legata la masa (fig.5). Aplicand teorema intai a lui Kirchhoff in jurul nodului de la intrare se obtine relatia:
Imagine postată
unde: - curentul dat de tensiunea V1;
- curentul de reactie, ce apare prin bucla formată de rezistenta ;
- curentul prin intrarea amplificatorului operational.
Deoarece:
Imagine postată
Dar:
Imagine postată
Deoarece:
Imagine postată
Și deci câștigul:
Imagine postată
Se observa semnul (-) indicand ca tensiunea de iesire este in pozitie de faza fata de cea de intrare. Unele proprietati ale amplificatoarului operational inversor se pot deduce din aceasta relaţie.

- Înmultirea cu o constanta, punând condiţia :

Imagine postată

deci tensiunea de iesire reproduce tensiunea de intrare, multiplicata de k ori.

- Împartirea cu o constanta. Daca:

Imagine postată

deci tensiunea de iesire este o fractiune a tensiunii de intrare.

- Circuit repetor:

Imagine postată

- Circuitul sumator:

Imagine postată

În cazul în care la intrarea inversoare se aplica mai multe tensiuni, prin intermediul unor rezistențe, la ieșire se obține un semnal în antifaza, proporțional în modul cu suma lor. Aplicând prima teorema a lui Kirchhoff (fig. 6b) se obţin relaţiile urmatoare:

Imagine postată

Exemplu 1: Să se determine câștigul și tensiunea de ieșire pentru un AO inversor cu tensiunea de intrare V1=50mV, R1=1kOhm, R2=2,2KOhmi. Soluție: Câștigul este: A(-)=-R2/R1=-2,2/1=-2,2; iar semnalul de ieșire reprezinta produsul dintre semnalul de intrare și câștig = -2,2 x 50mV=-110mV (a se vedea relația (9) și fig.5).


Exemplu 2: În fig. 6b dacă avem numai R1 și R2 și R=R1=R2=5KOhm, atunci câștigul pentru ambele intrări va fi: 5kOhm/5kOhm=-1. Date fiind V1=+1V și V2=+2V obținem la ieșire un nivel datorat lui V1 de 1 x (-1)=-1V și o ieșire datorată lui V2 de 2 x (-1)=-2V. Prin urmare ieșirea totală este V0=-1-2=-3V.

4.2 Amplificatorul operational neinversor

Imagine postată
În acest caz semnalul se aplica pe borna (+). Pentru a deduce valoarea amplificării, se observă că tensiunea între borna A și masă se obține din circuitul alimentat de tensiunea de ieșire astfel:

Imagine postată

Deoarece A=∞ , atunci VA=V0=0, deci VA=VB=V1 (V1 reprezinta tensiunea de intrare). În acest caz:

Imagine postată

Câștigul va fi:

Imagine postată

Se observă că semnalul de ieșire este în fază cu cel de intrare.
Proprietățile acestui amplificator se pot deduce ca și în cazul celui inversor, din formula amplificării. Se observa că el nu poate diviza deoarece A+>1, decat în cazul în care una din rezistențe se înlocuiește cu un dispozitiv ce prezintă rezistență negativă (diode tunel). Cu elemente fizice obișnuite, el poate realiza:

- Înmulţirea cu o constanta. Se pune urmatoarea condiție:
Imagine postată
Atunci:
Imagine postată

Imagine postată
- Sumator. Considerând circuitul de mai sus, se pot stabili urmatoarele relații:
Imagine postată
În jurul nodului aplicand prima teorema a lui Kirchhoff, obtinem:
Imagine postată
în care:
Imagine postată
Înlocuind obţinem:
Imagine postată
Presupunând pentru simplificare: R1=...=Rn=R, obţinem:
Imagine postată
dar:
Imagine postată
deci:
Imagine postată
Dacă:
Imagine postată
Se observă că la iesire s-a obţinut suma tensiunilor aplicate de la intrare, în aceeaşi fază. Pentru a funcționa în current alternativ, amplificatorul operational trebuie sa fie prevăzut cu condensatoare pe circuitele de semnal sau pe cele de reacție, după scopul urmarit. Obţinerea unei amplificari liniare impune alegerea judicioasa a valorilor condensatoarelor folosite.

4.3 Amplificatorul operaţional integrator

Imagine postată
Pentru obţinerea unui A.O. de tip I, rezistenţa din circuitul de reacţie va fi inlocuită cu o capacitate rezultând schema din fig.9. Se considera ca tensiunea uC2, la bornele capacitaţii are valoarea:
Imagine postată
Respectiv, având în vedere u1i≈0 se obţine:
Imagine postată
Între tensiunea uC2 la bornele capacitaţii C2 si curentul I2 care trece prin capacitatea respectivă există relaţiile:
Imagine postată
Înlocuind în expresia (31) valoarea lui uC2 din relaţia (30) rezultă:
Imagine postată
Pentru curentul I1 se pastrează relaţia I11=u1-u1i şi ţinând cont de u1i≈0 se obţine:
Imagine postată
Înlocuind expresiile (32), (33) în relaţia I1≈I2 se obţine:
Imagine postată
Din relaţia (34) se constată că amplificatorul operaţional cu schema din fig.9 realizeaza o lege de tip I, intrucât expresia (34) corespunde relaţiei de definiţie a unei legi I de forma:
Imagine postată
Din expresiile (33) si (34) rezultă pentru schema considerată:
Imagine postată

4.4 Amplificatorul operaţional de tip PI

Imagine postată
Ca să obţinem un A.O. de tip PI, în circuitul reacţiei negative din fig.5 trebuie să introducem, în serie cu rezistenţa , capacitatea . Rezultă astfel schema din fig.10, care reprezintă un A.O. de tip PI sau facând o analogie în automatică, putem spune că schema din fig.10 reprezintă un regulator de tip PI cu amplificator operaţional.

În acest caz tensiunea uC2 la bornele capacitaţii C2 este similară cu cea redată în expresia (31). Iar dacă tensiunea uR2 pe rezistenţa R2 are expresia:

Imagine postată

Atunci însumând tensiunile uC2 si uR2 se obţine diferenţa tensiunilor de la bornele circuitului de reacţie, respectiv:

Imagine postată

Şi având în vedere u1i≈0, rezultă:

Imagine postată
Pentru curentul I1 se pastreaza valoarea din expresia (33), intrucât în circuitul de intrare se gaseşte aceeaşi rezistenţă R1, ca în figurile 5 şi 9, rezultă:
Imagine postată
Înlocuind în (40) se obţine:
Imagine postată
Expresia (41) atesta că schema din figura 10 realizeaza o lege de reglare de tip PI, întrucat, facând abstracţie de semnul (-), de care se ţine seama la realizarea conexiunilor electrice la ieşirea regulatorului, aceasta corespunde relaţiei care defineşte legea de tip PI:
Imagine postată
Dacă dorim să modificăm parametrii KR şi Ti ai regulatorului cu A.O., atunci rezistenţele R1 şi R2 vor trebui să fie reglabile. Din relaţiile (41) si (41) se constata că dacă valoarea rezistenţei este modificată pentru a obţine o variaţie a valorii , atunci se obţine şi o modificare nedorită a valorii , deci intervine o interdependenţă a acordarii parametrilor regulatorului.

Din relaţiile 41 si 42 rezultă pentru schema din fig.10:
Imagine postată
4.5 Amplificatorul operaţional de tip proportional – derivativ (PD)

Imagine postată
Pentru obţinerea unui amplificator operaţional de tip PD, care să fie caracterizat de legea de tip proportional – derivativ, în circuitul de intrare trebuie să introducem în paralel o rezistenta şi o capacitate , aşa cum se arată în figura 11.
În aceasta schemă curentul I1, care intra în nodul M, este egal cu suma curenţilor I1R şi I1C prin rezistenţa R1 şi capacitatea C1. Pentru curentul I1C rezultă expresia:
Imagine postată
Deoarece u1C=u1+u1i şi considerand relaţia u1i≈0 rezultă:
Imagine postată
Pentru curentul IR1 şi I1 se obţine:
Imagine postată
Pentru curentul I2 avem: I2=(u1i-u3)/R2 şi având în vedere: u2i≈u1i se obţine:
Imagine postată
Înlocuind expresiile curenţilor I1 şi I2 se obţine:
Imagine postată
Aceasta expresie atesta faptul că schema din fig.11 realizeaza o lege de reglare PD, intrucât aceasta expresie corespunde relaţiei ce defineşte legea PD:
Imagine postată
Rezultă:
Imagine postată

4.6 Amplificatorul operaţional de tip PID

Imagine postată
Pentru obţinerea unui amplificator operaţional de tip PID, circuitul de intrare trebuie sa aiba aspectul redat în figura 12.
  • mmarius și Gabix like this


3 Comentarii

Poză
ardeleanu bogdan
dec 14 2013 12:14
la amplificatorul neinversor reactia trebuia sa fie negativa

Corect.

Poză
Alexandru.1.ardelean
mai 24 2016 07:47

am si eu un amplificator ba 718. puteti sa ma ajutati cu o schema a lui si cu cce trebuie sa conectez la el si unde? multumesc

Latest News

Last FAQ

  • ian 11 2013 08:57
    Izolatia externa reprezinta izolația părților exterioare ale unui echipament, constând din distanțe de separare în aer si din suprafețele în contact cu aerul ale izolației solide ale unui echipament, care sunt supuse la solicitări d...
  • mar 03 2013 04:16
    Este o retea electrică al cărei punct neutru nu are nici o legătură voită cu pământul, cu excepia celei realizate prin aparate de măsurare, de protecie sau de semnalizare, având o impedană foarte mare.
  • iul 01 2014 08:27
    Acest nivel de izolatie se defineste astfel:a) pentru echipamentele cu tensiunea cea mai ridicată < 245 kV:- tensiunea nominală de tinere la impuls de trăsnet si- tensiunea nominală de tinere de scurtă durată la frecvenă indu...
  • ian 11 2013 08:34
    Supratensiunile electrice tranzitorii sunt de trei tipuri:- supratensiune cu front lent: Supratensiune tranzitorie, în general unidirecțională, având durata până la vârf 20 μs < Tp < 5000 μs si durata spatelui T2 < 20 ms...
  • aug 07 2012 08:30
    Sitemele de achizitie de date se clasifica avand in vedere doua criterii:dupa conditiile de mediu in care lucreaza:▪ sisteme destinate unor medii favorabile(laborator);▪ sisteme destinate utilizarii in condii grele de lucru( echipam...

Board Statistics

Total Posts:
68481
Total Topics:
5985
Total Members:
28385
Newest Member:
FanAtmel
Online At Once:
240 --- 17-ianuarie 15

89 utilizator(i) activ(i)(în ultimele 15 minute)

88 vizitatori, 1 utilizatori anonimi
Yahoo, Bing, Google

emil.matei.ro Cel mai cuprinzator director romanesc