Amplificatorul Operational PDF

Amplificatorul operational Concluzii amplificatoare cu tranzistoare: - Se pot obtine amplificari mari, dar acestea depind de elementele schemei (hf, hi, Rc, Rs) - Pentru a obtine amplificarile neceare in diverse aplicatii (care pot fi de la cateva unitati la cateva zeci/...

Amplificatorul operational Concluzii amplificatoare cu tranzistoare: - Se pot obtine amplificari mari, dar acestea depind de elementele schemei (hf, hi, Rc, Rs) - Pentru a obtine amplificarile neceare in diverse aplicatii (care pot fi de la cateva unitati la cateva zeci/ sute/ mii) ar trebui reproiectat amplificatorul Ar fi mult mai util sa avem amplificatoare standard, folosind circuite integrate, pe care sa le putem usor adapta (de ex prin conectarea unor rezistente) la aplicatiile de care avem nevoie Pentru aceasta e nevoie sa se foloseasca amplificatoare cu reactie. Principiul este acelasi ca la orice sistem liniar, dar ne intereseaza cazul in care Ao este un amplificator, deci e caracterizat printr-un sistem cu amplificare foarte mare. Aici Ao si r pot fi orice functii de transfer Ao(s), r(s). ve =v i +/-v r v o = A0 v e  vr =βr v o v o = A0 ( vi+/-βr vo) 𝐴0 (𝑠)𝑣𝑖 (𝑠) 𝑣0 (𝑠) = 1 ∓ 𝐴0 (𝑠)𝛽𝑟 (𝑠) Daca Ao(s) este functie de transfer de ordinul unu, si r(s) este un scalar: 𝐴0 𝑝1 /(𝑠 + 𝑝1 )𝑣𝑖 (𝑠) 𝑣0 (𝑠) = 1 ∓ 𝐴0 𝑝1 /(𝑠 + 𝑝1 )𝛽𝑟 𝐴0 𝑝1 𝑣𝑖 (𝑠) 𝑣0 (𝑠) = 𝑠 + 𝑝1 (1 ∓ 𝐴0 𝛽𝑟 ) Se poate vedea usor ca daca Ao(s) este o functie de transfer de ordinul 1, cu Ao foarte mare, iar r (s) este un scalar (adica reactie pur rezistiva), stabilitatea este obtinuta daca si numai daca reactia este negativa – pentru reactie pozitiva sistemul are polul pozitiv, deoarece Aor >>1 Deci, in cazul in care amplificatorul este un sistem de odinul 1, cu Ao foarte mare avem urmatoarea concluzie: - Pentru reactie pur rezistiva, stabilitatea sistemului in bucla inchisa se obtine daca si numai daca avem o reactie negativa. - Daca insa r(s) este oarecare (adica reactie ce contine si condensatoare), stabilitatea trebuie analizata cu criteriile de stabilitate si nu e garantata de felul reactiei. Daca Ao e foarte mare si r este sclar, adica avem reactie negativa (cu rezistente), rezulta:  vo =vi*1/ r deci amplificarea depinde exclusiv de reactie! Controland br (prin rezistentele de pe reactie) putem controla usor amplificarea sistemului in bucla inchisa. Putem crea un amplificator generic, cu Ao foarte mare, pe care sa il folosim cu reactia corespunzatoare. Se numeste amplificator operational (op amp). Este alimentat de obicei simetric +/- Vcc, dar se poate si intre Vcc si masa. Uzual in schemele de principiu alimentarea nu e aratata. Are un etaj diferential la intrare. Tensiunea de iesire nu poate fi mai mare decat Vcc+ si nici mai mica decat Vcc- (in fct de amplificator, ea poate fi chiar in plaja Vcc- --- Vcc+, sau poate fi ceva mai mica). Principalii lui parametri: Simbol Denumire Valoare ideala Valori reale Ao Amplificare infinita 105 - 107 (diferentiala) in bucla deschisa Zid Impedanta de infinita 103 - 106  intrare diferentiala  in bucla deschisa Zic Impedanta de infinita 105 – 108  intrare in mod comun Zo Impedanta de Zero 10 – 100  iesire in bucla deschisa CMRR Factor de rejectie infinit 100 – 140 dB a modului comun 105 – 107 f0 Frecventa Infinita 104 - 106 Hz maxima (banda de frecventa) in bucla deschisa Beneficiile reactiei negative 1. Cresterea benzii de frecventa/ imbunatatirea regimului tranzitoriu Deoarece polul fct de transfer se modifica, de la -p1 la -p1(1+A0br), deci este mai negativ. Aceasta duce la regimuri tranzitorii mai scurte si la posibiltatea de a amplifica semnale de frecventa mai inalta (fara sa le deformeze) 2. Obtinerea unui sistem care urmareste vo =vi*1/ r cu eroare foarte mica, atunci cand vi se modifica ve =vi – vr = vo/ A0 = 1/ (1 + A0r) – deci foarte mica (in special daca r nu este foarte mic, deci amplificarea in bucla inchisa, 1/r nu este foarte mare).Uzual amplificarea in bucla inchisa nu este mai mare de cateva sute. 3. Scaderea impendantei de iesire a AO. Intuitiv, daca ve este mica pentru orice sarcina Zs pe care se aplica iesirea sistemului cu reactie, asta inseamna ca el se comporta ca o sursa foarte buna de tensiune, deci Zo este mica. Sau, conform definitiei Zo, daca se pune intrarea la masa si se aplica pe  iesire o tensiune uo, reactia negativa duce la intrarea inversoare a AO semnalul vo*r, care va fi amplificat cu -A0, deci curentul in circuitul de iesire va fi dat de vo + A0 vo*r, deci Zo scade de 1 + A0*r ori 4. Rejectia perturbatiilor si zgomotelor introduse de AO Cu acelasi rationament, deoarece AO in bucla inchisa se comporta ca o sursa foarte buna, care are eroarea foarte mica fata de semnalul teoretic, inseamna ca imperfectiunile AO vor avea un efect foarte mic. 5. Cresterea impedantei de intrare a AO (nu neaparat a schemei!) Deoarece ve este foarte mica, in intrarile +/- ale AO va intra un curent foarte mic, ca si cum Zi este crescuta (tot de 1 + A0r ori, cat scade ve). De aceea, curentii de intrare pot fi neglijati. Atentie, Zint a schemei depinde de configuratie – De ex este f mare (cat cea a AO) daca intrarea e aplicata direct pe borna +, ca la amplificatorul neinversor sau poate fi egala cu R1, la amplificatorul inversor (intrarea se aplica pe o rezistenta R1, care are celalalt terminal la un punct virtual de masa). Asadar, datorita reactiei negative, multi parametrii ai AO sunt foarte mult imbunatatiti in bucla inchisa! Este cazul benzii de frecventa, a Zo si a Zid (la bornele AO) OBSERVATIE – Reactia (negativa) poate fi folosita si la scheme cu A0 finit, de ex la etajul EM (unde A0 este uzual de cateva sute). In acest caz insa, exista o diferenta intre valorile calculate pentru cazul A0 infinit (amplificare in bucla inchisa, tensiunea de eroare, etc) si cele obtinute. Si acestea din urma pot fi calculate, dar in formule trebuie folosit A0 real pentru schema respectiva. Si in cazul in care A0 este foarte mare, dar finit, ca in cazul unor AO (de ex 10^5), este bine ca amplificarea in bucla inchisa (cu reactie) sa fie limitata la cca 100, a.i. produsul A0/r sa fie mai mare decat 1000 si comportamentul AO cu reactie sa se apropie de cel ideal In toate schemele cu reactie rezistiva negativa AO este un sistem stabil, iar iesirea lui urmareste vi, conform relatiei: vo =vi*1/ r Atentie, asa cum am mentionat, iesirea AO nu poate depasi Vomax (apropiata de valoarea tensiunii de alimentare). Daca vi/r este mai mare decat Vomax, iesirea este limitata la Vomax. Pentru ca schema sa lucreze intr-un regim perfect liniar, vi trebuie limitata a.i. vi/r < Vomax. De ex, daca AO este alimentat la 15 V, Vomax = 15 V si alimentarea este de 5, inseamna ca, pentru ca schema sa lucreze in regiunea liniara, vimax < 3V. La valori mai mari, vo este limitat la 15V. In practica, pentru a calcula amplificarea unei scheme date, se scriu legile lui Kirchoff pentru circuitul extern si se tine cont ca, la bornele AO cu reactie rezistiva negativa: V+ = V- I+= I- = 0 Vom folosi aceasta regula in toate schemele pe care le vom prezenta.