Amplificatorul Operational - Notiuni Teoretice Din Electronica - Tehnium Azi - Articole (Articles) -...

Comunitatea Tehnium Azi Tehnium Azi Articole (Articles) Articles Notiuni teoretice din electronica Articol: Amplificatorul operational

Regulament Tehnium Azi Vezi conținut nou

1.Generalități

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 unuicircuit sunt incluse intr-o singură capsulă. Dacă în această capsulă transpunem schema cu componente discrete a unui amplificatoroperațional 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 anumiteoperații matematice, având intrări diferențiale și, de regulă, o singură ieșire. Deși un amplificator operațional este un amplificator ideal, cu oamplificare infinită, bandă infinită și un răspuns în frecvență perfect plat, impedanță de intrare infinită și impedanță de ieșire 0, fără drift cutemperatura, 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.

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 aplicațiaspecifică, 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

Anunţul a fost suprimat. AnulaţiVom face tot posibilul pentru ca pe viitor să afişăm anunţuri mai relevante pentru dvs.Ajutaţi-ne să afişăm anunţuri mai bune pentru dvs. actualizându-vă preferinţele privind anunţurile.

Amplificatorul operational - Notiuni teoretice din electronica - Tehnium ... http://www.tehnium-azi.ro/page/articole_articles/_/articles/notiuni-teoreti...

1 din 9 09.06.2013 23:23

"Amplificator Sumator", înregistrat în 1941 de Karl D. Swartzel Jr. de la laboratoarele Bell. Acest design utiliza trei tuburi electronice în vidpentru a realiza un câştig de 90dB şi funcţiona la o tensiune simetrică de ± 350V. Circuitul avea o singură intrăre neinversoare destul deasemănătoare cu intrările diferenţiale inversoare şi neinversoare din amplificatoarele operaţionale prezente. De-a lungul celui de-al doilearăzboi mondial invenţia lui Swartzel s-a dovedit foarte valoroasă, aceasta fiind utilizată în controlul artileriei M9, într-un sistem conceput delaboratoarele 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.

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

1948 - Primul chopper stabilizator cu amplificator operaţionalÎn 1949, Edwin A. Goldberg a proiectat chopper stabilizator cu A.O.. Acesta este compus dintr-un amplificator operaţional obişnuit şi unamplificator de c.a. care funcţionează în paralel cu AO-ul. Chopper-ul culege semnalul de curent alternativ prin comutarea tensiunii continueîntre valoarea nominală şi masă, într-un ritm rapid (60Hz sau 400Hz). Acest semnal este apoi amplificat, redresat, filtrat şi alimenteazăintrarea neinversoare a amplificatoarelor operaţionale. Acest lucru a imbunătăţit considerabil câştigul amplificatoarelor operaţionale prinreducerea semnificativă a derivei termice şi a dc offset-ului. Din păcate, orice AO care era folosit cu chopper-ul nu putea folosi intrareaneinversoare pentru orice alt scop. Cu toate acestea, caracteristicile mult îmbunătăţită a chopper-ului stabilizator cu AO a crescut rata deutilizare a amplificatoarelor operaţionale. Tehnicile care vor folosi în mod uzual intrarea neinversoare nu vor fi foarte populare până în anii1960 când vor apărea circuitele integrate amplificatoare operaţionale. În 1953, tuburile electronice amplificatoare operaţionale au devenitdisponibile comercial odată cu lansarea modelului K2-W de George A., Philbrick Researches, Incorporated.

1961 - Primul circuit integrat amplificator operaţionalOdată cu naşterea tranzistorului în 1947 şi a tranzistorului de siliciu în 1954, conceptul de circuit integrat a devenit o realitate. Introducereaprocesului planar în 1959 a făcut tranzistorii şi circuitele integrate suficient de stabile şi ieftine pentru a fi comercializate. Prin 1961 s-auprodus 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 derivacu 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 modularizatePrin 1962, mai multe companii au produs placuţe modulare care putea fi introduse în circuite imprimate. Aceste pachete au fost extrem deimportante conducând la includerea într-o singură capsulă a amplificatorului operaţional. Odată realizat acest lucru, amplificatoareleoperaţionale putea foarte uşor să fie incluse în diferite scheme, rezultând astfel circuite mai mici.

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

1968 Lansarea μA741 cel mai utilizat amplificator operaţionalPopularitatea 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

2 din 9 09.06.2013 23:23

LM101 cu excepţia faptului că avea inclus un condensator de 30 pF, pentru compensare, în interiorul capsulei, în timp ce LM101 necesitacompensare externă. Această diferenţă minoră a făcut din uA741 unul din cele mai utilizate amplificatoare operaţionale, a cărui mod deamplasare a pinilor a devenit ulterior referinţă. Acest operaţional este încă în producţie şi a devenit omniprezent în electronică, mulţiproducatori 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 începutsă fie produse în anii 60, sunt caracterizate prin curenţii mici de intrare şi sunt cele mai bune amplificatoare operaţionale disponibile, avândo capacitate mare de rejecţie a zgomotului sursei de alimentare şi pot trata în mod corect, sute de volţi, la intrările lor. În anii 1970, vitezamare, curenţi de intrare reduşi, s-au putut realiza utilizând tranzistoare FET. Aceştia, vor fi în cea mai mare parte, înlocuiţi de tranzistoareleMOS în anii 80. Pe parcursul anilor 70 au fost disponibile mai multe amplificatoare operaţionale cu o singură sursă de alimentare.

1972 Primul AO alimentat nesimetricCu 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 celpuţin doi volţi deasupra ei. Rezultatul este acelă că se poate funcţiona în multe aplicatii cu pinul de alimentare negativ conectat la masasursei de semnal, eliminând astfel nevoia pentru o sursă de alimentare negativă separată.

1972 Primul circuit integrat cu patru AO-uri incluse în capsulăLM324 a fost primul circuit integrat amplificator operaţional quad, devenind mai târziu un standard industrial. În plus, încapsulareamultiplelor amplificatoarelor operaţionale în aceeaşi capsulă, a condus în anii 1970 la naşterea amplificatoarelor operaţionale în capsulehibride. Aceste AO-uri au îmbunătăţit, în general, versiunile existente ale operaţionalelor monolitice. Deoarece, tensiunile de alimentare acircuitelor analogice au scăzut (asemenea celor digitale), a fost necesar realizarea amplificatoarelor operaţionale de joasă tensiune, tocmaipentru 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

a. Factorul de amplificare(câştigul) diferenţial în bucla deschisăA0 reprezintă raportul dintre variaţia tensiunii de ieşire (V0) şi tensiunea diferenţială de intrare (vezi figura 4):

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

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

c. Tensiunea de decalaj (offset) de la intrareU

EI este valoarea tensiunii continue aplicată la una din intrările circuitului pentru care ieşirea este nulă: V

d. Curentul de polarizare de intrare - iB, unde iB este valoarea medie a curenţilor de intrare:

e. Factorul de rejecţie pe mod comun CMREste raportul dintre factorul de amplificare diferenţial A0 şi factorul de amplificare pe mod comun: A

Conform celor arătate mai sus, întrucât la un amplificator perfect AMC

=0, rezultă în acest caz: CMR

3 din 9 09.06.2013 23:23

f. Banda de trecere în bucla deschisăEste domeniul (gama) de frecvenţe în care amplificarea scade la valoarea de A

U/√2 (-3dB) faţă de valoarea maximă: A

4. Funcţionarea amplificatorului operaţional

4.1 Amplificatorul operational inversor

În cazul acestui tip de amplificator semnalul se amplifica pe borna notata cu (-), iar borna (+) este legata la masa (fig.5). Aplicand teoremaintai a lui Kirchhoff in jurul nodului de la intrare se obtine relatia:

unde: - curentul dat de tensiunea V1;

- curentul de reactie, ce apare prin bucla formată de rezistenta ;- curentul prin intrarea amplificatorului operational.Deoarece:

Deoarece:

Și deci câștigul:

Se observa semnul (-) indicand ca tensiunea de iesire este in pozitie de faza fata de cea de intrare. Unele proprietati ale amplificatoaruluioperational inversor se pot deduce din aceasta relaţie.

- Înmultirea cu o constanta, punând condiţia :

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

- Împartirea cu o constanta. Daca:

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

- Circuit repetor:

- Circuitul sumator:

4 din 9 09.06.2013 23:23

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:

Exemplu 1: Să se determine câștigul și tensiunea de ieșire pentru un AO inversor cu tensiunea de intrare V1=50mV, R

1=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 R

2 și R=R

2=5KOhm, atunci câștigul pentru ambele intrări va fi: 5kOhm/5kOhm=-1. Date

fiind V1=+1V și V

2=+2V obținem la ieșire un nivel datorat lui V

1 de 1 x (-1)=-1V și o ieșire datorată lui V

2 de 2 x (-1)=-2V. Prin urmare

ieșirea totală este V0=-1-2=-3V.

4.2 Amplificatorul operational neinversor

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

Deoarece A=∞ , atunci VA=V

0=0, deci V

1 reprezinta tensiunea de intrare). În acest caz:

Câștigul va fi:

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 divizadeoarece 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:

5 din 9 09.06.2013 23:23

- Înmulţirea cu o constanta. Se pune urmatoarea condiție:

Atunci:

- Sumator. Considerând circuitul de mai sus, se pot stabili urmatoarele relații:

În jurul nodului aplicand prima teorema a lui Kirchhoff, obtinem:

în care:

Înlocuind obţinem:

Presupunând pentru simplificare: R1=...=Rn=R, obţinem:

Dacă:

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

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 consideraca tensiunea u

C2, la bornele capacitaţii are valoarea:

Respectiv, având în vedere u1i≈0 se obţine:

Între tensiunea uC2

la bornele capacitaţii C2 si curentul I

2 care trece prin capacitatea respectivă există relaţiile:

6 din 9 09.06.2013 23:23

Înlocuind în expresia (31) valoarea lui uC2

din relaţia (30) rezultă:

Pentru curentul I1 se pastrează relaţia I

1i şi ţinând cont de u

1i≈0 se obţine:

Înlocuind expresiile (32), (33) în relaţia I1≈I

2 se obţine:

Din relaţia (34) se constată că amplificatorul operaţional cu schema din fig.9 realizeaza o lege de tip I, intrucât expresia (34) corespunderelaţiei de definiţie a unei legi I de forma:

Din expresiile (33) si (34) rezultă pentru schema considerată:

4.4 Amplificatorul operaţional de tip PI

Ca să obţinem un A.O. de tip PI, în circuitul reacţiei negative din fig.5 trebuie să introducem, în serie cu rezistenţa , capacitatea . Rezultăastfel 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 reprezintăun 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 u

R2 pe rezistenţa R

expresia:

Atunci însumând tensiunile uC2

si uR2

se obţine diferenţa tensiunilor de la bornele circuitului de reacţie, respectiv:

Şi având în vedere u1i≈0, rezultă:

Pentru curentul I1 se pastreaza valoarea din expresia (33), intrucât în circuitul de intrare se gaseşte aceeaşi rezistenţă R

1, ca în figurile 5 şi

9, rezultă:

Înlocuind în (40) se obţine:

Expresia (41) atesta că schema din figura 10 realizeaza o lege de reglare de tip PI, întrucat, facând abstracţie de semnul (-), de care se ţineseama la realizarea conexiunilor electrice la ieşirea regulatorului, aceasta corespunde relaţiei care defineşte legea de tip PI:

Dacă dorim să modificăm parametrii KR şi T

i ai regulatorului cu A.O., atunci rezistenţele R

1 şi R

2 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

7 din 9 09.06.2013 23:23

Pagina 1 din 2

nedorită a valorii , deci intervine o interdependenţă a acordarii parametrilor regulatorului.

Din relaţiile 41 si 42 rezultă pentru schema din fig.10:

4.5 Amplificatorul operaţional de tip proportional derivativ (PD)

Pentru obţinerea unui amplificator operaţional de tip PD, care să fie caracterizat de legea de tip proportional derivativ, în circuitul de intraretrebuie să introducem în paralel o rezistenta şi o capacitate , aşa cum se arată în figura 11. În aceasta schemă curentul I

1, care intra în nodul M, este egal cu suma curenţilor I

1R şi I

1C prin rezistenţa R

1 şi capacitatea C

1. Pentru

curentul I1C

rezultă expresia:

Deoarece u1C

1i şi considerand relaţia u

1i≈0 rezultă:

Pentru curentul IR1

şi I1 se obţine:

Pentru curentul I2 avem: I

2 şi având în vedere: u

2i≈u

1i se obţine:

Înlocuind expresiile curenţilor I1 şi I

2 se obţine:

Aceasta expresie atesta faptul că schema din fig.11 realizeaza o lege de reglare PD, intrucât aceasta expresie corespunde relaţiei cedefineşte legea PD:

Rezultă:

4.6 Amplificatorul operaţional de tip PID

Pentru obţinerea unui amplificator operaţional de tip PID, circuitul de intrare trebuie sa aiba aspectul redat în figura 12.

0 Comentarii

Depasirea performantelor sistemelor de calcul Ce intelegeti prin izolatie externa (a unui echipament electric etc) ?ian 11 2013 08:57

► Download download ► Amplificator ► Operational

8 din 9 09.06.2013 23:23

Total Posts: 45128 Total Topics: 4664 Total Members: 18820 Newest Member: mircea liviu Online At Once: 200 --- 15-februarie 11

iul 11 2012 11:29Calculatoarele actuale au la baza circuite integrate care sunt constituite dinsemiconductori. Pentru a creşte puterea de calcul, va fi nevoie de tranzistori maimici. Legea lui...

Noii senzori de presiuneapr 14 2012 01:50Ultimile cercetări în domeniu, arată că nanoconductoarele au proprietăţi electrice şimecanice superioare şi pot fi utilizate in construcţia senzorilor de presiune.Senzoriide p...

Drumul spre lună folosind doar o picatură de combustibilapr 09 2012 01:31Primul prototip al unui nou si ultra-compact motor va permite sateliţilor dedimensiuni mici sa calatoreasca dincolo de orbita Pamantului. Prototipul a fost creeatin laboratoar...

Tripleton Enigma E2 - cel mai sigur telefon din lumemar 27 2012 12:20Tripleton Enigma E2 este un telefon cu totul neobisnuit. Nu poate rula jocuri precumAngry Birds, nu poate filma clipuri FullHD, nu are un ecran impresionant si niciprocesor mu...

Tehnologia de fabricare a semiconductorilor - un punct de sprijinpentru dezvoltarea energiei solaremar 28 2012 03:00Mulţumită noiilor metode de fabricare a semiconductoarelor de catre UniversitateaIllinois, viitorul energiei solare incepe sa fie mai strălucitor. Este binecunoscut faptulcă s...

Izolatia externa reprezinta izolația părților exterioare ale unui echipament, constând din distanțe deseparare în aer si din suprafețele în contact cu aerul ale izolației solide ale unui echipament, care suntsupuse la solicitări d...

Ce este o retea electrica cu neutrul izolat ?mar 03 2013 04:16Este o retea electrică al cărei punct neutru nu are nici o legătură voită cu pământul, cu excepia celeirealizate prin aparate de măsurare, de protecie sau de semnalizare, având o impedană foarte mare.

Cum se defineste nivelul nominal de izolatie ?ian 11 2013 08:45Acest nivel de izolatie se defineste astfel: a) pentru echipamentele cu tensiunea cea mai ridicată <245 kV: - tensiunea nominală de inere la impuls de trăsnet si - tensiunea nominală de inere de scurtădurată la frecvenă ind...

De cate tipuri sunt tensiunile electrice tranzitorii ?ian 11 2013 08:34Supratensiunile electrice tranzitorii sunt de trei tipuri: - supratensiune cu front lent: Supratensiunetranzitorie, în general unidirecțională, având durata până la vârf 20 μs < Tp < 5000 μs si durataspatelui T2 < 20 m...

Cum se clasifica sistemele de achizitie de date?aug 07 2012 08:30Sitemele de achizitie de date se clasifica avand in vedere doua criterii:dupa conditiile de mediu in carelucreaza: ▪ sisteme destinate unor medii favorabile(laborator); ▪ sisteme dest...

24 vizitatori, 0 utilizatori anonimi

Bing, sds, olimpos, tehnicos84, Google

9 din 9 09.06.2013 23:23

Amplificatorul Operational - Notiuni Teoretice Din Electronica - Tehnium Azi - Articole (Articles) -...

Documents

Transcript of Amplificatorul Operational - Notiuni Teoretice Din Electronica - Tehnium Azi - Articole (Articles) -...

tehnium 1990

Tehnium - 1971.01 (Monocrom)

Cap.12 Amplificatorul

Tehnium apr 99

Tehnium Aug 89

7110 rev. tehnium

tehnium 8712.pdf

tehnium 8702.pdf

Codare Rns 510 Pentru Amplificatorul de Fabrica

Bibliografie Tehnium

Tehnium mar 99

Tehnium 1970

Circuite Integrate Analogice - Amplificatorul de Radiofrecventa

tehnium 8711.pdf

MK 3980 Voltmetru digital / Ampermetru - Tehnium Azi

Cap. 13. Amplificatorul diferential

Tehnium 09-2003

Tehnium aug 99

Tehnium - 1971.08 (color)

CIA - Amplificatorul de Radiofrecventa