ELECTRONICA ANALOGICA

ELECTRONICA ANALOGICACursul nr. 1

Structura cursuluiELECTRONIC ANALOGICIntroducereAnaliza AO idealStructura intern i parametrii AOAnaliza AO realLimitri statice i dinamice ale AOCircuite liniareCircuite neliniare2/24/2014EA - Cursul nr. 12

Nota finalPrezena1pLucrarea scris5p (9p)Parial4p(din Analiza AO ideal, Structura intern i parametrii AO i Analiza AO real) vineri, 4 aprilie 2014, N II 1, 17.10 SAU smbt 5 aprilie 20142/24/2014EA - Cursul nr. 13

Bibliografiehttp://vega.unitbv.ro/~pana/ectc/electronica.analogica/curs.ea/Pan, Gh. Electronic analogic implementat cu AO, Editura Universitatii Transilvania, Brasov, 2005 http://vega.unitbv.ro/~pana/ea.c/Pan, Gh. Circuite integrate analogice, Universitatea Transilvania, Braov, 1997 http://vega.unitbv.ro/~pana/cia.c/ Gray, P. i Meyer, R. Circuite integrate analogice. Analiz i proiectare (traducere dupa editi a III-a, M. Bodea), Editura Tehnic, Bucureti, 1997;2/24/2014EA - Cursul nr. 14

Bibliografie (continuare)Franco, Sergio Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits, Second edition McGraw-Hill, New York, 1997;Manolescu, A. Circuite integrate liniare, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1983;Ron Mancini - Op Amp for Everyone. Design Reference, Texas Instruments, 2002www.ti.com/lit/an/slod006b/slod006b.pdfhttp://www.philbrickarchive.org/

2/24/2014EA - Cursul nr. 15

De ce Electronic analogic?n foarte multe scheme electronice se ntlnete simbolul:

despre care citim c se numete op amp prescurtare de la operational amplifier adic amplificator operaional2/24/2014EA - Cursul nr. 16

De ce Electronic analogic?AO apare n amplificatoare AF finale2/24/2014EA - Cursul nr. 17

De ce Electronic analogic?AO n filtre active ca de exemplu: corectoare de ton sau egalizoare grafice2/24/2014EA - Cursul nr. 18

De ce Electronic analogic?AO n stabilizatoare de tensiune2/24/2014EA - Cursul nr. 19

De ce Electronic analogic?AO n prelucrarea semnalelor culese de la senzori2/24/2014EA - Cursul nr. 110

De ce Electronic analogic?AO n msurri - n construcia unui voltmetru cu impedan mare2/24/2014EA - Cursul nr. 111

De ce Electronic analogic?AO n sisteme cu microcontroler2/24/2014EA - Cursul nr. 112

De ce Electronic analogic?AO n bucle de curent 4...20mA2/24/2014EA - Cursul nr. 113

De ce Electronic analogic?Bucla de curent 4...20mA2/24/2014EA - Cursul nr. 114

Schem tipic de bucl de curentEste un standard robust pentru transmiterea de date de la senzori;Are insensibilitate intrinsec la zgomot;Curge acelai curent prin toate componentele;Componentele determin cderi de tensiune;Curentul care conine informaia nu este afectat de aceste cderi de tensiune att timp ct tensiunea sursei de alimentare (1) este mai mare dect suma cderilor de tensiune la curentul maxim de 20mA;Curentul este meninut constant de transmitor (2);Valoarea curentului, n limita 4...20mA, este proporional cu parametrul msurat;Acest curent determin la bornele receptorului (3) o tensiune care este aplicat la intrarea analogic a unui microcontroler.

De ce Electronic analogic?There often seems to be a division between the analog and digital worlds. Digital designers usually do not like to delve into analog, and analog designers tend to avoid the digital realm. The two groups often do not even use the same buzzwords.Even though microprocessors have become increasingly faster and more capable, the real world remains analog in nature. The digital designers who attempt to control or measure the real world must somehow connect this analog environment to their digital machines.

(Stuart Ball - Analog Interfacing to Embedded Microprocessors. Real World Design, Newnes, 2001)2/24/2014EA - Cursul nr. 115

De ce Electronic analogic?The op amp will continue to be a vital component of analog design because it is such a fundamental component.Each generation of electronics equipment integrates more functions on silicon and takes more of the analog circuitry inside the IC.Dont fear, as digital applications increase, analog applications also increase because the predominant supply of data and interface applications are in the real world, and the real world is an analog world.Thus, each new generation of electronics equipment creates requirements for new analog circuits; hence, new generations of op amps are required to fulfill these requirements.Analog design, and op amp design, is a fundamental skill that will be required far into the future.(Ron Mancini - Op Amp for Everyone. Design Reference, Texas Instruments, 2002)2/24/2014EA - Cursul nr. 116

IntroducereUnde intervine amplificatorul operaional2/24/2014EA - Cursul nr. 117

IntroducereAmplificatorul operaional. DefiniieAmplificatorul operaional (AO) este un amplificator electronic de curent continuu, cu ctig mare, realizat, de obicei, sub form de circuit integrat (CI), care amplific diferena tensiunilor aplicate pe cele dou intrri (VFA) sau diferena curenilor prin cele dou intrri (CFA) i este capabil s realizeze o gam larg de funcii liniare, neliniare i de procesare de semnal, adic s realizeze diferite OPERAII.Poate realiza suma, diferena, multiplicarea cu o constant, derivarea, integrarea, logaritmarea, exponenierea.2/24/2014EA - Cursul nr. 118

IntroducereClasificarea AODup principiul de funcionare:VFA - Voltage Feedback Amplifier, adic amplificator cu reacie n tensiuneCFA - Current Feedback Amplifier, adic amplificator cu reacie n curent2/24/2014EA - Cursul nr. 119

IntroducereClasificarea AODup tehnologia de fabricaieTehnologie bipolar numai cu TB;Tehnologie unipolar numai cu CMOS;Tehnologie bipolar complementar CB (Complementary Bipolar) i XFCB (eXtra Fast Complementary Bipolar);Tehnologie hibrid:BiFET TEC-J la intrare, n rest TB;BiCMOS TB cu CMOSCBFET, CBCMOS2/24/2014EA - Cursul nr. 120

IntroducereClasificarea AOEvoluia proceselor de nalt vitez utiliznd ca factor de merit dependena dintre banda de frecven i curentul de alimentare al AO:2/24/2014EA - Cursul nr. 121

Sursa: Walt Jung Op Amp Applications Handbook, Analog Devices, 2005

21

IntroducereScurt istoric1947 - numele de amplificator operaional apare prima oar ntr-un articol al crui prim autor este profesorul John Ragazzini de la universitatea Columbia din New York;1953 - Primele AO comerciale au fost proiectate i realizate cu tuburi electronice la firma George A. Philbrick Researches (GAP/R); 2/24/2014EA - Cursul nr. 122

IntroducereScurt istoric (continuare)Primul AO comercial - GAP/R K2-W (1953)2/24/2014EA - Cursul nr. 123

k2-w_refurbished.pdf

IntroducereScurt istoric (continuare)Pn n 1960 AO au fost realizate cu tuburi;1961 - AO model GAP/R P45, realizat cu tranzistoare bipolare (8 buc. TB):2/24/2014EA - Cursul nr. 124

IntroducereScurt istoric (continuare)1962 primul AO (GAP/R PP65) sub form de modul ce se poate monta uor pe circuite imprimate. Din acest moment referirea la AO se poate face ca la o component de circuit.2/24/2014EA - Cursul nr. 125

IntroducereScurt istoric (continuare)1963 primul AO integrat - A702 (Fairchild Semiconductor Corporation) proiectat de Robert John (Bob) Widlar2/24/2014EA - Cursul nr. 126

Widlar este inventatorul sursei de curent WIDLAR

IntroducereScurt istoric (continuare)1965 A709;1967 LM101 (din generaia a 2-a) de la National Semiconductor;Dup 1967 au aprut, aproape zilnic, tipuri noi de AO; 1968 - A741;1985 tehnologia CB (Complementary Bipolar);1992 - tehnologia XFCB (eXtra Fast Complementary Bipolar)2/24/2014EA - Cursul nr. 127

IntroducereAO ca circuit integratExemple de capsuleConfiguraia pinilor2/24/2014EA - Cursul nr. 128

n tehnologie THT(Through-Hole Technology)n tehnologie SMD(Surface Mounted Device)

IntroducereAO ca circuit integratStructura intern a AO de tipul 7412/24/2014EA - Cursul nr. 129

IntroducereVFA vs. CFAVFACFA2/24/2014EA - Cursul nr. 130

Voltage Feedback AmplifierCurrent Feedback Amplifier

IntroducereVFA vs. CFASemnificaia notaiilor:+ intrare NEINVERSOARE, - intrare INVERSOARE;u+, u- - tensiuni individuale de la intrrile AO (ntre fiecare intrare i mas);i+, i- - cureni individuali de semnal prin intrrile AO;ud tensiune diferenial de intrare (ud=u+-u-);id curent diferenial de intrare (id=i+-i-);a amplificarea de tensiune n bucl deschis la AO de tipul VFA;z amplificarea transimpedan n bucl deschis la AO de tipul CFA.2/24/2014EA - Cursul nr. 131

IntroducereRegula celor 2 de zero la VFAn cazul AO-VFA alimentat:Regula 1: prin proiectare, la AO de tipul VFA, curenii de semnal prin cele dou intrri sunt egali cu zero;Regula a 2-a: bucla de reacie negativ, la AO de tipul VFA, foreaz tensiunea de intrare diferenial s devin egal cu zero sau exprimarea echivalent - bucla de reacie negativ foreaz tensiunile de pe cele 2 intrri ale AO s fie egale. 2/24/2014EA - Cursul nr. 132

IntroducereRegula celor 2 de zero la CFAn cazul AO-CFA alimentat:Regula 1: prin proiectare, la AO de tipul CFA, tensiunile individuale de pe cele 2 intrri sunt egale i rezult astfel c tensiunea de intrare diferenial este egal cu zero;Regula a 2-a: bucla de reacie negativ, la AO de tipul CFA, foreaz curentul de intrare diferenial s devin egal cu zero sau exprimarea echivalent - bucla de reacie negativ foreaz curenii de pe cele 2 intrri s fie egali. 2/24/2014EA - Cursul nr. 133

IntroducereAlimentarea AOPoate fi:Alimentare cu tensiune dubl realizat cu 2 baterii de c.c. nseriate, punctul de nseriere se alege ca referin de potenial = punctul de mas;Alimentare cu tensiune simpl realizat cu 1 baterie de c.c., minusul bateriei se alege ca referin de potenial = punctul de mas.2/24/2014EA - Cursul nr. 134

IntroducereAlimentare cu tensiune dublExemplu de alimentare cu tensiune dubl la AO de tipul LM3242/24/2014EA - Cursul nr. 135

IntroducereAlimentare cu tensiune simplExemplu de alimentare cu o singur tensiune la AO de tipul LM3242/24/2014EA - Cursul nr. 136

IntroducereDecuplarea surselor de alimentareDecuplare general a plcii i local, la fiecare AO:

C1 i C2 = condensatoare electroliticeC3...C6 = condensatoare ceramice sau multistrat.2/24/2014EA - Cursul nr. 137

IntroducereTensiunile de saturaieReprezint valorile maxime, pozitive, +Usat sau negative, -Usat ale tensiunii de ieire.2/24/2014EA - Cursul nr. 138

IntroducereTensiunile de saturaieClasificarea AO dup valoarea Usat:AO la care Usat este deprtat cu aprox. 2V fa de tensiunile de alimentare: +Usat V+-2V, -Usat V-+2V;Pentru V+=15V i V-=-15V rezult +Usat=13V, -Usat=-13V.AO de tipul Rail-to-Rail la care Usat este deprtat cu aprox. 0,1V sau chiar zeci de mV fa de tensiunile de alimentare.n general, AO de tipul Rail-to-Rail au valorile tensiunilor de intrare i de ieire foarte apropiate de tensiunile de alimentare;AO de tipul Rail-to-Rail se folosesc la tensiuni mici de alimentare (aparatura portabil).2/24/2014EA - Cursul nr. 139

IntroducereConfiguraii de bazCu AO se pot realiza 2 configuraii, numite configuraii de baz:

CONFIGURAIA INVERSOARECONFIGURAIA NEINVERSOARE

Ambele configuraii sunt circuite cu reacie negativ.La ambele configuraii bucla de reacie negativ este conectat ntre ieirea i intrarea inversoare ale AO.2/24/2014EA - Cursul nr. 140

IntroducereReaciaReacia presupune preluarea unui eantion (a unei pri) din semnalul de la ieirea amplificatorului i aducerea lui la intrarea amplificatorului.Reacia poate fi:Reacie NEGATIV atunci cnd semnalul de reacie se scade din cel de intrare (l slbete). Se folosete n amplificatoare pentru mbuntirea performanelor lor;Reacie POZITIV atunci cnd semnalul de reacie se adun la cel de intrare (l ntrete). Se folosete n oscilatoare.2/24/2014EA - Cursul nr. 141

IntroducereReacia negativ (RN)Reacia negativ este utilizat pe scar larg n ingineria mecanic i electronic, dar, de asemenea, apare n mod natural i la organismele vii;Principiile matematice au fost elaborate de Harold Stephen Black la Bell Telephone Laboratories n 1933;Black a definit reacia negativ ca un tip de cuplare care reduce ctigul a amplificatorului, dar cretere foarte mult stabilitatea lui.2/24/2014EA - Cursul nr. 142Stabilized Feedback Amplifiers.pdf

IntroducereReacia negativ (RN)Schema bloc a unui circuit cu reacie:2/24/2014EA - Cursul nr. 143

Se determin amplificarea n bucl nchis, A:

IntroducereReacia negativa = amplificatorul fr reacie / funcia de transfer a amplificatorului denumit amplificare n bucl deschisb = circuitul de reacie / funcia de transfer a circuitului de reacieA = amplificatorul cu reacie / funcia de transfer denumit amplificare n bucl nchisSi = semnalul de intrareSo = semnalul de ieireSe = semnalul de eroareSr = semnalul de reacieab = T = transmisia pe bucl2/24/2014EA - Cursul nr. 144

IntroducereTopologii de circuite cu RNExist dou tipuri de topologii:Topologia serieTopologia paralelConsidernd cele 2 topologii i la intrare i la ieire, rezult 4 tipuri de circuite cu RN:Circuite cu RN serie-serieCircuite cu RN serie-paralelCircuite cu RN paralel-serieCircuite cu RN paralel-paralel2/24/2014EA - Cursul nr. 145

IntroducereTopologii de circuite cu RNOrdinea n care se enun corespunde cu sensul n care circul semnalul de reacie, adic de la ieirea amplificatorului la intrarea lui.Astfel, n denumirea serie-serie, primul termen serie se refer la ieirea circuitului cu reacie iar al 2-lea termen serie se refer la intrarea circuitului .a.m.d.2/24/2014EA - Cursul nr. 146

IntroducereTopologii de circuite cu RNObservaii:Deoarece curentul se msoar conectnd aparatul indicator n serie, topologia serie de la ieirea amplificatorului se mai numete RN de curent;Deoarece tensiunea se msoar conectnd aparatul indicator n paralel, topologia paralel de la ieirea amplificatorului se mai numete RN de tensiune.2/24/2014EA - Cursul nr. 147

IntroducereTopologii de circuite cu RNCu aceste observaii, cele 4 tipuri de circuite cu RN se pot redenumi astfel:Circuite cu RN de curent-serieCircuite cu RN de curent-paralelCircuite cu RN de tensiune-serieCircuite cu RN de tensiune-paralel2/24/2014EA - Cursul nr. 148Circuite cu RN serie-serieCircuite cu RN serie-paralelCircuite cu RN paralel-serieCircuite cu RN paralel-paralel

IntroducereTopologii de circuite cu RNScheme de principiu implementate cu AO2/24/2014EA - Cursul nr. 149Topologie serie la intrareTopologie paralel la intrareTopologie paralel la ieireToplogie serie le ieire

IntroducereTopologii de circuite cu RNConfiguraiile de baz realizate cu AO2/24/2014EA - Cursul nr. 150CONFIGURAIA INVERSOARECONFIGURAIA NEINVERSOARE

IntroducereRezistenele de intrare i ieireRN modific rezistenele de intrare i de ieire ale circuitului cu reacie (R) fa de cele ale circuitului fr reacie (r), evaluate n puncte omoloage ale circuitului;La topologia serie:

La topologia paralel:

unde T reprezint transmisia pe bucl (T=ab)2/24/2014EA - Cursul nr. 151

IntroducereConfiguraia INVERSOARESchema, relaia de faz dintre semnalul de intrare i cel de ieire, funcia de transfer2/24/2014EA - Cursul nr. 152

IntroducereConfiguraia NEINVERSOARESchema, relaia de faz dintre semnalul de intrare i cel de ieire, funcia de transfer2/24/2014EA - Cursul nr. 153

IntroducereRepetorulCaz particular la neinversor:

IMPORTANTR2 poate fi egal cu zero (ieirea unit cu IN-) la VFA;R2 NU poate lipsi niciodat la CFA. 2/24/2014EA - Cursul nr. 154