AMPLIFICATOARE INTEGRATE

AMPLIFICATOARE INTEGRATE

7.1. Amplificatoare diferentiale

Amplificatoarele diferentiale elementare sunt caracterizate prin faptul ca dispun de doua intrari si doua iesiri toate fiind raportate la punctul de potential zero (numit masa sau "ground"), ca în figura 7.1.

De fapt structura din figura 7.1 este formata din doua amplificatoare separate, fiecare fiind caracterizat printr-un factor de amplificare. Pentru ca amplificatorul global sa devina diferential se impune sa amplifice diferenta a doua marimi.

Se definesc

tensiunea diferentiala de intrare

tensiunea de intrare de mod diferential

tensiunea de intrare de mod comun

Se constata ca tensiunile de la borne pot fi exprimate în functie de marimile mai sus definite

Corespunzator se definesc factorii de amplificare

factorul de amplificare de mod diferential (MD)

factorul de amplificare de mod comun (MC)

factorul de amplificare de transfer de la modul comun la modul diferential

factorul de amplificare de transfer de la modul diferential la modul comun

Cu ajutorul factorilor de amplificare se pot exprima tensiunile

Daca nu exista transfer de la MC la MD sau invers, tensiunile de iesire se exprima

În cazul amplificatoarelor diferentiale semnalul de intrare util este semnalul diferential, iar semnalul util de la iesire este semnalul de iesire diferential. Ne intereseaza ca semnalul de mod comun de la intrare sa nu modifice iesirea, motiv pentru care se defineste factorul de rejectie a modului comun

care intervine în expresia tensiunii de iesire de mod diferential

.

Din expresia tensiunii de iesire de mod diferential se constata ca, pentru ca sa nu afecteze iesirea, se impune ca RMC sa aiba valori cât mai mari.

La una din intrari se aplica rezultatul sumarii semnalului variabil "e" si a semnalului de mod comun V_MC, iar la cealalta se aplica numai semnalul de mod comun, ca în figura 7.2. Se poate exprima tensiunea de iesire V₀ în functie de semnalul diferential V_d.

	Fig. 7.2.

De notat ca perturbarile generale (de ex. cele datorate frecventei tensiunii de 50Hz) afecteaza în principal semnalul de mod comun

V_MC - pentru ca afecteaza la fel semnalul furnizat de toate traductoarele.

Schema desfasurata a unui amplificator diferential este prezentata în figura 7.3.

Factorii de amplificare, pentru amplificatoarele A_u se noteaza

Tensiunea de iesire diferentiala este suma tensiunilor furnizate de cele doua amplificatoare

.

Se noteaza tensiunea de intrare diferentiala si respectiv tensiunea de mod comun

Tensiunea de iesire, cu aceste notatii, este rezultatul contributiei celor doua tensiuni V_id si V_MC

,

A_d fiind amplificarea diferentiala.

		Fig. 7.3.

Prin identificare se stabilesc relatiile dintre A_d factorul de amplificare diferential respectiv A_MC factorul de amplificare a tensiunii de mod comun si factorii de amplificare (A₁, A₂ ) a celor doua cai de prelucrare a semnalelor

,

Se constata ca, daca cele doua amplificatoare sunt identice (A₂=A₁=A) ,avem

A_d=A si A_MC=0 =>

Tensiunea V_0d poate fi scrisa

,

în functie de factorul de rejectie a tensiunii de mod comun

.

RMC = mare => tensiunea de iesire este putin influentata de tensiunea de mod comun V_MC , chiar daca cele doua amplificatoare din figura 7.3 nu sunt identice.

Exemplul 1. Una din intrari este conectata la masa (V₁ = 0 ) iar la cealalta intrare se aplica atât semnalul util V_i cât si perturbatia V_P,

V = V_i + V_P.

Avem

Se constata ca la iesire se obtine un semnal proportional cu perturbatia (sunt amplificate potentialele care apar ca semnal diferential).

Exemplul 2. La una din intrari se aplica numai semnalul perturbator V₁ = V_P , iar la cealalta intrare se aplica atât semnalul util V_i cât si perturbatia V_P, V₂ = V_i + V_P.

Avem

de unde tensiunea diferentiala este

.

Se constata ca la iesire tensiunea este în functie numai de semnalul util. Tensiunea de mod comun determina un semnal de eroare

mic daca factorul de rejectie RMC este de valoare mare.

În cazul amplificatoarelor reale trebuie sa se ia în consideratie atât impedanta de intrare Z_i a fiecarei intrari fata de masa de semnal, cât si impedanta firelor de legatura Z₂ pâna la borna neinversoare si Z₁ pâna la borna inversoare, ca în figura 7.4.

Pentru a aduce inelul de garda la acelasi potential cu intrarea de semnal se poate folosi metoda urmaririi de potential - intercalând un tranzistor cu efect de câmp între sursa de semnal V_i si amplificatorul de semnal AS, ca în figura 7.23.

	Fig. 7.23.

Tranzistorul T este în montaj de repetor (A_v <1) ceea ce face ca, la intrarea AS sa avem v_iA_V~v_i . Impedanta pe care o vede sursa de semnal este

,

unde X_C este reactanta capacitatii dintre tresa si firul de semnal .

(Pentru A_V =0,99 Z_It=100R )

Scaderea capacitatii totale se face prin micsorarea traseului de la sursa de semnal la amplificator si uneori prin compensarea capacitatii.

Se utilizeaza, ca si în contextul precedent teorema lui Miller privind valoarea impedantei de intrare a unui amplificator.

	Fig. 7.24.

Fata de schema anterioara factorul de amplificare al schemei în bucla deschisa de reactie este usor supraunitar A >1

Amplificatorul A_R controleaza factorul de amplificare global fara a afecta semnalul de iesire V_0.

7.6. Amplificatoare de instrumentatie

Amplificatoarele de instrumentatie sunt caracterizate prin:

impedanta de intrare foarte mare, de ordinul 10⁸..10¹² ;

impedanta de iesire foarte mica Z_out = 10^-2,..., 10^-1 ;

tensiune de decalaj a nulului de valoare mica, mai mica de V_do=200mV;

RMC > 100.

În figura 7.25 este prezentata schema clasica a unui amplificator de instrumentatie, realizat cu trei amplificatoare operationale.

	Fig. 7.25.

Deoarece tensiunea diferentiala V_d1=0, pentru A₁ si A₂ avem

.

 

În figura 7.26 a fost desenata numai partea de intrare a amplificatorului de instrumentatie.

Prin R₆ circula curentul  

.

Tensiunea la iesirea A₂ este  

.

Pe de alta parte

=>

În figura 7.27 a fost desenata numai partea de iesire a amplificatorului de instrumentatie.

Prin rezistorul R₃ si R₄ circula, ca în figura 7.28, curentul I, a carei expresie este

.

Tensiunea V_A, pe baza potentialelor si prin înlocuirea expresiei curentului, devine

.

Tensiunea V_B este stabilita de divizorul de tensiune

.

Dar tensiunea diferentiala la intrarea A₃ este foarte mica asa încât

,

de unde

si, în final se obtine expresia tensiunii de iesire a amplificatorului de instrumentatie

.

Se constata ca valoarea amplificarii poate fi modificata prin ajustarea valorii rezistorului R_G.

AD623 este un amplificator de instrumentatie integrat, a carui schema simplificata este prezentata în figura 7.29.

Tensiunile de intrare se aplica prin intermediul unui etaj cu tranzistor PNP, având rolul de buffer si de adaptor de nivel.

Borna 5 este borna de referinta a semnalelor de intrare, conectata de regula, la masa amplificatorului. Rezistorul G stabileste valoarea amplificarii, conform relatiei

.

Rezistorul de 50 kΩ de pe reactia fiecarui amplificator fixeaza valoarea amplificarii.

Deoarece tranzistorii lucreaza la potentialul masei, circuitul nu a fost prevazut cu posibilitatea compensarii curentului de alimentare a intrarilor, dar acesta are valori mici de ordinul a 25 nA.

	Fig. 7.29.

Diodele de pe intrare limiteaza tensiunea la aproximativ 0,3 V.

Precizia de realizare a rezistorilor asigura o precizie a factorului de amplificare de 0,1%.

Amplificatorul de izolatie este un amplificator la care nu exista legatura galvanica între pinii de intrare si pinii de iesire ai semnalului

Întreruperea legaturii galvanice se face prin intermediul asa-numitei bariere (de izolatie), care trebuie sa aiba

o tensiune de strapungere mare;

pierderi mici în curent continuu;

pierderi mici în curent alternativ;

izolatie între sursa de alimentare a circuitului si sursa de semnal.

Izolarea intrarilor de semnal de iesirea circuitului se face prin doua metode

prin intermediul optocuploarelor (BB 3652, BB 3650);

prin intermediul unui transformator de izolare ( BB 3656).

Modelele BB 3650 si BB 3652 sunt amplificatoare izolate optic.

Întrucât utilizeaza o tehnica de modulatie analogica, se evita problemele de interferenta electromagnetica atât transmisa cât si primita, care se întâlnesc la majoritatea amplificatoarelor de izolatie modulara.

Neliniaritatea este specificata ca fiind abaterea valorii de vârf de la o linie dreapta exprimata ca un procent din semnalul de iesire vârf-vârf.

Modelele 3650 si 3652 folosesc o tehnologie unica pentru a depasi inconvenientele izolatorului cu un singur led si o fotodioda.

În figura 7.32 este prezentata schema simplificata a BB 3650.

Sunt folosite doua fotodiode identice: una la intrare (CR₃) si cealalta (CR₂) la etajul de iesire; pentru a reduce considerabil neliniaritatile si instabilitatile timp-temperatura.

Functia de transfer este independenta de orice degradare a semnalului de iesire a LED-ului atât timp cât valorile celor doua fotodiode sunt aproape identice.

Liniaritatea este acum o functie a preciziei de masurare si este îmbunatatita prin folosirea reactiei negative în etajul de intrare.

Iesirea este o sursa de tensiune dependenta de curent, a carei valoare depinde de curentul de intrare. Astfel, 3650 este un amplificator cu conductanta mutuala /de transfer, cu un câstig de () un volt pe un microamper. Când sursele de tensiune sunt folosite, curentul de intrare este obtinut prin folosirea rezistentelor de reglare a amplificarii cuplate în serie cu sursa de tensiune. R_IN este impedanta de intrare diferentiala.

Impedantele pe mod comun si pe mod izolat sunt foarte mari si se presupune ca sunt infinite pentru acest model.

O schema simplificata a modelului 3652 este prezentata în figura 7.33.

Izolatia si etajele de iesire sunt identice cu cele de la modelul 3650. Circuitele de intrare suplimentare, constând în amplificatoare tampon de tip FET si rezistentele de intrare au fost adaugate pentru a da impedante de intrare pe modul diferential si comun cu valori ridicate (10¹¹W), curenti de polarizare redusi (50pA) si protectie la supratensiune. Intrarile +I si -I au un impuls de 10ms la 6000V pe mod diferential si la 3000V pe mod comun.

Adaugarea amplificatoarelor tampon creeaza de asemenea o functie de transfer tensiune de intrare-tensiune de iesire cu un câstig stabilit (setat) de R_G1 si R_G2 .

Modul de conectare la sursa a amplificatorului 3650 sau 3652 este aratat în figura 7.34.

Când pentru alimentare se foloseste un convertor DC-DC, acesta este plasat paralel cu bariera de izolatie a amplificatorului.

Acest lucru poate micsora impedanta de izolatie si de asemenea factorul de rejectie pe mod izolat (RMI) din tot circuitul.

Din acest motiv ar trebui sa se foloseasca un convertor DC/DC de tip 722 fabricat de firma Burr - Brown, care este de calitate ridicata.

Zgomotul de iesire este dat de relatia

 

unde :

-E_N este zgomotul de iesire total ;

-E_NI este zgomotul rejectiei pe mod comun al etajului de intrare ;

-E_NO include contributia zgomotului datorata opticii si zgomotele curentilor din etajul de iesire.

Erorile create de interferenta curentului din etajul de intrare sunt nesemnificative în comparatie cu alte surse de zgomot si sunt astfel neglijate.

Modelul BB 3656 este un amplificator de izolatie cu bariera de izolatie realizata prin intermediul unui transformator.

Schema bloc a circuitului este prezentata în figura 7.35.

	Fig. 7.35.

Semnalul de intrare V_IN se aplica la intrarea neinversoare a amplificatorului A₁, iar la intrarea inversoare se aplica un semnal de reactie. Iesirea amplificatorului este convertita în semnal variabil în timp de catre un modulator, care injecteaza în circuitul magnetic al transformatorului un flux variabil, cu bobina W₂.

Fluxul variabil induce o tensiune electromotoare în inductivitatea W₇. Semnalul este demodulat si este aplicat amplificatorului de iesire A₂.

Acelasi flux variabil induce o tensiune de reactie în spirele bobinei W₆. Semnalul este demodulat si este aplicat pe borna inversoare a amplificatorului A₁.

Alimentarea este realizata cu un generator de oscilatii dreptunghiulare de la o baterie. Generatorul injecteaza în circuitul magnetic fluxul variabil, prin bobina W₁.

În spirele bobinelor W₃, W₄, W₅, se induc tensiuni electromotoare de frecventa generatorului care sunt redresate cu câte o dioda si filtrate cu un condensator, fiind aplicate drept tensiuni de curent continuu pe alimentarile circuitelor.

În acest mod s-a separat sursa de c.c. de intrarile si de iesirile de semnal.