AMPLIFICATOARE OPERATIONALE

AMPLIFICATOARE OPERAŢIONALE

Termenul de amplificatoar operational a aparut īn anii'40 pentru a desemna o categorie speciala de amplificatoare care, prin alegerea corespunzatoare a componentelor externe, poate fi configurata pentru a efectua operatii matematice clasice: adunarea, scaderea, īnmultirea, integrarea si diferentierea.Primele aplicatii ale amplificatoarelor operationale au fost de domeniul calculului analogic.

Īn acea perioada, amplificatoarele operationale, fiind realizate cu tuburi electronice, erau voluminoase, consumau multa energie si erau scumpe.Dupa aparitia tranzistoarelor bipolare s-a realizat o prima etapa īn miniaturizarea amplificatoarele operationale care au īnceput sa fie fabricate sub forma de module realizate cu tranzistoare discrcrete.Totusi, saltul a īnceput cu aparitia primelor amplificatoare operationale realizate ca circuite integrate, ale caror elemente componente erau realiyate sub forma monolitica pe un cip de siliciu de dimensiuni foarte reduse. Primele amplificatoare operationale monolitice au fost proiectate si realizate deRobert J. Widlar, īn anii1960, la firma Fairchild din SUA. Aceasta firma a introdus pe piat 626g63g 59;, īn anul 1968, amplificatoarul operational mA 741 care a devenit pentru multa vreme standardul industrial al domeniului.

Īn prezent, datorita performantelor foarte bune, versatilitatii si pretului scazut, amplificatoarele operationale domina īn mod categoric echipamentele analogice.

Ţinānd seama de stuctura si proprietatile actuale, se accepta, īn general, ca amplificatorului operational este un amplificator cu cuplaj galvanic, amplificare de tensiune mare, nivel redus al zgomotului si care este capabil sa lucreze stabil īn configuratii cu reactie negativa.Semnificatia acestor caracteristici va fi detaliata īn cadrul acestui capitol.Totusi, īn acest moment, facem precizarea ca termenul de cuplaj galvanic, amplificare de tensiune mare, nivel redus al zgomotului si care este capabil sa lucreze stabil īn configuratii cu reactie negativa. Semnificatia acestor caracteristici va fi detaliata īn cadrul acestui capitol.Totusi, īn acest moment, facem precizarea ca termenul de cuplaj galvanic semnifica faptul ca domeniul de functionare al amplificatorului se īntinde, īn jos, catre frecvente zero sau catre perioade infinit de mari. Īn termeni tehnici, se spune ca se pot amplifica si marimi de curent continuu.

Amplificare de tensiune īn bucla deschisa infinita:

a_v= (2.3)

Acesta proprietate face ca, īn configuratii cu reactie negativa, functionarea sa fie dependenta doar de componentele externe.

3)Rezistenta de iesire nula

R_o= (2.5)

Aceasta proprietate garanteaza faptul ca tensiunea de la iesirea amplificatorului operational nu este influentata de valoarea sarcinii.

4)Banda de trecere infinita

Amplificatorul operational amplificasemnalele de orice frecventa. Īn acest fel apar distorsiuni de faza.

5)Amplificatorul operational este un amplificator diferential pur.

v₀ = a_v (v_p - v_n) = a_vv_d (2.6)

Tensiunea de la iesirea amplificatorului este independenta de valorile absolute ale tensiunilor de la intrare. Alfel spus, amplicatorul operational ideal asigura rejectia infinita a modului comun.

6) Tensiunea de iesire este nula daca tensiunea de intrare diferentiala este nula.

v₀ = 0 cānd v_d = (2.7)

Aceasta propietate trebuie introdusa pentru a ridica nedeterminarea matematica ce poate sa apara īn relatia (2.6) tinānd seama de relatia (2.3).

7) Zgomot echivalent de intrare nul

(2.8)

Īn functionarea amplificatorului operational ideal nu se pune problema alimentatarii lui cu putere pentru ca el sa poate ca el sa poate furniza putere īn sarcina. Pentru a extinde idealizarile de mai sus si asupra cazurilor īn care prezenta surselor de alimentare trebuie luata īn consideratie se mai introduc si urmatoarele doua proprietati:

8)Tensiunea de iesire se limiteaza la valorile surselor de alimentare.

9)Iesirea din limitare se face instantaneu.

Schema acestui amplificator este preyentata īn figura 2.4a

La fel ca īn cazul precedent amplificatorul operational lucreaza cu reactie negativa. Acum īnsa tensiunea de semnal v_g este aplicata la intrarea neinversoare.

Modelul pe care se poate face analiza functionarii este prezentata īn figura 2.4b. Rationānd ca īn cazul amplificatorului inversor se pot scrie relatiile:

(2.15)

(2.16)

Aceasta īnseamna ca expresia tensiunii de iesire rezulta din:

(2.17)

Īn final, expresia amplificarii de tensiune īntre generator si iesire este:

(2.18)

Marimea de mai sus este pozitiva, deci amplificatirul este neinversor. Aceasta īnseamna ca, pentru tensiune de intrare sinusoidala, tensiunea de la iesire va fi īn faza cu intrarea. Altfel spus, amplificatorul din figura 2.4a nu introduce defazaj.

Din relatia (2.18) se observa ca valoarea minima a amplificarii este unu. Īn acest caz, eliminānd componentele externe fara rol functional, schema amplificatorului arata ca īn figura 2.5.

2.4. Parametri amplificatoarelor operationale reale

Desi dezvoltarea puternica a amplificatoarelor operationale a condus la realizarea de dispozitive care, īn majoritatea aplicatiilor, aproximeaza foarte bine proprietatile amplificatoarului diferential de tensiune ideal, cunoasterea parametrilor AO reale este necerara atāt pentru alegerea optima a tipului de AO īntr-o aplicatie data, cāt si pentru evaluarea performantelor ce se pot obtine īntr-o anumita schema de utilizare.

Īn acest paragraf se vor prezenta principalii parametri ce caracterizeaza AO reale, pe baza definitiilor de masura precizate īn foile de catalog ale celor mai importante firme producatoare de amplificatoare operationale monolitice.

2.4.1.Valorile limita absolute

Īn aceasta categorie intra o serie de parametri pentru care cataloagele precizeaza valorile maxime absolute. Aceasta īnseamna ca valorile respective nu trebuie depasite īn nici o situatie, īn caz contrar functionarea dispozitivului fiind periclitata.Evident ca, pentru fiecare din acesti parametri, exista o dispersie tehnologica, dar producatorul garanteaza functionarea pentru toate exemplarele doar pāna la valorile de catalog.

Limitarile impuse de acesti parametri se refera īn principal la valorile diferitelor tensiuni si la temperatura dispozitivului. Depasirea valorilor de tensiune specificate duce de obicei la distrugerea imediata a dispozitivului. Depasirea temperaturii devine catastrofala daca dureaza un anumit timp.Dispozitivele pot functiona si pe perioade mari de timp cu depasiri moderate ale valorii temperaturii jonctiunilor, acest lucru ducānd la o degradare progresiva a parametrilor, īnainte de distrugerea ireversibila.

Tensiunea de alimentare, (V_CC⁺,V_CC^- sau V_cc si V_ee) este valoarea maxima nepericuloasa a tensiunii care se poate aplica īntre fiecare dintre pinii de alimentare ai AO si masa. Drept masa se considera punctul comun al celor doua surse de alimentare. De obicei, cele doua valori sunt egale, dar uneori sunt diferite. Aplicarea unor tensiuni de alimentare cu polaritate gresita duce la distrugerea imediata a dispozitivului. Valorile acestui parametru sunt cuprinse īntre 5V si 40V, valoarea tipica fiind de 15-20V.

id are valori de ordinul a 1,5-5pF.

este comun tuturor amplificatoarelor de pe o capsula, prezenta semnalului īn unul din amplificatpare face ca si la iesirea celuilalt sa apara semnal, chiar daca intrarea lui nu este excitata.

Raportul dintre tensiunea la iesirea AO excitat si cea de la iesirea AO neexcitat se numeste separetia īntre canale.

La frecvente īnalte, separatia se īnrautateste īn special datorita cuplajelor parazite din montajul concret de lucru. Din aceasta cauza specifiicatiile de catalog pentru acest parametru sunt greu de interpretat.

Pentru frecvente de ordinul a 100Hz-1kHz, valoarea separatiei īntre canale este tipic 100dB.