Amplificatorul operational ba741

Amplificatorul operational bA741

Scopul lucrarii: studierea principalelor proprietati ale amplificatoarelor operationale.

2. Consideratii teoretice

Amplificatorul operational AO este un amplificator de tensiune integrat, de c.c., de banda larga, avand mai multe etaje, dintre care primul diferential. Denumirea provine de la destinatia sa initiala: realizarea operatiilor aritmetice in calculatoarele analogice.

AO se alimenteaza cu o sursa dubla de tensiune, pentru a putea realiza operatii cu semn. Cele doua intrari se numesc inversoare notata cu - si neinversoare notata cu +. Tensiunea de iesi­re u₀ poate lua orice valoare in intervalul (-U_alim +U_alim). In fapt plaja tensiunilor de iesire este usor micsorata, din tensiunile de alimentare scazandu-se tensiunile de saturare ale tranzistoarelor etajului de iesire care este in contratimp. Toate tensiunile se masoara fata de potentialul de refe­rinta de 0V.

Tensiunea de iesire a AO este: u0 = Ad ( u+ - u- ) + AMC + UOFF unde: Ad: amplificarea diferentiala; AMC: amplificarea de mod comun; UOFF: tensiune de decalaj termic (offset).

+U_alim

u₀

u_- u₊ -U_alim

0V

Fig. 1.1 Amplificator operational

Efectul principal al AO, care este urmarit prin constructie, este cel de amplificator dife­ren­tial de c.c., adica termenul A_d (u₊ - u_-). Pentru ca AO sa poata functiona cu reactii negative puter­nice A_d are de regula valori foarte mari, valorile obisnuite depasind cu mult 10⁶.

Amplificarea A_MC se numeste 'de mod comun' si este nedorita. Termenul de mod comun este cau­zat de asimetriile din etajul diferential de intrare. Cu cat simetria etajului diferential de intrare va fi mai perfecta, amplificarea de mod comun va fi mai mica decat cea diferentiala iar AO va fi mai bun. Rejectia modului comun se apreciaza prin raportul dintre amplificarea diferentiala si amplificarea de mod comun exprimat in dB:

CMRR= [dB]

CMRR - factorul de rejectie al modului comun atinge in mod obisnuit valori de 70100dB. AO de mare precizie au un inalt grad de simetrie a intrarii si deci un CMRR foarte bun. O masura de crestere a CMRR chiar de catre utilizatori este asigurarea unei simetrii cat mai bune a circuite­lor conectate la cele doua intrari.

U_OFF, tensiunea de decalaj termic (offset) se manifesta prin tensiuni perturbatoare de valori mici (zeci-sute de μV) avand variatii lente, dependente de tem­peratura integratului. Ea se datorata asimetriilor etajului diferential de intrare provocate de variatiile inegale cu temperatura ale parametrilor tranzistoarelor. Offset-ul poate compromite pre­lucrarea semnalelor de valori mici si mai ales integrarile. In aceste cazuri se pot utiliza AO cu offset redus, asigurat prin con­structie. Sunt posibile si metode active de compensare a offset-ului.

AO au doua proprietati fundamentale:

Amplificarea diferentiala A_d este foarte mare, practic infinita: uzual A_d > 10⁵;

Impedantele de intrare Zi₊ si Zi_- sunt foarte mari, putandu-se considera infinite (de obicei mai mari de 10¹²MW) rezultand ca si curentii de intrare sunt practic nuli. Impedantele de iesire sunt mici, ceea ce favorizeaza cuplajul electric intre etajele amplificatoare de tensiune.

Din cele de mai sus reiese faptul ca AO este o structura ideala pentru utilizarea reacti­ilor paralel-serie negative sau pozitive. Reactia negativa se obtine cupland iesirea cu intrarea inver­soare, iar reactia pozitiva cupland iesirea cu intrarea neinversoare. Cuplarea se poate face printr-o rezistenta, sau prin diferite retele pasive.

AO mai au si alte proprietati favorabile: impedanta de iesire foarte mica, banda de frec­venta foarte larga, caracteristica de transfer liniara si simetrica, etc.

Datorita acestor calitati AO s-au impus in realizarea circuitelor analogice ca solutie de referinta. Ele sunt prezente si in structura altor circuite integrate specializate pentru diferite functii. Se va observa prezenta stucturilor AO, de exemplu in circuitul integrat de temporizare bE555 cu functie de comparator sau in stabilizatorul bA723, ca amplificator de eroare.

3. Montaje fundamentale cu amplificatoare operationale

a) Amplificatorul inversor

Configuratia cea mai importanta pentru intelegerea functionarii AO este cea de amplifi­cator inversor, prezentata in figura urmatoare.

Intrarea neinversoare a AO este fixata la OV deoarece prin R1 R2 nu circula curent (Zin = ). Aceasta rezistenta  nu este obligatorie, dar se recomanda pentru a sime-triza cat mai bine intrarea in AO si a creste astfel CMRR. Avand in vedere amplificarea diferentiala infinita, potentialul celeilalte intrari, cea inversoare, va ramane fixat tot la OV, daca iesirea U0 nu se satureaza (nu ajunge la E). Tensiunea diferentiala ud care respecta conditia ud=u+-u-<E/Ad va fi de regula neglijabila din cauza valorilor mari ale Ad.

i

R₁ R₂

AO

i

u_d

u_i

u₀

R₁|| R₂

A_u    R_in = R₁

Fig. 1.2 Amplificator inversor

Intrarea inversoare fiind virtual la OV, tensiunea de intrare in amplificatorul inversor U_i (a nu se confunda cu U_-) va produce prin R₁ un curent de valoare i(t) = u_i(t) / R₁. Deoarece impedanta de intrare in AO este infinita, singura cale de iesire din nod a acestui curent (conform legii I a lui Kirchoff) va fi asigurata de tensiunea de iesire U₀ care va lua o astfel de valoare, de semn opus celei de intrare, incat prin rezistenta R₂ sa se scurga integral curentul i(t). Cunoscand tensiu­nea de iesire, se poate calcula amplificarea in tensiune a amplificatorului inversor:

 

Amplificarea depinde numai de raportul rezistentelor R₂ / R₁. Facand apel la cunostintele despre reactia negativa, se constata ca R₂ realizeaza o astfel de reactie, de tip paralel-serie cu efect stabilizator. Cand R₂ / R₁ este subunitar amplificatorul inversor devine atenuator (A_u < 1).

Un caz particular de amplificator inversor este inversorul, care se obtine cand R₁ = R₂ iar u₀ = - u_i. Pentru inversor A_u = 1.

Din punct de vedere al rezistentei de intrare, acest amplificator avand R_int = u_i(t) / i(t) = R₁ este dezavantajos cand dorim amplificarea unor semnale de tensiune de putere foarte mica (de exemplu in traductoare, amplificatoare de masura etc.). Intr-adevar, daca am incerca sa crestem R₁ cresterea rezistentei de intrare ar fi inutila, deoarece in acelasi timp ar scadea amplificarea. Aceasta proprietate poate fi insa utila cand se impune adaptarea intrarii la impe­dante mici, intr-un domeniu larg de frecvente.

b) Amplificatorul neinversor

Daca intrarea se va aplica bornei neinversoare, impedanta de intrare in amplificatorul astfel obtinut se va pastra la valo­rile foarte mari ale AO propriuzis.

	Functionarea acestui amplificator este identica cu a celui anterior, cu deose-birea ca bornele + si - ale AO se vor men-tine la potentialul Ui. Curentul i care strabate rezistentele R1 si R2 are valoarea iar tensiunea de la iesire se calculeaza usor: Amplificarea rezulta imediat: Au

i

R₁ R₂

AO

i

u_i u₀

R₁|| R₂

Fig. 1.3 Amplificator neinversor

Un caz particular de amplificator neinversor este repetorul (R₁ = sau R₂ = 0), util cand se doreste amplificarea unor semnale de tensiune foarte slabe.

AO

AO

u_i u_i

u_i u_i

Fig. 1.4 Repetoare

c) Circuite de adunare si scadere

Proprietatea amplificatorului inversor de a transmite la iesire curentul care intra in nodul intrarii inversoare, prin rezistenta de reactie, se pastreaza si daca exista mai multi curenti de intra­re incidenti. Pe rezistenta de reactie are loc o insumare a curentilor de intrare. Rezulta ca in cazul in care toate rezistentele au aceeasi valoare, vom obtine la iesire suma tensiunilor de intrare cu semn schimbat, din cauza caracterului inversor al amplificatorului.

Curentul iR care strabate rezistenta de reactie RR are valoarea Daca R1 = R2 = . = Rn = RR = R tensiunea de iesire va fi,  in consecinta:

R_n

i_n

i_R

u_in

R₁ R_R

AO

i₁

u_i

u₀

Fig. 1.5 Amplificator sumator

Scaderea poate rezulta adaugand circuite inversoare la intrarile de tip descazut ale suma­torului. Daca dorim insa utilizarea unui singur AO, se poate realiza schema urma­toare, interesanta mai ales prin modul de calcul al u₀, care ape­leaza la principiul superpozitiei. u₀₁ si u₀₂ sunt com­po­nentele lui u₀ datorate tensiunilor de intrare u₁ respectiv u₂, calculate pe rand. Cand calculam efectul lui u₀₁ consideram u₂=0 iar cand calculam efectul lui u₀₂ consideram u₁=0. Rezultatul final se obtine prin insumarea celor doua rezistente partiale.

	u01 = u02 = u0 = u01 + u02 = = La calculul lui u01 s-a avut in vedere faptul ca u1 este ponderata prin divizorul de tensiune R3-R4.

R₂

R₁ V₊

11

βA741

4 10

u₂

5 u₀

6

u₁ R₃ V_-

R₄

Fig. 1.6 Circuit de scadere cu amplificatorul

operational βA741

Daca este realizata conditia , tensiunea de iesire va fi u₀ = (u₁ - u₂)  iar atunci cand R₁ = R₂ = R₃ = R₄ iesirea este diferenta intrarilor: u₀ = u₁ - u₂.

4. Amplificatorul operational bA741

Un amplificator operational clasic, des aplicat in electronica industriala este bA741. El se caracterizeaza prin protectii interne impotriva 'agatarii' (latch-up) si scurtcir­cuitelor, banda de frecvente larga, compensare interna impotriva oscilatiilor si o gama larga a tensiunilor de intrare. Acest circuit este produs de majoritatea firmelor specializate in constructia circuitelor integrate analogice: National Semiconductor (LM741), Signetics, MBLE, Philips, Fairchild (μA741), Motorola (MC1741C), Sescosem (SFC2741), SGS (LS141), AEG, Telefunken (TL3741), Texas Instruments (SN72741), RCA (CA741C), IPRS Baneasa (βA741), etc.

Alocarea terminalelor este cea din fig. 1.6. De regula numerotarea se face in sens anti­orar, incepand de la 'cheia' marcata pe fata superioara a capsulelor. Capsulele pot avea diferite forme. Cele mai des utilizate sunt capsulele de plastic 'dual-in-line' cu 14 sau 8 terminale, prezen­tate in figura urmatoare. Se mai utilizeaza si capsule metalice, cilindrice, cu 8 terminale. Numa­rarea terminalelor incepe in acest caz de la un marcaj al capsulei, de forma unei aripioare.

NC 1 14 NC

NC 2 13 NC

Nul 3 12 NC Nul 1 8 NC

Intrare inversoare (-) 4 11 V₊ In(-) 2 7 V₊

Intrare neinversoare (+) 5 10 Iesire In(+) 3 6 Iesire

V_- 6 9 Nul V_- 4 5 Nul

NC 7 8 NC

Capsula TO116 (vedere de sus) Capsula MP48 (vedere de sus)

8 NC

V₊ 7 1 Nul

Iesire 6 2 In(-)

Nul 5 3 In(+) NC = neconectat

4 V_-

Capsula TO99 (vedere dinspre terminale)

Figura 1.7 Alocarea terminalelor circuitului bA 741

La proiectarea cablajelor trebuie avute in vedere dimensiunile capsulelor si faptul ca circu­itul trebuie privit din partea opusa (dinspre terminale). Se observa ca in cablajul proiectat pentru cap­sula TO116 care are 14 gauri poate fi instalat si un circuit cu capsula MP48. Gaurile de trecere din cablaj tre­buie sa aiba diametrul de 0,8 - 0,9mm.

6,35 3,9 5,08

7,62

Figura 1.8 Dimensiunile capsulei TO117

Terminalele NUL au rolul de a permite conectarea unui potentiometru extern de compen­sare manuala a offset-ului (derivei termice). Extremele potentiometrului se leaga la terminalele NUL iar cursorul la tensiunea negativa de alimentare V_-. Operatia decurge astfel: se scurtcircui­teaza cele doua intrari pentru anularea tensiunii diferentiale de iesire; ele se conecteaza impreuna la masa, anulandu-se tensiunea de mod comun; la iesire singura tensiune care se mai poate mani­festa ramane u_off, care se masoara cu un milivoltmetru de curent continuu; se actio­neaza poten­tio­metrul de compensare pana la anularea u_off. Acest reglaj ar trebui repetat la fiecare schimbare semnificativa de temperatura, ceea ce in majoritatea aplicatiilor este imposibil. Compensarea manuala a offset-ului este utila mai ales in cazul echipamentelor de masurare de mare finete.

Date de catalog ale amplificatorului operational βA741

tensiunea de alimentare maxima: ±22V;

tensiunea de intrare maxima: ±15V;

gama temperaturilor de functionare pentru varianta de baza: 0 . +70⁰C;

gama temperaturilor de functionare pentru varianta militarizata βA741M: = -55 . +125⁰C;

puterea disipata: 500mW;

tensiunea de offset (cu R_S < 10kΩ): max. 6mV (la βA741M);

curentul de offset: max. 200nA;

curentul de polarizare la intrare: max. 500nA;

curentul de alimentare: max. 2,8mA;

curentul maxim de iesire: 25mA;

castigul in bucla deschisa: tipic 200V/mV (min. 50V/mV);

frecventa de taiere: 1MHz;

viteza maxima de variatie a semnalului de iesire: 0,5V/μs;

impedanta de intrare: tipic 2MΩ;

factorul de rejectie al modului comun: tipic 90dB (min. 70dB);

5. Alte amplificatoare operationale

TCA520 - un AO de mare viteza;

βM108A (LM108A, μA108A, SFC2108A, CA108AT) - AO cu offset redus;

βM201A (LM201A, μA201A, MLM201A, SFC2201A, CA201AT) - AO de precizie;

βM324 (LM324A, μA324A, MLM324A, TDB124, CA324AT) - 4 AO intr-o singura capsula;

βM358 (LM358, MLM358, TDB0158) - 2 AO intr-o singura capsula MP48.

6. Desfasurarea lucrarii

Utilizand programul Electronics Workbench 5.12 se vor realiza urmatoarele scheme

Fig.1) Amplificator inversor

Fig.2) Amplificator neinversor

Fig.3) Amplificator sumator inversor

Fig.4) Circuit de scadere cu amplificatorul operational βA741