Noţiuni teoretice: AMPLIFICATORUL OPERAŢIONAL 1. Introducere Termenul “operaţional” este în general folosit în ultimul timp pentru a descrie un amplificator de tensiune cu câştig mare, în mod particular unul în formă de circuit integrat (CI) sau modular; numele este extins din utilizarea acestor amplificatoare în operaţiile de calcul analogic (calculatoare analogice). Caracteristicile amplificatoarelor operaţionale permit să facem următoarele presupuneri (aproximaţii) pentru majoritatea circuitelor practice: • câştigul de tensiune în buclă deschisă A0: infinit (tipic el este de ordinul 2*105); • impedanţa de intrare infinită(tipică de ∼2MΩ); • impedanţa de intrare nulă (tipică de ∼75Ω). Valorile parametrilor enumerate mai sus se referă la popularul circuit integrat operaţional CI-tip 741, care este utilizat în nenumărate aplicaţii (fig.l(a)-(j)). Majoritatea amplificatoarelor operaţionale CI folosesc tranzistori bipolari. Unele folosesc la intrare şi chiar în schema generală tranzistoare JFET sau MOSFET. În continuare vom discuta unele proprietăţi şi performanţe doar pentru cele cu tranzistoare bipolare. Terminalele de intrare (intrarea inversoare şi neinversoare) sunt cuplate la baza unui tranzistor care este capabil să conducă (absoarbă) un foarte mic curent de polarizare când amplificatorul este în funcţie. Curentul de polarizare la intrare pentru CI - 741 este în jur de 100nA, în mod ideal, ar trebui ca ambele intrări să “vadă” aceeaşi rezistenţă la masă, altfel apare o tensiune de intrare de “offset”, care este amplificată de circuitul integrat. Diferenţa în curenţii de intrare între cele două intrări se numeşte “curent de offset la intrare” şi are pentru CI- 741 o valoare tipică de 20nA. Este de asemenea important de notat că există şi o modificare cu temperatura “curentului de offset la intrare”, care de asemenea este foarte importantă; driftul curentului de offset tipic pentru CI - 741 auto de 1nA/0C şi poate produce o tensiune de drift la ieşire. 2. Utilizarea amplificatoarelor operaţionale.

În fig. 1(a)-(1) se prezintă schemele de principiu pentru câteva din multiplele aplicaţii ale circuitelor operaţionale. Aceste aplicaţii se bazează în primul rând pe proprietăţile generale ale amplificatorului operaţional (descrise mai sus) şi sunt realizate aplicând montajele de bază ale CI - operaţional de: amplificator-ne-inversor (fig 1(a)) amplificator-inversor (flg.1(c)) şi repetor de tensiune (fig. 1(b)). Amplificarea mare în buclă deschisă caracteristică amplificatoarelor operaţionale integrate permite exploatarea lor în regim cu factor de reacţie negativă mare conducând astfel la obţinerea unor performanţe ridicate. Introducând în bucla de reacţie negativă diverse circuite cu “caracteristica de transfer dorită” se pot imagina o serie de circuite speciale. (flg.1(d)-(1)).Ca tensiuni de alimentare CI - operaţionale lucrează în domeniul ±3V până la ±18V, în cazul alimentării cu sursă dublă sau 6V-36V la alimentare cu o singură sursă

Circuit integrator

Operaţia analogica de integrare se poate realiza utilizând o varianta de amplificator inversor in

care rezistenta de reacţie este înlocuita cu un capacitor (fig.2).In aceasta situaţie tensiunea de ieşire

este data de relaţia : .

Caracteristica amplitudine frecventa a unui circuit de integrare ideal este o dreapta cu panta

cazatoare de –20dB/decada;caracteristica reala diferă de cea ideala numai la extremităţile benzi de

frecventa :la joasa frecventa,datorita amplificări finite in bucla deschisa a amplificatorului operaţional

iar la frecvente înalte datorita benzi finite a amplificatorului .Pentru reducerea erorilor de curent

continuu este necesara egalizarea rezistentelor asociate celor doua intrări si realizarea unui reglaj

iniţial in scopul minimizări tensiuni de ieşire de decalaj .Deoarece câştigul la joasa frecventa este

foarte mare este necesara utilizarea unei metode de restabilire a condiilor iniţiale adică a valori

iniţiale a tensiuni la bornele condensatorului .

In cazul integrării unor tensiuni de intrare simetrice, de exemplu trenuri de unda

dreptunghiulare, in paralel cu capacitorul Cf se conectează o rezistenta R f in scopul reducerii

amplificării in curent continuu si implicit a decalajului tensiunii de ieşire. In acest caz frecventa

semnalului pt. care circuitul se comporta ca integrator trebuie sa fie mai mica decât: 1/(2R f C f).

Fig.2 Circuit integrator

Circuit derivator

Circuitul derivator, având schema din fig.3 este o alta varianta a amplificatorului inversor. In condiţii

iniţiale nule funcţionarea circuitului este descrisa de relaţia

Fig. 3Circuit derivator

Fig.4 Circuit derivator practic

Câştigul in bucla închisa creste cu o panta de 20 D b / de cada pana ce intersectează caracteristicele

amplitudine frecventa a amplificatorului operaţional in bucla deschisa , iar apoi scade datorita benzii

finite a amplificatorului operaţional. O asemenea caracteristica poate conduce la instabilitate si

sensitivitate ridicata la zgomot in domeniul frecvenţilor înalte.

Pentru obţinerea unei funcţionari stabile se recurge la circuitul practic de derivare din fig. 4. Prin

introducerea rezistentei R2 se asigura un control mai bun al fazei in timp ce condensatorul Cf reduce

zgomotul de înalta frecventa. Circuitul trebuie compensat pentru amplificare unitara.

Partea experimentala: Integratorul

Schema electrica

Lista componentelor

Datele de calcul

Tensiunea de ieşire

Pentru un semnal de forma pătrata cu amplitudinea U si perioada T, tensiunea de ieşire este: MAX

Unde T/2 este semiperioada semnalului de intrare.

Frecventa de întrerupere

fi = frecventa de intrare

Frecventa limita

Pentru a minimiza suprapunerea datorata curenţilor de polarizare:

Schema topografica

Rezultate obţinute Tabelul (semnal de intrare de forma pătrata)

UO

[V]UO

[V]T

[sec]Valoarea măsurata Valoarea calculata Valoarea măsurata

Tabelul (semnal de intrare de forma sinusoidala)

fA [Hz]

fA [Hz]

Valoarea măsurata Valoarea calculata

Modificarea M4

Oscilograme

INSTRUCŢIUNI EXPERIMENT

1) introduceţi Modulul E23 in consola si setaţi comutatorul principal in poziţia deschis (ON)

2) conectaţi generatorul de semnal si osciloscopul conform Fig.;3) reglaţi osciloscopul conform indicaţiilor de mai jos:

Ch1: 0.5 Volt/DIV Ch2: 1 Volt/DIV Timp/DIV: 0.5 ms Cuplare: DC

4) fara a cupla generatorul de semnal la circuit, suprapuneţi la jumătatea ecranuluiosciloscopului, linia canalului 1 si pe cea a canalului 2;

5) cuplaţi generatorul de semnal si reglaţi ieşirea atenuatorului cu ajutorul semnalului de formapătrata cu tensiunea de 1 V si frecventa vârf-vârf de 1kHz;

6) urmărita pe ecranul osciloscopului semnalul de ieşire al integratorului: acest semnal areforma triunghiulara cu o panta pozitiva ce corespunde semiperioadelor negative ale semnalului de intrare;

7) reprezentaţi semnalul de ieşire in Fig. 1.2.b;8) măsuraţi valoarea tensiunii de ieşire vârf-vârf si notaţi rezultatul in Tab. 1.2;9) măsuraţi perioada semnalului de ieşire de forma triunghiulara si notaţi rezultatul in Tab. 1.2;

10) calculaţi valoarea vârf-vârf a tensiunii de ieşire si după ce aţi notat-o in Tab. 1.2. comparaţi o cu valoarea măsurată;

11) modificaţi generatorul de semnal cu un semnal de forma sinusoidala cu tensiune de 1V sifrecventa vârf-vârf de 1 KHz si urmăriţi pe ecranul osciloscopului semnalul de ieşire; acest semnal este un semnal de forma sinusoidala cu o amplitudine vârf-vârf de aproximativ 1.5 V;

12) micşoraţi frecventa de intrare pana ce atingeţi o tensiune la ieşirea integratorului cu o

amplitudine de 7V vârf-vârf si măsuraţi frecventa (frecventa de întrerupere); 13) notaţi valoarea frecventei in Tab. 1.3.; 14) calculaţi frecventa de întrerupere si notaţi-o in tab. 1.3; 15) comparaţi valoarea calculata cu cea măsurată;16) îndepărtaţi protecţia simulatorului de modificări/erori si setaţi comutatorul M4 in poziţia deschis

ON (punct acoperit);17) reglaţi generatorul pentru un semnal de forma pătrata cu frecventa de 1kHz si tensiunea de 1V vârf-vârf; 18) urmarăţi pe ecranul osciloscopului semnalul de ieşire reprezentat de asemenea in Fig. 1.2.c;(tensiunea vârf-vârf este de aproximativ 10V);19) creşteţi frecventa semnalului de intrare pana când se obţine la ieşire un semnal de formatriunghiulara (de ex. 10 KHz) ( circuitul este întotdeauna un integrator);20) modificaţi generatorul de semnal cu un semnal de forma sinusoidala cu o tensiune vârf-vârfde 1 V si micşoraţi frecventa pana când se obţine un semnal de ieşire cu tensiunea vârf-vârf de 7 V; 21) măsuraţi frecventa si notaţi-o in Tab. 1.3;22) pe baza comportării circuitului de mai sus, încercaţi sa determinaţi răspunsul corect:a) valoarea lui C1 a fost modificata de comutatorul de modificare M4b) amplificatorul operaţional este defectc) amplificarea frecventei joase trebuie redusa; 23) efectuaţi si alte operaţii si comentaţi rezultatele; 24) setaţi comutatorul M4 in poziţia închis OFF;

Introducerea erorilor 25) reglaţi generatorul pentru un semnal de forma pătrata cu frecventa de 1 KHz si tensiunea vârf-vârf

de 1V;26) Setaţi comutatorul Eroare F5 in poziţia închis OFF (sau apăsaţi butonul Eroare) siintroduceţi Eroarea F5 in circuit27) urmarăţi semnalul de ieşire si reprezentaţi-l in Fig. 1.2.d;

28) mariti frecventa semnalului de intrare si urmarăţi forma si tensiunea vârf-vârf a semnaluluide ieşire; 29) efectuaţi si alte operaţii si faceţi observaţi la comentariile despre introducerea erorii F5; 30) setaţi comutatorul Eroare F5 in poziţia deschis ON (sau apăsaţi butonul Eroare);

31) reglaţi generatorul pentru un semnal de forma pătrata cu frecventa de 1 KHz si tensiuneavârf-vârf de 1 V;32) setaţi comutatorul Eroare F6 in poziţia deschis ON (sau apăsaţi butonul Eroare) pentru aintroduce Eroarea F6 in circuit.33) urmarăţi semnalul de ieşire si reprezentaţi-l in Fig. 1.2.e;34) variaţi semnalul de intrare (forma semnalului, frecventa) si urmarăţi semnalul de ieşire;35) efectuaţi si alte operaţii si testaţi cu ajutorul unui multimetru punctele de testare (A, B) dincircuit; 36) faceţi observaţii la comentariile privind introducerea erorii F6; 37) setaţi comutatorul Eroare F6 in poziţia închis OFF (sau apăsaţi butonul Eroare); 38) Închideţi simulatorul de modificări/erori.

ÎNTREBĂRI

A. Un amplificator operaţional configurat ca integrator practic necesita:1. Reacţie capacitiva2. Atât reacţie capacitiva cat si reacţie rezistiva

3. Reacţie rezistiva4. Un punct de întrerupere circuit dc

B. Daca forma semnalului de ieşire a unui integrator este o panta lineara, frecventa de intrare a circuitului este:

1. Mult mai mica decât frecventa de întrerupere a circuitului2. Mult mai mare decât frecventa de întrerupere a circuitului3. Nu poate fi comparata cu frecventa de întrerupere a circuitului4. Egala cu frecventa de întrerupere a circuitului

C. Amplificarea dc si a frecventei joase a integratorului practic este determinata de:1. Raportul dintre reactanţa si rezistenta la intrare2. Amplificarea buclei închise a amplificatorului operaţional3. Raportul dintre reacţie si rezistentele la intrare4. Frecventa de întrerupere împărţita la reactanţa capacitiva

D. Un integrator activ foloseşte:1. Reacţie capacitiva2. Reacţie inductiva3. Reacţie rezistiva4. Reacţie in bucla deschisa

E. Amplitudinea la ieşire a unui integrator:1. Nu este afectata de frecventa de intrare a circuitului2. Invers proporţională cu frecventa de intrare a circuitului3. Invers proporţională cu amplificarea circuitului4. Direct proporţională cu frecventa de intrare a circuitului

F. Pentru semnalele de intrare de forma sinusoidala, un integrator se comporta ca un:1. Amplificator dc2. Filtru de frecvente înalte3. Filtru de frecvente joase4. Amplificator invertor