Amplificatorul operational

Amplificatorul operational

Scurt istoric

Cu mult inainte de aparitia tehnologiei digitale, calculatoarele erau construite electronic pentru efectuarea calculelor, folosind curenti si tensiuni pentru reprezentarea cantitatilor numerice. Acest lucru a fost folositor in special pentru simularea proceselor fizice. O tensiune variabila, de exemplu, ar putea reprezenta viteza, sau forta, intr-un sistem fizic. Prin utilizarea divizorilor de tensiune rezistivi si a amplificatoarelor de tensiune, operatiile matematice de inmultire si impartire putea sa fie foarte usor efectuate pe aceste semnale.

Proprietatile reactive ale condensatoarelor si bobinelor au fost utilizate pentru simularea variabilelor folosite in functii ce necesitau utilizarea analizei matematice. Curentul printr-un condensator depinde de rata de variatie a tensiunii, variatie desemnata prin intermediul unei derivate. Prin urmare, daca tensiunea la bornele unui condensator ar reprezenta viteza de deplasare a unui obiect, curentul prin acesta ar reprezenta forta necesara pentru accelerarea sau decelerarea acelui obiect, capacitatea condensatorului reprezentand in acest caz masa obiectului respectiv.

unde,
i_C = curentul instantaneu prin condensator
C = capacitatea condensatorului(F)
dv / dt = variatia curentului cu timpul

unde,
F = forta aplicata obiectului
m = masa obiectului
dv / dt = variatia vitezei cu timpul (acceleratia)

Aceasta operatie electronica poarta numele de derivare, si este o functie naturala a curentului prin condensator in relatie cu tensiunea aplicata la bornele sale. Observati ca acest circuit nu are nevoie de nicio "programare" pentru efectuarea acestei functii matematice relativ avansate, lucru care nu se intampla in cazul unui calculator digital.

Circuitele electronice sunt ieftine si foarte usor de construit in comparatie cu sistemele fizice complexe, iar asemenea simulari electronice au fost folosite pe banda larga pentru cercetarea si dezvoltarea sistemelor mecanice. Pentru simulari realistice totusi, au fost necesare circuite amplificatoare de precizie inalta si usor de configurat pentru aceste prime calculatoare.

Pe parcursul dezvoltarii calculatoarelor, s-a ajuns la concluzia ca amplificatoarele diferentiale cu amplificari in tensiune foarte mari, erau candidatii perfecti pentru aceste necesitati. Folosind componente simple, conectate la intrarea si la iesirea amplificatorului diferential, s-a putut obtine practic orice factor de amplificare era necesar si se putea calcula orice functie matematica, fara modificarea sau ajustarea circuitului intern al amplificatorului insasi. Aceste amplificatoare diferentiale cu amplificari foarte mari, au ajuns sa fie cunoscute sub numele de amplificatoare operationale, pe scurt AO, datorita folosirii lor in cadrul operatiilor matematice efectuate de calculatoarele analogice.

Avantajele utilizarii amplificatoarelor operationale

Amplificatoarele operationale moderne, precum modelul popular 741, sunt circuite integrate de o inalta performanta si ieftine pe de alta parte. Impedantele lor de intrare sunt foarte mari, curentii pe la bornele acestora se situeaza in jurul valorii de 0,5 mA pentru modelul 741, si mult mai putin pentru AO cu tranzistori cu efect de camp la intrare. Impedanta de iesire este de obicei foarte mica, aproximativ 75 Ω pentru modelul 741, multe modele avand protectie integrata la scurt-circuit, ceea ce inseamna ca iesirile acestora pot fi scurt-circuitate fara ca acest lucru sa afecteze circuitul intern al amplificatorului. Cu un cuplaj direct intre etajele interne cu tranzistori ale AO, acestea pot amplifica semnale de c.c., precum si de c.a. Costurile de timp si de bani pentru proiectarea unui circuitu amplificator utilizand componente discrete se ridica mult peste costului unui amplificator operational. Din aceste motive, AO au scos aproape complet din uz amplificatoarele de semnal folosind tranzistori discreti.

Structura unui circuit integrat

In diagrama alaturata sunt prezentate conexiunile pinilor pentru un singur AO (la fel si pentru modelul 741) dintr-un circuit integrat DIP (Dual Inline Package) cu 8 pini.

Unele circuite integrate contin doua AO intr-un singur pachet, incluzand modelele populare TL082 si 1458. Aceste unitati "duale" sunt impachetate tot intr-un integrat DIP cu 8 pini.

Factorul de amplificare

AO practice au un factor de amplificare in tensiune in jurul a 200.000 sau chiar mai mult, ceea ce inseamna ca sunt inutile ca si amplificatoare diferentiale in sine. Pentru un AO cu o amplificare in tensiune, A_V = 200.000, si o tensiune maxima de iesire intre +15V si -15V, o diferenta de tensiune de doar 75 µV intre cele doua intrari este suficienta pentru intrarea amplificatorului in saturatie sau blocare!

Inainte de a examina utilizarea componentelor externe pentru reducerea amplificarii la un nivel rezonabil, putem investiga mai intai aplicatiile AO "pur".

Comparatorul

Una dintre aceste aplicatii o reprezinta comparatorul. Practic, putem spune ca iesirea unui AO va fi saturata pozitiv daca intrarea pozitiva (+) este mai pozitiva decat cea negativa (-), si saturat negativ daca intrarea (+) este mai putin pozitiva decat intrarea (-). Cu alte cuvinte, amplificarea foarte mare in tensiune a unui AO, inseamna ca acesta poate fi folosit pentru a compara doua tensiuni (una reprezentand o marime de stare si alta un punct de referinta), si folosirea semnalului de la iesire pentru semnalizarea cazului in care exista o diferenta intre cele doua semnale de intrare.

Comparatorul cu AO de mai sus, compara tensiunea de la intrare cu o tensiune de referinta stabilita printr-un potentiometru (R₁). Daca V_intrare scade sub tensiunea stabilita de R₁, iesirea AO se va satura la +V, iar LED-ul se va aprinde. Invers, daca V_intrare se afla sub valoarea tensiunii de referinta, LED-ul va fi polarizat invers, cu -V, si nu se va aprinde. Daca V_intrare este un semnal de tensiune produs de un instrument de masura, acest circuit comparator ar putea functiona precum o alarma de "nivel", nivel stabilit de R₁. In loc de LED, am putea conecta un releu, un tranzistor sau orice alt dispozitiv capabil sa puna in functiune un mecanism de actiune in cazul unei "alarme".

Convertor de semnal dreptunghiular

O alta aplicatia a circuitului comparator este un convertor de semnal dreptunghiular. Presupunand ca tensiunea de intrare aplicata la terminalul inversor (-) al AO ar fi o unda sinusoidala de c.a. in loc de c.c., tensiunea de iesire ar oscila intre saturatie pozitiva si saturatie negativa de cate ori tensiune de intrare va fi egala cu tensiunea de referinta produsa de potentiometru. Rezultatul va fi un semnal dreptunghiular.

Ajustarea potentiometrului

Ajustarea potentiometrului modifica tensiunea de referinta aplicata la intrarea ne-inversoare (+), iar acest lucru modifica punctele de intersectie ale undei sinusoidale; rezultatul este o forma de unda dreptunghiulara cu un factor de umplere diferit.

Semnalul de c.a. de la intrare nu trebuie sa fie neaparat un semnal sinusoidal pentru ca acest circuit sa-si indeplineasca functia. Semnalul de intrare ar putea la fel de bine sa fie triunghiular, dinte de fierastrau, sau orice alt semnal periodic cu semi-alternante pozitive si negative. Acest circuit comparator este foarte folositor pentru formarea undelor dreptunghiulare cu factori de umplere diferiti. Aceasta tehnica mai este denumita si modularea in durata a pulsurilor sau PWM, adica variatia, sau modularea unei forme de unda in functie de un semnal de control, in acest caz, semnalul produs de potentiometru.

Bargraph-ul

Bargraph-ul este o alta aplicatie unde se poate folosi un comparator. Daca am conecta mai multe AO pe post de comparatoare, fiecare avand propria sa tensiune de referinta conectata la intrarea ne-inversoare (+), dar fiecare primind acelasi semnal de tensiune la intrarea inversoare (-), putem construi un bargraph de tipul celor vazute la egalizatoarele grafice sau in sistemele stereo. Pe masura ce semnalul de tensiune (reprezentand puterea semnalului radio sau nivelul sunetului audio) creste, comparatoarele vor "porni" unul dupa altul si vor pune in functiune LED-ul lor respectiv. Cu fiecare comparator pornind la un nivel diferit al sunetului audio, numarul LED-urilor aprinse va indica puterea semnalului de intrare.

In circuitul prezentat, LED₁ va fi primul care se va aprinde pe masura ce tensiunea de intrare va creste intr-o directie pozitiva. Pe masura ce tensiunea va continua sa creasca, si celelalte LED-uri vor incepe sa porneasca, unul dupa altul, pana cand toate vor fi aprinse.

Convertor analog-digital (CAD)

Aaceeasi tehnologie este folosita si in cazul convertorului analog-digital (CAD), pentru "traducerea" unui semnal analog intr-o serie de tensiuni pornit/oprit, reprezentand un numar digital.