ELECTRONICĂ ANALOGICĂ Departamentul de Electronică şi Calculatoare str. Politehnicii 1, 500024 Braşov 0268 478705 ELECTRONICĂ ANALOGICĂ Cursul nr. 5

6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 C5 - Probleme tratate Circuite cu elemente rezistive în rețeaua de reacție Amplificatorul diferențial Amplificatorul de instrumentație Probleme

Amplificatorul diferențial 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial Amplificatorul diferențial a fost introdus în cursul 2, dar, deoarece el stă la baza altor circuite importante, cum ar fi amplificatoarele de instrumente și de traductoare în punte, trebuie analizat mai detaliat. Atât timp cât rezistențele satisfac condiția de punte echilibrată circuitul este un adevărat amplificator de diferență, adică ieșirea lui este proporțională cu diferența dintre intrările sale

Amplificatorul diferențial 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial Caracteristicile unice ale amplificatorului diferențial sunt mai bine apreciate dacă se introduc componentele de intrare în mod diferențial (vDM) și de mod comun (vCM), definite astfel: Tensiunile individuale de pe intrări se pot scrie:

Amplificatorul diferențial 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial Acum se poate defini în mod concis un adevărat amplificator diferențial ca un circuit care răspunde doar la componenta diferențială vDM, ignorând complet componenta mod comun vCM. Dacă se leagă intrările împreună pentru a face vDM = 0 și se aplică o tensiune de mod comun vCM  0, un adevărat amplificator diferențial va produce vO = 0 indiferent de mărimea și polaritatea lui vCM. Acest experiment poate servi și ca un test pentru a găsi cât de aproape este un amplificator diferențial practic de unul ideal. Cu cât variația tensiunii de ieșire este mai mică datorită unei variații date a lui vCM, cu atât amplificatorul este mai aproape de cel ideal.

Amplificatorul diferențial 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial Descompunerea tensiunilor individuale v1 și v2 în componentele vDM și vCM nu este numai un aspect matematic comod, dar reflectă și o situație destul de obișnuită în practică, aceea a unui semnal diferențial de nivel scăzut peste care se suprapune un semnal de mod comun de nivel mare, așa cum este în cazul semnalelor culese de la un traductor. Semnalul util este cel diferențial; extragerea acestuia din mediul cu semnal de mod comun de nivel înalt și apoi amplificarea acestuia poate fi o sarcină dificilă. Diferitele tipuri de amplificatoare diferențiale sunt candidații cei mai potriviți pentru a face față acestei provocări.

Amplificatorul diferențial 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial Rezistențele de intrare de mod diferențial și de mod comun

Amplificatorul diferențial 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial Efectul neîmperecherii rezistențelor Un amplificator diferențial va fi insensibil la vCM numai atât timp cât AO este ideal și rezistențele satisfac condiția de punte echilibrată. Efectul abaterii de la idealitate a AO va fi investigat în cursurile următoare. Acum se va presupune AO ideal și se va explora doar efectul nepotrivirilor de rezistență. În general, se poate spune că dacă nu este satisfăcută condiția de punte echilibrată, adică puntea este dezechilibrată, atunci circuitul va răspunde nu numai la vDM, ci și la vCM.

Amplificatorul diferențial P1 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial P1 În circuitul din figură, R1 = R3 = 10k și R2 = R4 = 100k. (a) Dacă se presupun rezistențele împerecheate, să se determine vO pentru fiecare dintre următoarele perechi de tensiuni de intrare: (v1, v2) = (-0,1V; + 0,1V), (4,9V; 5,1V), (9,9V; 10,1V) . (b) Să se repete (a) pentru rezistențe cu valori neîmperecheate după cum urmează: R1 = 10k, R2 = 98k, R3 = 9,9k și R4 = 103k. Comentariu.

Amplificatorul diferențial P1. Rezolvare 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial P1. Rezolvare (a) Tensiunea diferențială de intrare este: Tensiunea de ieșire va fi: indiferent de valoarea tensiunii de mod comun

Amplificatorul diferențial P1. Rezolvare 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial P1. Rezolvare (b) Se aplică superpoziția

Amplificatorul diferențial P1. Rezolvare 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial P1. Rezolvare Comentariu Ca o consecință a neîmperecherii rezistențelor, nu numai că avem vO  2V, dar vO se schimbă o dată cu valoarea componentei de mod comun. Este evident că circuitul nu mai este un amplificator diferențial adevărat.

Amplifcatorul diferențial 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplifcatorul diferențial La AD neechilibrat, tensiunea de ieșire se poate scrie unde Adm este amplificarea de mod diferențial iar Acm cea de mod comun. Raportul Adm/Acm se numește factor de rejecție a modului comun – CMRR (Common-Mode Rejection Ratio) și se exprimă, de obicei, în decibeli (dB): La un AD adevărat, Acm→0 și astfel CMRR→∞

Amplificatorul diferențial 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial Este evident că pentru valori mari ale CMRR, rezistențele trebuie să fie foarte bine împerecheate. Circuitul INA105 este un amplificator diferențial monolitic, de uz general care conține 4 rezistențe identice care se potrivesc cu o precizie de 0,002%. CMRRdB=100dB

Amplificatorul diferențial Creșterea CMRR 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial Creșterea CMRR CMRR-ul unui amplificator practic poate fi maximizat prin reglarea uneia dintre rezistoarele sale, de obicei R4. Calibrarea se face cu intrările legate între ele pentru a elimina vDM, deci numai pentru vCM. Cursorul potențiometrului este reglat pentru o variație minimă la ieșire, pentru două valori predeterminate ale vCM cum ar fi -5V și +5V.

Amplificatorul diferențial Amplificarea reglabilă 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial Amplificarea reglabilă Relația tensiunii de ieșire și cea a AD echilibrat arată că pentru a obține amplificare reglabilă trebuie modificate simultan valorile a 2 rezistențe, R2 și R4 în așa fel încât să se mențină împerecherea rezistențelor. Circuitul din figură elimină acest dezavantaj: și amplificarea se poate regla prin modificarea valorii unei singure rezistențe, RG

Amplificatorul diferențial Amplificarea reglabilă 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial Amplificarea reglabilă Ajustarea liniară a amplificării, cu posibilitatea gradării potențiometrului se poate face cu circuitul din figură: Cât timp rezistența de ieșire în buclă închisă a amplifica- torului OA2 este foarte mică, condiția de punte echilibrată nu este afectată. OA2 realizează o inversare de fază, astfel încât reacția la OA1 trebuie aplicată la intrarea neinversoare.

Amplificatorul diferențial Eliminarea buclei de masă 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial Eliminarea buclei de masă În circuitele practice, sursa de semnal și amplificatorul sunt adesea destul de îndepărtate și împart traseul de masă cu o varietate de alte circuite. Departe de a fi un conductor perfect, traseul de masă are o mică rezistență, inductanță și capacitate distribuite și astfel se comportă ca o impedanță distribuită. Sub efectul diferiților curenți care circulă pe traseul de masă, pe această impedanță va apărea o cădere mică de tensiune, motiv pentru care puncte diferite de pe traseul de masă se vor afla la potențiale ușor diferite.

Amplificatorul diferențial Eliminarea buclei de masă 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial Eliminarea buclei de masă Zg reprezintă impedanța traseului de masă între punctul de conectare la masă a semnalului de intrare, Ni și punctul de conectare la masă a semnalului de ieșire, No iar vg este căderea corespunzătoare de tensiune. În mod ideal, vg nu ar trebui să aibă niciun efect asupra performanței circuitului.

Amplificatorul diferențial Eliminarea buclei de masă 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial Eliminarea buclei de masă În figura (a), semnalul vi este prelucrat cu ajutorul unui amplificator simplu (inversor) Prezența termenului vg, denumit în general interferență la nivelul buclei de masă poate degrada calitatea semnalului de ieșire în mod apreciabil, mai ales dacă vi este un semnal de nivel scăzut, cu amplitudine comparabilă cu cea a lui vg, așa cum se întâmplă adesea cu semnalele obținute de la traductoare în mediile industriale.

Amplificatorul diferențial Eliminarea buclei de masă 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatorul diferențial Eliminarea buclei de masă În cazul utilizării unui amplificator diferențial ca în figura (b), se observă că vi este semnal de mod diferențial iar vg semnal de mod comun Prețul plătit pentru complexitatea crescută a circuitului și a cablării merită cu siguranță avantajele derivate din eliminarea termenului vg.

Amplificatoare de instrumentație 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatoare de instrumentație Un amplificator de instrumentație (AI) este un amplificator diferențial care îndeplinește următoarele specificații: impedanțe de intrare extrem de ridicate (ideal infinite) de mod comun și mod de diferențial; impedanță de ieșire foarte scăzută (ideal zero); amplificare precisă și stabilă, în mod obișnuit în domeniul 1V/V până la 103V/V; CMRR extrem de ridicat. AI este utilizat pentru a amplifica cu precizie un semnal de nivel scăzut în prezența unei componente de mod comun de nivel mare, cum ar fi o ieșire de traductor, în controlul proceselor și biomedicină. Din acest motiv, AI își găsesc o aplicare pe scară largă în instrumente de testare și măsurare - de aici și numele.

Amplificatoare de instrumentație Schema cu 3 AO 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatoare de instrumentație Schema cu 3 AO OA1 și OA2 formează etajul de intrare sau primul etaj, iar OA3 formează etajul de ieșirea sau al doilea etaj. Prin rezistențele notate R3 curge același curent ca și prin RG:

Amplificatoare de instrumentație Schema cu 3 AO 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatoare de instrumentație Schema cu 3 AO OA3 formează un AD echilibrat, astfel că: Amplificarea circuitului este și se poate controla cu ajutorul unei singure rezistențe, Rg.

Amplificatoare de instrumentație Schema cu 3 AO 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Amplificatoare de instrumentație Schema cu 3 AO Configurația de AI cu 3 AO este disponibilă sub formă de circuit integrat de la diferiți producători. Exemple familiare sunt AD522 și INA101. Aceste dispozitive conțin toate componentele, cu excepția lui RG, care este conectat extern de către utilizator pentru a stabili câștigul, de obicei, de la 1V/V la 103V/V.

6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Probleme P2 Să se determine expresia tensiunii de ieșire pentru AD din figură:

Probleme P2. Rezolvare Tensiunea de la ieșirea OA2 se scrie 6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Probleme P2. Rezolvare Tensiunea de la ieșirea OA2 se scrie Relația de bază după care se analizează AO este: vP=vN vP se determină aplicând superpoziția:

6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Probleme P2. Rezolvare Înlocuind expresia lui vO1, rezultă iar prin egalarea lui vP cu vN se obține sau de unde

6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Probleme P3 Să se determine expresia tensiunii de ieșire în funcție de tensiunile de intrare pentru circuitul din figură:

6/25/2019 EA-Cursul nr. 5 Probleme P3. Rezolvare Ambele AO (OA1, respectiv OA2) sunt configurate ca sumatoare inversoare. În consecință: și înlocuind pe vO1, relația lui vO devine