ELECTRONICĂ ANALOGICĂ

Prezentarea pe tema: "ELECTRONICĂ ANALOGICĂ"— Transcriere de prezentare:

1 ELECTRONICĂ ANALOGICĂ
Departamentul de Electronică şi Calculatoare str. Politehnicii 1, Braşov ELECTRONICĂ ANALOGICĂ Cursul nr. 2

2 C2 - Probleme tratate Alte circuite importante realizate cu AO
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 C2 - Probleme tratate Alte circuite importante realizate cu AO Amplificatorul sumator Amplificatorul diferențial Circuitul de derivare Circuitul de integrare Convertorul de rezistență negativă Alimentarea AO Circulația curenților și puterea disipată Saturarea ieșirii (tensiunile de saturație) Probleme

3 7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Introducere Amplificatorul sumator și cel de diferență reprezintă două dintre circuitele realizate cu AO și utilizate frecvent în procesarea analogică de semnal. În analiza celor două circuite se poate folosi conceptul de scurtcircuit virtual între cele două intrări ale AO, cea inversoare și cea neinversoare. Să ne amintim de modelul ideal al AO în care tensiunea dintre cele 2 intrări, numită tensiune diferențială, vD=vo/a, dar amplificarea în buclă deschisă a fiind foarte mare, ideal infinit, rezultă vD=0, ca și cum cele 2 intrări s-ar afla în scurtcircuit. Pentru că cele 2 intrări nu sunt fizic în scurt, se folosește denumirea de scurtcircuit virtual.

4 Amplificatorul sumator
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Amplificatorul sumator Sumatorul are 2 sau mai multe intrări și o ieșire. Sumatorul analizat are 3 intrări, dar rezultatul poate fi generalizat pentru oricâte intrări. Intrarea inversoare a AO se mai poate numi și punct de sumare a curenților și are potențialul egal cu zero (intrarea neinversoare este conectată la masă și folosim conceptul de scurtcircuit virtual dintre intrările AO). Curentul prin intrarea inversoare fiind egal cu zero, suma celor 3 curenți va fi egală cu cel care circulă prin rezistența de reacție, iF.

5 Amplificatorul sumator
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Amplificatorul sumator Utilizând legea lui Ohm, se obține: Punctul de masă virtuală din intrarea inversoare are 2 efecte importante: Determină proporționalitatea dintre curenții de intrare și tensiunile corespunzătoare Sursele de tensiune de la intrare nu se influențează reciproc și oricare dintre ele poate lipsi fără să deranjeze funcționarea celor rămase în circuit. adică tensiunea de ieșire este suma cu semn schimbat a tensiunilor de la intrare ponderate

6 Amplificatorul sumator
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Amplificatorul sumator Analiza s-a făcut pentru AO ideal, deci rezistența de ieșire a circuitului este Ro=0 Datorită punctului de masă virtuală din intrarea inversoare, fiecare sursă de tensiune vk ”vede” spre masă o rezistență Rk, deci rezistența de intrare pentru fiecare semnal este Rk, k=1, 2, 3. Dacă R1=R2=R3=R, atunci se obține un amplificator sumator, amplificarea fiind RF/R Dacă toate rezistențele sunt egale, adică și RF=R, rezultă un sumator inversor: APLICAȚII TIPICE: Mixer analogic Generatoare de funcții și convertoare de date

7 Amplificatorul diferențial
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Amplificatorul diferențial Amplificatorul diferențial are o ieșire și două intrări, una conectată spre intrarea inversoare iar cealaltă spre intrarea neinversoare. Tensiunea de ieșire se poate determina aplicând principiul suprapunerii de efecte:

8 Amplificatorul diferențial
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Amplificatorul diferențial Determinarea componentei vO1 Circuitul care rezultă când v2=0 este un amplificator inversor. Potențialul intrării neinversoare, vP=0 deoarece prin rezistența echivalentă R3||R4 curentul este zero, iP=0. Rezultă Rezistența de intrare ”văzută” de v1 este: Ri1=R1.

9 Amplificatorul diferențial
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Amplificatorul diferențial Determinarea componentei vO2 Dacă v1=0 (intrare pasivizată), atunci se obține un amplificator neinversor care prelucrează potențialul vP din intrarea neinversoare Rezultă Rezistența de intrare ”văzută” de v2 este: Ri2=R3+R4.

10 Amplificatorul diferențial
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Amplificatorul diferențial Prin superpoziție Prin rearanjarea relației și scoaterea lui R2/R1 factor comun, rezultă Dacă se îndeplinește condiția R3/R4=R1/R2, atunci APLICAȚIE TIPICĂ: Amplificatorul de instrumentație

11 7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Circuitul de derivare Este o configurație inversoare în care rezistența R1 este înlocuită cu condensatorul C iar R2=R iN=0 și se poate scrie iC=iR Legea lui Ohm permite determinarea lui iC și iR: Și semnalul de ieșire este proporțional cu derivata în funcție de timp a semnalului de intrare. Circuitul prezintă tendință de oscilație care poate fi eliminată prin conectarea în serie cu condensatorul a unei rezistențe RS cu o valoare aleasă corespunzător.

12 Circuitul de integrare
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Circuitul de integrare Se pornește în analiză tot de la egalitatea iR=iC, adică, aplicând legea lui Ohm: Modificând t într-o variabilă fictivă ξ (csi) și integrând ambii membrii ai relației între 0 și t, se obține: unde vO(0) este valoarea tensiunii de ieșire la t=0, adică valoarea inițială a tensiunii de pe condensatorul C (sarcina inițială cu care este încărcat condensatorul).

13 Circuitul de integrare
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Circuitul de integrare Rezistențele de intrare și ieșire sunt: În montajele practice, pentru a asigura curentul de polarizare a intrării inversoare, în paralel cu condensatorul C se conectează o rezistență RP, cu valoarea aleasă corespunzător. Aplicații: Generatoare de funcții (generatoare de semnal triunghiular și dinte de fierăstrău) Filtre active Convertoare analog-digitale (cu dublă pantă) Regulatoare PID (controller analogic)

14 Convertor de rezistență negativă
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Convertor de rezistență negativă Este o altă aplicație importanță a AO, numită transformare de impedanță. Fie rezistența din fig. (a). Pentru a-i afla valoarea experimental, se folosește o sursă de test v și se măsoară curentul i. Rezistența ”văzută” de sursă este Req=v/i. În acest caz simplu, Req=R. Sursa de test eliberează putere iar rezistența o absoarbe.

15 Convertor de rezistență negativă
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Convertor de rezistență negativă În montajul din fig. (b), R se conectează între ieșirea AO și intrarea neinversoare. Rezistența ”văzută” de sursă este tot Req=v/i, dar i se scrie astfel: și relația lui Req arată că circuitul simulează o rezistență negativă.

16 Convertor de rezistență negativă
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Convertor de rezistență negativă Dacă R1=R2, atunci Req=-R. AO amplifică tensiunea de test v de 2 ori. La pinul din dreapta al lui R se obține 2v iar la cel din stânga există doar v. Curentul i se scrie sub forma: Rezistențele negative pot fi folosite pentru a neutraliza rezistențele obișnuite nedorite, ca în proiectarea surselor de curent sau pentru a controla poziția polului, ca și în proiectarea filtrelor active și a oscilatoarelor.

17 Observație importantă
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Observație importantă Analizând circuitele descrise până în prezent, trebuie reținut că prin interconectarea de componente potrivite în jurul unui amplificator cu câștig mare, el poate fi configurat pentru o varietate de operații: multiplicare printr-o constantă, sumare, scădere, diferențiere, integrare și conversie de rezistență. Acest lucru explică de ce se numește operațional!

18 Alimentarea AO Pentru a funcționa, AO trebuie alimentate extern.
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Alimentarea AO Pentru a funcționa, AO trebuie alimentate extern. Rolul alimentării: Polarizarea tranzistoarelor din AO, Asigurarea curentului de sarcină și a celui prin rețeaua de reacție. Alimentarea poate fi: Alimentare cu două tensiuni (tensiune dublă): 2 baterii de c.c. înseriate, punctul de înseriere se alege ca referinţă de potenţial = masa fizică; Alimentare cu o tensiune (tensiune simplă): 1 baterie de c.c., minusul bateriei se alege ca referinţă de potenţial = masa fizică.

19 7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Alimentarea AO Exemplu de alimentare cu tensiune dublă la AO de tipul LM324 Exemplu de alimentare cu o singură tensiune la AO de tipul LM324

20 Decuplarea surselor de alimentare
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Decuplarea surselor de alimentare Decuplare generală a plăcii şi decuplarea locală, la fiecare AO: C1 şi C2 = condensatoare electrolitice (decuplare generală a plăcii) C3...C6 = condensatoare ceramice sau multistrat (decuplare locală) Observație: cu V+ și V- sunt notați pinii de alimentare ai AO. În cele ce urmează se folosesc notațiile echivalente VCC (V+) și VEE (V-).

21 Circulația curenților
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Circulația curenților Configurația neinversoare, vI>0 și vi<0 IQ = curentul de polarizare a tranzistoarelor componente ale AO; iO = curentul de ieșire al AO format totdeauna din curentul de sarcină și curentul prin rețeaua de reacție.

22 Circulația curenților
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Circulația curenților Configurația inversoare, vI>0 și vi<0 Curenții prin sursele de alimentare sunt iCC, respectiv iEE

23 Circulația curenților
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Circulația curenților Când curentul iO este generat de AO (iese din AO), atunci Când curentul iO este absorbit de AO (intră în AO), atunci Când iO=0, atunci iCC=iEE=IQ, unde IQ este curentul de polarizare a tranzistoarelor din AO și le menține în viață. Valoarea lui IQ depinde de tipul de AO. Tipic se află în domeniul de mA. La AO proiectate să lucreze în aparatura portabilă, IQ este în domeniul de uA (micropower op amps). Curentul IQ determină puterea disipată intern (VCC-VEE)IQ De exemplu, dacă AO are IQ=3mA și este alimentat cu ±15V, atunci puterea disipată intern are valoarea: [15V-(-15V)] x 3mA=30V x 3mA=90mW.

24 Tensiunile de saturaţie
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Tensiunile de saturaţie Reprezintă valorile maxime, pozitive, +Vsat sau negative, -Vsat ale tensiunii de ieşire.

25 Tensiunile de saturaţie
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Tensiunile de saturaţie Clasificarea AO după valoarea Vsat: AO la care Vsat este depărtată cu aprox. 2V faţă de tensiunile de alimentare: +Vsat ≈ V+-2V, -Vsat ≈ V-+2V; Pentru V+=15V şi V-=-15V rezultă +Vsat=13V, -Vsat=-13V. AO de tipul Rail-to-Rail la care Vsat este depărtată cu aprox. 0,1V sau chiar zeci de mV faţă de tensiunile de alimentare. În general, AO de tipul Rail-to-Rail au valorile tensiunilor de intrare şi de ieşire foarte apropiate de tensiunile de alimentare; AO de tipul Rail-to-Rail se folosesc la tensiuni mici de alimentare (aparatura portabilă) sau în circuite cu o singură tensiune de alimentare.

26 7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Probleme P1. Cum acționează AO în circuite? Să se determine valorile potenţialelor v1, v2 şi v3 din cele două circuite din figură:

27 Probleme P1 Î: Ce valoare are curentul prin circuit?
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Probleme P1 Î: Ce valoare are curentul prin circuit? R: deoarece este un circuit deschis (nu este continuu), curentul este i=0. Rezultă Aplicând teorema a II-a Kirchhoff (T II K) pe ochiul format din 10k, bateria de 6V, 30k şi tensiunea v2, se obţine: Apoi, aplicând T II K pe ochiul format din v2, 20k şi v3 se obţine:

28 7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Probleme P1 Datorită AO, v1=v2 şi apare un curent i prin circuit, urmând calea masă, 10k, bateria de 6V, 30k, 20k şi prin ieşirea AO către sursa de alimentare negativă a AO, V-. Aplicând T II K pe ochiul format din bateria de 6V, 30k şi intrările AO, având în vedere că v1=v2, se obţine:

29 7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Probleme P1 Concluzii: Când AO este introdus în circuit, el determină v3 să se modifice de la 6 V la -6 V deoarece aceasta este tensiunea care face ca să existe egalitatea v2 = v1. În consecință, v1 este schimbat de la 0 V la -2 V, iar v2 de la 6 V la -2 V. AO absoarbe un curent de 0,2 mA prin terminalul de ieșire, dar fără a vehicula vreun curent prin niciuna dintre intrări.

30 7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Probleme P2 Printr-o analiză asemănătoare, să se determine, potențialele v1, v2 și v3 pentru circuitele din figură: Răspuns: v1=0, v2=v3=-2,5V v1=v2=2,5V, v3=12,5V

31 7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Probleme P3 Circuitul din figură este realizat cu un AO ideal, alimentat cu ±15V. Să se determine: Ce tip de amplificator este realizat cu AO. Valoarea tensiunii de ieşire dacă vi1= +2V; vi2=-1,5V; vi3=+3,2V; vi4=-2,6V; Valoarea curentului de sarcină, a celui prin R1 și R2 și a celui d ela ieșirea AO, dacă vi= -2,6V.

32 Probleme P3. Rezolvare Se folosește relația de bază a AO: vP=vN
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Probleme P3. Rezolvare Se folosește relația de bază a AO: vP=vN Intrarea neinversoare este conectată la masă, deci vP=0 Potențialul vN este alcătuită din tensiunea pe R1 obținută prin divizarea tensiunii (vL-vI) între R1 și R2, la care se adaugă vI: Prin prelucrarea relației deoarece vP=0

33 7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Probleme P3 vL=-5vI și semnul minus din relația amplificării arată că circuitul este un amplificator inversor. Valorile tensiunii de ieșire se determină cu relația vL=-5vI și se trec în tabelul următor: Observație: Matematic, 3,2x(-5)=-16V dar AO este alimentat cu ±15V şi este imposibil ca tensiunea de ieşire să fie mai mare decât tensiunile de alimentare. Ieșirea AO se saturează și vL=-13V. Uin [V] Uo [V] Obs. +2 -10  AO lucrează liniar -1,5 +7,5 +3,2 -13 AO saturat -2,6 +13 AO la limită lucrează liniar

34 Probleme P3 Pentru vI=-2,6V se obține vL=13V
7/11/2019 EA-Cursul nr.2 Probleme P3 Pentru vI=-2,6V se obține vL=13V Curentul de sarcină și cel prin rezistoarele R1 și R2, se determină cu legea lui Ohm: Curentul total de la ieșrea AO este: