Determinarea parametrilor amplificatoarelor operationale (AO) prin masuratori

Determinarea parametrilor amplificatoarelor operationale (AO) prin masuratori

Scopul lucrarii: determinarea parametrilor principali ai unui AO.

Introducere

Amplicatoarele operationale, prescurtat AO, sunt circuite integrate, a caror simbol este prezentat in Figura 1.

Figura 1. Simbolul amplificatorului operational.

AO-ul are doua intrari de semnal, care se numesc intrarea neinversoare (notata pe simbol cu +), respectiv intrarea inversoare (notata pe simbol cu -). Pe aceste intrari se aplica tensiunile de intrare, notate in figura cu v_i , respectiv v_i-, care "codeaza" informatia care este prelucrata de catre AO. Diferenta dintre cele 2 tensiuni de intrare se numeste tensiune de intrare diferentiala si este notata in figura cu v_iD. AO-ul are o singura iesire, de unde se preia tensiunea de iesire v₀, care reprezinta rezultatul prelucrarii informatiei prezente pe intrari de catre AO.

Raportul dintre tensiunea de iesire v_o si tensiunea de intrare diferentiala v_iD se numeste amplificare in tensiune si se noteaza cu A_{V_AO}:

Un AO are o amplificare in tensiune foarte mare, valoarea sa fiind aproximativ 100000:

Pentru ca AO-ul sa poata fi capabil sa prelucreze informatia, acesta trebuie alimentat. AO-ul are doua borne de alimentare, pe care se aplica o tensiune pozitiva (notata V_CC , respectiv o tensiune negativa (notata V_EE) fata de un potential de referinta, care constituie masa schemei electronice.

Partea 1. Analiza AO-ului in bucla deschisa.

Deoarece amplificarea in tensiune a AO-ului este foarte mare, chiar si pentru valori foarte mici ale tensiunii v_iD, rezulta o valoarea foarte mare pentru tensiunea de iesire v_o: de exemplu, daca v_iD=1mVT v_o=1mV×100000=1000V. In practica, pentru tensiunea de iesire v_o nu se poate obtine o valoare atat de mare. Se constata ca, valoarea tensiunii de iesire v_o se limiteaza intotdeauna la una din 2 valori posibile, una pozitiva, cealalta negativa, in functie de semnul tensiunii v_iD. Acest fenomen se numeste saturatia AO-ului, iar tensiunile la care valoarea lui v_o se limiteaza se numesc tensiuni de saturatie.

1. Determinarea tensiunilor de saturatie ale AO-ului.

a. se va verifica la sursa de alimentare HM8040 daca ledul ON este stins, daca nu este stins, atunci se va apasa butonul OUTPUT al sursei de alimentare HM8040 T se stinge ledul, iar sursa este deconectata;

b. se va realiza circuitul din Figura 3; cu ledul ON pastrat in continuare stins, se va alimenta circuitul din Figura 3, de la 2 surse de tensiune continua HM8040, ambele setate la valoarea de 15V (se utilizeaza cele 2 surse reglabile - din partile laterale ale sursei de alimentare). Aceste surse se vor conecta in serie, ca in Figura 2, pentru a asigura ceea ce se numeste o alimentare "diferentiala" pentru AO. Dupa realizarea circuitului si alimentarea sa se va chema cadrul didactic pentru verificarea circuitului; dupa verificare se va apasa din nou butonul OUTPUT al sursei de alimentare HM8040 T ledul ON se aprinde, pentru a reconecta placa de testare la sursele de alimentare.

Figura 2. Alimentarea diferentiala a AO-ului.

Figura 3. Circuitul pentru determinarea tensiunilor de saturatie.

c. La intrarea circuitului din Figura 3, se va introduce de la generatorul de semnal HM8030 sau HM8032 o tensiune sinusoidala v_i de amplitudine 1V si frecventa 1kHz (acesti parametrii se vor regla conform cu cele prezentate in laboratorul 3). Se va vizualiza cu osciloscopul HM303, prin intermediul sondei de masura aplicate in circuit conform indicatiei din figura 3, tensiunea la iesire v_o. Datorita limitarii tensiunii v_o la cele 2 valori posibile, care reprezinta tensiunile de saturatie ale AO-ului, forma de unda a tensiunii v_o va rezulta distorsionata  = modificata fata de forma de unda a tensiunii de intrare v_i (v_i este sinusoidala, iar v_o rezulta dreptunghiulara). Trebuie retinut ca un amplificator NU trebuie sa distorsioneze formele de unda ale tensiunilor.

d. Se vor masura cu osciloscopul tensiunile de saturatie pozitiva, notata cu V_SAT+, respectiv negativa, notata cu V_SAT- astfel:

- mai intai, prin apasarea comutatorului GD de la osciloscopul HM303, (situat langa mufa la care este conectata sonda) se va fixa pe ecranul osciloscopului, din potentiometrul Y-POS1 nivelul de 0 volti; in acest moment, pe ecran se va vedea o linie continua;

- apoi se va elibera comutatorul GD; in acest moment, pe ecran apare forma de unda dreptunghiulara a lui v_o;

- se va masura V_SAT+ astfel: se va masura pe ecranul osciloscopului intervalul dintre valoarea maxima a tensiunii de iesire si nivelul de 0 volti;

- se va masura V_SAT- astfel: se va masura pe ecranul osciloscopului intervalul dintre valoarea minima a tensiunii de iesire si nivelul de 0 volti;

- rezultalele obtinute se vor completa in Tabelul 1.

Partea 2. Analiza AO-ului in bucla inchisa la semnal mic (semnal mic = tensiunea de la iesirea AO-ului este mai mica decat 1V).

De la punctul precedent s-a constatat ca, datorita valorii foarte mari a amplificarii in tensiune a AO-ului, tensiunea de iesire rezulta distorsionata, ceea ce face ca, in aparenta, AO-ul sa nu poata fi utilizat in circuitele de amplificare. Utilizarea AO-ului in circuitele de amplificare, poate fi realizata prin introducerea unei asa numite reactii negative in circuit, caz in care, se spune ca AO-ul lucreaza in bucla inchisa; daca AO-ul nu are reactie se spune ca acesta lucreaza in bucla deschisa - acesta a fost  cazul precedent. Reactia negativa reduce substantial amplificarea in tensiune a circuitului, ceea ce ofera solutii pentru eliminarea fenomenului de limitare prin intrarea in saturatie a AO-ului, care a constituit cauza aparitiei distorsiunilor la punctul precedent.

Prin introducerea reactiei negative intr-un circuit cu AO, valoarea amplificarii in tensiunea a acestuia, notata acum cu A_V, devine independenta de valoarea amplificarii in tensiune A_{V_AO} a AO-ului. Se constata ca, prin introducerea reactiei negative intr-un circuit cu AO, valoarea amplificarii in tensiune A_V a circuitului depinde numai de rezistentele circuitului, ceea ce aduce multiple avantaje.   

2. Determinarea amplificarii in tensiune in bucla inchisa

a. Se va deconecta de la placa de testare sursele de alimentare (numai in acest caz se pot opera modificari asupra circuitului de pe placa de testare): la sursa de alimentare HM8040, se va apasa butonul OUTPUT T ledul ON se stinge;

b. se va realiza circuitul din Figura 4, care se numeste "amplificator neinversor"; la acest circuit, reactia negativa este realizata prin conectarea rezistentei RF intre iesirea circuitului si intrarea inversoare a AO-ului; la intrarea circuitului, se introduce de la generatorul de semnal HM8030 sau HM8032 o tensiune sinusoidala cu aceeasi parametrii (amplitudine, frecventa), ca la punctul precedent); pentru rezistenta RF se va alege valoarea indicata pe tabla, in functie de masa de lucru; dupa realizarea circuitului se va chema cadrul didactic pentru verificarea acestuia; dupa verificare se va apasa din nou butonul OUTPUT al sursei de alimentare HM8040 T ledul ON se aprinde, pentru a reconecta placa de testare la sursele de alimentare.

c. se va vizualiza cu osciloscopul HM303, prin intermediul sondei aplicate conform indicatiei din figura, tensiunea la iesire v_o.

d. Pe forma de unda observata se va masura amplitudinea tensiunii de iesire v_o (conform procedurii indicate in laboratorul 3) si se va calcula amplificarea in tensiune a circuitului cu relatia de mai jos:

unde V_o si V_i sunt amplitudinile tensiunii de iesire, respectiv intrare (V_i este amplitudinea tensiunii furnizate de catre generatorul de semnal, reglata la valoarea 1V). Se va completa rezultatul in Tabelul 1. Totodata, in acelasi tabel se va trece si rezultatul teoretic, calculat cu formula:

Figura 4. Amplificator neinversor cu AO.

Partea 3. Analiza AO-ului in bucla inchisa la semnal mare (semnal mare = tensiunea de iesire a AO-ului este mai mare de 1V).

Datorita structurii sale, tensiunea de iesire v_o a unui AO poate varia intre 2 valori diferite care definesc un interval de valori Dv_o, intr-un interval de timp diferit de zero, notat Dt. In cazul in care intervalul Dv_o este mare, caz in care se spune ca AO-ul functioneaza in regim de semnal mare, datorita faptului ca intervalul de timp Dt 0, forma de unda a tensiunii de iesire a AO-ului poate rezulta distorsionata. De exemplu, in cazul in care forma de unda a tensiunii de iesire v_o ar trebui sa fie dreptunghiulara, AO-ul ar trebui sa fie capabil sa genereze la iesire o tensiune care sa treaca de la valoarea maxima la cea minima (si invers) instantaneu, adica intr-un interval de timp Dt=0. Dar, in realitate, tensiunea de la iesirea AO-ului, trece de la valoarea maxima la cea minima (si invers) intr-un interval de timp finit, datorita valorii Dt 0, iar forma de unda rezulta trapezoidala, nu dreptunghiulara. Astfel, la iesirea AO-ului forma de unda a tensiunii rezulta distorsionata. Acest fenomen constituie a 2a cauza a aparitiei distorsiunilor la iesirea unui AO si este specific cazurilor in care AO-ul functioneaza in regim de semnal mare; pentru cazul in care AO-ul functioneaza in regim de semnal mic, fenomenul este neglijabil.

AO-ul dispune de un parametru, numit Slew Rate, prescurtat SR, care furnizeaza informatii despre cat de repede se poate modifica valoarea tensiunii la iesirea AO-ului. Acest parametru se calculeaza cu formula:

Un AO performant are un parametru SR mare.

Se constata ca, in conditiile in care se impune pentru tensiunea de iesire un salt de valoare Dv_o, forma de unda a acesteia se mentine nedistorsionata pana la o valoare maxima notata f_MAX, a frecventei tensiunii v_i aplicate la intrare. Valoarea acestei frecvente se determina cu formula:

Daca frecventa f a tensiunii v_i aplicate la intrare este mai mica decat valoarea f_MAX, atunci, chiar daca tensiunea de iesire trebuie sa varieze cu valoarea Dv_o (cea utilizata in formula de mai sus), forma de unda a acsetei tensiune nu rezulta distorsionata.

Figura 5. Circuitul pentru determinarea parametrului SR.

3. Determinarea parametrului SR

a. Se va deconecta de la placa de testare sursele de alimentare (numai in acest caz se pot opera modificari asupra circuitului de pe placa de testare): la sursa de alimentare HM8040, se va apasa butonul OUTPUT T ledul ON se stinge;

b. se va realiza circuitul din Figura 5; acest circuit se numeste "repetor" deoarece tensiunea de iesire v_o este identica cu tensiunea de intrare v_i; la intrarea circuitului, se introduce de la generatorul de semnal HM8030 sau HM8032 o tensiune sinusoidala de amplitudine egala cu valoarea maxima setata din potentiometrul AMPLITUDE al generatorului de semnal HM8030 sau HM8032 si frecventa 50kHz; dupa realizarea circuitului se va chema cadrul didactic pentru verificarea acestuia; dupa verificare se va apasa din nou butonul OUTPUT al sursei de alimentare HM8040 T ledul ON se aprinde, pentru a reconecta placa de testare la sursele de alimentare;

c. se va vizualiza cu ajutorul sondei osciloscopului HM303, aplicate in circuit conform indicatiilor din figura, tensiunea la iesire v_o. Pe forma de unda vizualizata se va observa distorsionarea semnalului de iesire (nu mai este sinusoidal), cauzata de viteza de variatie redusa a tensiunii de iesire a AO-ului, care-l face incapabil pe aceasta sa genereze la iesire o tensiune suficient de rapida incat sa urmareasca variatia ideala a semnalului, care ar trebui sa fie sinusoidala (identica cu tensiunea aplicata la intrare);

d. pe aceasta forma de unda se va masura variatia maxima a tensiunii de iesire, adica valoarea Dv_o. Totodata, se va masura  intervalul de timp in care este realizata variatia de tensiune Dv_o, adica valoarea Dt. Apoi, se va calcula cu formula de mai sus parametrul SR, iar rezultatul se va trece in Tabelul 1.

e. se va calcula frecventa maxima f_MAX cu formula de mai sus, apoi se va micsora de la generatorul de semnal HM8030 sau HM8032 frecventa semnalului de intrare v_i sub valoarea f_MAX si se va verifica disparitia distorsiunilor. Valoarea calculata pentru f_MAX se va trece in Tabelul 1.

Referat laborator 06 - Determinarea parametrilor amplificatoarelor operationale (AO) prin masuratori

Data:

Nume:

1.

2.

3.

Tabelul 1.

Raspundeti la intrebari

1. Ce sunt distorsiunile?

2. Care este cauza aparitiei distorsiunilor in cazul in care AO-ul functioneaza in regim variabil de semnal mic?

3. Cum pot fi eliminate distorsiunile intr-un circuit de amplificare cu AO, cand AO-ul functioneaza in regim variabil de semnal mic?

4. Care este cauza aparitiei distorsiunilor in cazul in care AO-ul functioneaza in regim variabil de semnal mare?

5. Un AO care functioneaza in regim varaibil de semnal mare. Cum pot fi evitate distorsiunile in cazul in care acesta are un parametru SR=0,5[volti/microsecunda], daca este necesar ca tensiunea de la iesire sa sa aibe o variatie maxima Dv_o= valoarea indicata pe tabla, in functie de masa de lucru.

Raspuns: