14. Circuite integrate analogice (CIA) de prelucrare a
semnalului
7 DISPOZITIVE I CIRCUITE ELECTRONICE - S.l. ing. ILIEV MIRCEA
Pag. 14.18
Cap.14. Circuite integrate analogice (CIA)
de prelucrare a semnalului
14.1. Consideraii generale. Clasificare
Circuitele electronice se mpart n dou categorii:
1) circuite digitale (numerice, logice): acele circuite care
prelucreaz semnale binare, adic semnale care pot avea numai dou
valori (0 sau 1).
2) circuite analogice: circuitele la care semnalul de ieire
variaz continuu n timp, urmrind dup o anumit lege variaia
semnalului de intrare. Dup natura funciei de transfer, adic a
relaiei dintre mrimea de intrare i cea de ieire, circuitele
analogice se mpart n circuite liniare i neliniare.
Circuitele liniare au funcia de transfer liniar, adic dac y1
este rspunsul la excitaia x1 i y2 rspunsul la excitaia x2, atunci
y1+y2 este rspunsul la x1+x2 i k(y1 este rspunsul la k(x1.
Dispozitivele electronice sunt n general neliniare, dar ele pot fi
considerate suficient de liniare n domenii de funcionare
limitate.
Un circuit integrat (CI(IC) este o unitate constructiv
inseparabil de microelemente interconectate electric, plasate n
volum sau pe suprafaa unui substrat comun. Exemple de circuite
integrate liniare (CIL): amplificatoare, stabilizatoare, circuite
PLL etc.
Circuitele neliniare sunt caracterizate prin relaii neliniare,
bine definite, controlabile, stabile. Ex.: multiplicatoare,
circuite de divizare, de ridicare la ptrat, de logaritmare,
antilogaritmare, pt. controlul funciilor trigonometrice etc.
D.p.d.v. tehnologic, CIA pot fi realizate sub form monolitic sau
sub form hibrid.
CI monolitice se obin integral pe aceeai plcu (cip) de material
semiconductor, prin tehnologie bipolar, MOS, BiFet. Ele conin ct
mai multe tranzistoare i ct mai puine componente pasive.
CI hibride se realizeaz prin tehnologia straturilor groase
(>5 (m) sau tehnologia straturilor subiri, iar unele elemente
neintegrabile (condensatoare i inductane mari) se ataeaz sub form
discret, printr-o metod adecvat: termoconexiune, lipire ultrasonic
etc. Motivarea tehnicii hibride const n performanele electrice
superioare pe care le realizeaz (precizie, f > GHz).
14.2. Tipuri de CIL
Cele mai rspndite CIL sunt amplificatoarele. O clasificare a lor
ar fi dup natura funciei de transfer. Dac ambele mrimi (cea de
ieire i cea de intrare) sunt tensiuni, funcia de transfer este
amplificarea n tensiune iar amplificatoarele respective sunt numite
amplificatoare de tensiune. El se caracterizeaz prin Zin mare i Zie
mic. Cele mai rspndite amplificatoare de tensiune integrate sunt
amplificatoarele operaionale (AO). AOsunt amplificatoare cu ctig
mare n tensiune, folosite de obicei n configuraii cu reacie.
Denumirea de operaional provine de la faptul c iniial s-au folosit
pentru realizarea analogic a unor operaii matematice ca adunarea,
scderea, integrarea, derivarea, logaritmarea etc. Ex. (IPRS
Bneasa): (A 741, (M 108, 208, 308, 201, 301, TCA520, (M 381, 382,
387, ultimele 3 fiind recomandate ca preamplificatoare de
audiofrecven, cu 4 AO n capsul: (M 324/2902 (cu dou AO: (M
358N/2904N). Dac mrimea de ieire este un curent, iar cea de intrare
o tensiune, amplificatorul este de transconductan (Zin mare, Zie
mare). Ex.: n sistemele de reglare automat (SRA) exist
amplificatoare hibride (eventual cu separare galvanic) care
transform semnalele unificate n tensiune (0(1)-5V, 0(2)-10V,
0(4)-20V) n semnal unificat n curent (0(1)5mA, 0(2)10mA, 0(4)20mA),
cu sau fr zero viu (decalat).
Asemntor se pot defini i amplificatoarele de curent (Norton):
Zin mic, Ziemare. Ex.: (M3900. Dac ne intereseaz amplificarea n
putere se folosesc amplificatoare de putere. Ex.(n domeniul audio):
TBA 790, TCA 150, TBA 810, TDA 2030. n funcie de banda frecvenelor
de lucru exist amplificatoare de c.c. i de c.a. Cele de c.c. pot fi
realizate folosind cuplajul direct (ex.: AO), sau pe baza
principiului modulrii demodulrii (aa numitele amplificatoare cu
chopper). Aceast ultim soluie asigur o insensibilitate sporit la
variaiile de temperatur, variaiile surselor de alimentare, precum i
la procesele de mbtrnire.
Amplificatoarele de c.a. pot fi de audiofrecven, de impulsuri
sau de band larg (ex.:(A 715 ( ROB 115 pn la 65 MHz), de
radiofrecven (ex.:(A 703 ( ROB703 pn la 150 MHz). Pe lng cuplajele
clasice ntre etaje (direct, prin C, prin transformator) n ultima
vreme se folosete cuplajul optic.
Avantaje: separare galvanic.
Alturi de amplificatoare, stabilizatoarele de tensiune continu
sunt cele mai rspndite tipuri de CIL (Ex.: (A723). Exist o mare
varietate de CIA specializate avnd att etaje liniare ct i
neliniare. De ex. la TV, n calea de sunet se folosesc CI
amplificatoare-limitatoare i demodulatoare MF (TAA661, TBA120U).
Pentru amplificarea, demodularea i preamplificarea video a
semnalului de frecven intermediar, cel mai rspndit circuit este
TDA440. Pentru baleiaj pe vertical, bobinele de deflexie pe
vertical pot fi alimentate cu TDA1170 sau chiar cu un amplificator
audio (TDA 2030). Pentru TV color exist TBA 530, 540, TCA 640, 650,
660. Pentru radioreceptoare MA/MF exist TBA 570, iar pentru
decodificarea semnalului stereo (A785. Ultimul CI folosete o bucl
PLL (Phase Locked Loop bucl cu calare de faz, circuit cu reacie
negativ de faz). Aceste circuite lucreaz ca un sistem automat de
control al fazei unui oscilator. Se fabric att circuite PLL
separate (ex.: (E565 sau pt. nalt frecven (E561) ct i ncorporate n
CI specializate (ex. pt. TV: TBA940, 950, A255D (TDA 2593
sincroprocesor). Pentru uz industrial mai exist (AA145 pt. comanda
n faz a tiristoarelor, temporizatoarele (E555, TBA 315, senzorul de
proximitate TCA105N, comparatoarele (M339/2901, 393N/2903N,
CLB2711EC/CII72.
Tendina actual este creterea numrului de CI specializate. De ex.
n TV procesarea semnalului AFI imagine + sunet, sincronizare, H/V
sunt incluse ntr-un singur CI (TDA8303A, TDA 8304, TDA 8305)
14.3. Structuri specifice CIL
n cazul utilizrii tehnologiei planare (introdus n 1959 pentru TB
discrete) exist urmtoarele cerine:
- valorile rezistoarelor relativ moderate (0). Trebuie ca
rezistena de sarcin s nu fie prea mare.
Nu este necesar ca cele 2 TB s fie identice. Dac ariile ocupate
de emitoarele celor 2 TB, A1 i A2 sunt diferite, curenii de
saturaie IS1 i IS2 ai celor 2 jonciuni BE vor diferi n acelai
raport ( IC1/IC2=(IS1(exp(UBE / UT))/(IS2(exp(UBE /
UT))=IS1/IS2=A1/A2. Se evit un raport>5 din cauza consumului de
Si. Dac TB folosite au ( mici, diferena dintre I0 i IREF poate
deveni mare(la TB identice) i atunci se folosete oglinda de curent
cu 3 TB (Wilson)
UBB1=UBB2; (1=(2=(3=(; IB1=IB2; IE3=IC2+2(IB2= ((+2)(IB2;
IE3=IB3+IC3=((+1)(IB3; I0=IC3=((IB3=((IE3/((+1)= ((((+2)/((+1)(IB2;
IREF=((+((+2)/((+1))IB2; I0/IREF=((((+2()/((+1)((1/(((((+(+(+2)/
((+1)) = =((((+2()/((((+2(+2)(1; ( fiind la ptrat, chiar pentru (
mici, se obine oglindirea IREF la ieire.
Pentru obinerea unor rapoarte I0/IREF>5 se recurge la sursa
standard de curent.Presupunnd c TB au ( suficient de mare pt. a
putea neglija IB fa de IC; IC(IE; IREF=(EC-UBE1)/(R+R1)
UBE1+R1(IREF=UBE2+R2(I0 I0 ( IREF(R1/R2). Schema este folosit i cu
TB i diod (discrete) sub numele de generator de curent constant.
Aceast relaie aproximativ se poate folosi doar dac R1(IREF este
suficient de mare. n caz contrar I0/IREF va depinde i de raportul
ntre ariile ocupate de TB. IREF(IC1=IS1(exp(UBE1/UT)
I0=IC2=IC2(exp(UBE2/UT) ( I0/IREF= IS2/IS1(exp((UBE2-UBE1)/UT)
R1(IREF I0(R2=UT(ln(...) UBE2-UBE1=UT(ln(I0/IREF(IS2/IS1) (
I0/IREF= R1/R2-UT/(R2(IREF)( (ln(I0/Iref(IS1/IS2).
Pentru I0 mici ((A) se folosete sursa WIDLAR (sursa standard cu
R1=0): I0/IREF=UT/(R2(IREF)(ln(IREF/I0(IS2/IS1). E posibil ca
IS1=IS2 (TB identice) ( IREF > I0. Sursele de curent se pot
folosi i ca sarcini active. Obinerea unor amplificri mari n
tensiune implic folosirea unor R de sarcin mari (i EC mari). O
rezisten de sarcin mare, care s nu ocupe o arie mare pe plcua de Si
i care s nu necesite nici valori ridicate pentru sursa de
alimentare, se poate obine utiliznd drept sarcin rezistena de ieire
RCE a unui TB. O astfel de sarcin realizat cu un TB n loc de o R,
este denumit sarcin activ.
Ex.: etaj de amplificare EC cu T1 i oglind simpl de I cu T2, T3
- pnp. Au=Uies/Uin=1000...2000. Rezistena de intrare este mai mic
dect la un etaj normal, iar Ries=RCE1||RCE2, deci mare.
14.3.2. Etaje de deplasare a nivelului de curent continuu
n CIL etajele sunt cuplate n c.c. i nu prin condensator. De
aceea trebuie s se asigure compatibilitatea nivelului de c.c. de la
ieirea unui etaj cu cel de la intrarea n etajul urmtor, simultan cu
obinerea unor excursii mari pentru U de ieire. Pentru aceasta se
folosesc ntre etajele de amplificare, etaje de deplasare a
nivelului de c.c. Aceste etaje trebuie s aib o amplificare ct mai
apropiat de unitate, o impedan de intrare mare i o impedan de ieire
mic, pentru a preveni ncrcarea ntre etaje. Primele CIL foloseau
doar TB npn.
Potenialul fiecrui colector e mai mare dect tensiunea din baz,
ceea ce limiteaz excursia de U ieire. Pentru deplasarea (coborrea)
tensiunii continue (nivel de c.c.), cel mai simplu etaj este
circuitul pasiv. Pentru atenuare mic R2>>R1 ceea ce conduce
la C1>>C2 pentru asigurarea unei benzi ct mai largi. Schema
practic este prezentat n figura 14.6, iar cea echivalent n figura
14.7:
T1 i T2 determin R2=5K, C2=0,5pF ( R1=10...20K,
C1=15...30pF.
O alt metod principal de deplasare a nivelului de c.c. const n
utilizarea unei diode Zener. Ca diod Zener se folosete n mod normal
jonciunea B-E a unui TB (VT3), (fig.14.8), polarizat invers, ceea
ce asigur o cdere de U=67V. Fiind zgomotoas, metoda se folosete
pentru circuite lucrnd n comutaie, de ex. comparatoare i
amplificatoare de impulsuri.n prezent cea mai utilizat metod de
deplasare a nivelului de c.c. se bazeaz pe folosirea TB pnp
(fig.14.9). Deplasarea nivelului de c.c. ntre colectorul lui T1 i
baza lui T3 se face prin UBCT2(pnp). Uzual R1, R3 sunt sarcini
active; R2 poate fi i 0. Dezavantaje: TB pnp realizate prin
tehnologie monolitic au un rspuns prost n frecven (ft(1MHz), dar
pentru audiofrecven nu reprezint un inconvenient.
14.3.3. Etaje de amplificare
n general orice amplificator are 2 terminale de intrare i 2 de
ieire. De multe ori un terminal de la intrare i unul de la ieire
sunt conectate n comun ntrun punct de referin sau punct de mas.
ntro serie de aplicaii ns aceste tipuri de amplificatoare, avnd o
singur intrare cald, nu mai sunt satisfctoare. Este necesar ca nici
unul din cele 2 terminale de intrare s nu fie conectate la mas. Ca
amplificator cu 2 intrri calde se folosete amplificatorul
diferenial, care amplific diferena dintre semnalele aplicate pe
aceste 2 intrri. Pentru ieire se folosesc etajele de ieire
convenionale (clas A, B, AB), adaptate la restriciile generale
impuse de tehnologia monolitic.
14.4. Amplificatoare operaionale (AO)
14.4.1. Parametrii AOUn AO ideal are simbolul din figura 14.10,
fr cele 2 tensiuni de alimentare V+, V fa de mas.El este un
amplificator ideal de tensiune, cu intrare diferenial i ieire
simpl. U0=a(UI,
UI =tensiunea de intrare diferenial = (Ui+) (Ui)
Ui+ =tensiunea de la intrarea neinversoare - un semnal aplicat
la aceast intrare determin la ieire un semnal cu acelai semn.
Ui = tensiunea de la intrarea inversoare - un semnal aplicat la
aceast intrare determin la ieire un semnal cu semn schimbat.
a = amplificarea n tensiune (n bucla deschis = fr reacie)
Un AO ideal are proprietile:1) - amplificarea n tensiune infinit
(ctigul a(();
2) - impedan de intrare infinit (Zi((), deci curentul de
intrare=0;
3) - impedan de ieire zero (Zi(0);
4) - banda de frecvene infinit;
5) - caracteristica de transfer liniar i simetric;
6) - tensiunea de ieire U0=0 pentru tensiune de intrare UI=0 (U
decalaj la ieire =0);
7) - revenire instantanee din saturaie; etc.
Un AO real are urmtorii parametri:
1) amplificarea n bucl deschis a = (U0/(Ui (variaii de tensiuni)
tipic a=104...106. Ex.: (A741 are a=200.000.
2) Zi = (Ui / (Ii =variaia tensiunii de intrare raportat la
variaia curentului de intrare prin una din intrri cnd cealalt
intrare e conectat la surs. Tipic Zi=10K...100M ex. pt. (A741:Zi=2M
(min. 0,3M).
3) Curentul de intrare (polarizare) IB=(IB1+IB2)/2 media
aritmetic a celor 2 cureni de intrare cnd U0=0. Tipic IB este de
10(A...200nA pt.TB i de 1...10pA pt.TEC. Ex.: pentru (A741:
IB=200nA (max. 500nA).
4) Curentul de decalaj (offset) de la intrare Iio=|IB1-IB2| cnd
U0=0. Tipic Iio este de 0,005...50nA pentru TB i de 0,005...10pA
pentru TEC. Ex.:(A741: Iio=30nA (max. 200nA).
5) Tensiunea de decalaj de la intrare Uio = |(Ui+)-(Ui)| pt.
U0=0. Uio este tensiunea care trebuie aplicat la una din intrri cnd
cealalt este pus la mas (n condiiile n care cele 2 intrri vd spre
mas rezistene de valori egale), pentru a aduce U0 la zero. Uio este
de 0,3...10mV pt. TB i de 1...40mV pentru TEC-J. Ex.:(A741: Uio
este de max. 6mV.
6) Factorul de rejecie pe mod comun (CMRR- Common Mode Rejection
Ratio) CMRR=20(lg [((U0/(Ui)/((U0/(Uio)]= 20...100 dB, zgomotul
dintre ctigul diferenial n bucl i ctigul de mod comun n bucl
deschis. Ex.: (A741: 70..90 dB.
7) Factorul de rejecie a tensiunii de alimentare este raportul
dintre variaia tensiunii de intrare i variaia surselor de
alimentare care conduce la aceeai deplasare a tensiunii de ieire.
Poate avea valori diferite pentru cele dou surse de alimentare.
Ex.: (A741: SVR+ = SVR =30...100(V/V (SVR = Supply Voltage
Rejection).
8) Z ieire Z0- raportul dintre variaia tensiunii de ieire i
variaia corespunztoare a curentului de ieire pentru U0 apropiat de
0. Z0=11000.
9) Timpul de tranziie (tt)
Reprezint timpul necesar ca semnalul U0 s varieze ntre 20% i 90%
i excursia tensiunii de ieire.
UI = tensiunea diferenial de intrare
Cel mai prost tt pentru un A.O. corespunde tensiunilor de
saturaie ale A.O., adic valorilor negative (UOM sau VOL) i pozitive
(VOM+ sau VOH) ale tensiunii de ieire.
10) Viteza de variaie a semnalului de ieire: SR (slew rate)
11) Caracteristica de transfer
a = amplificarea n bucl deschis este mai mare n jurul originii.
a fiind mare (50.000-200.000), cu reacia negativ se poate liniariza
caracteristica de transfer.
12) Caracteristica de frecven
a = f(t). a0=amplificarea la frecven f=0 (c.c.).
fs frecven limit superioar ( a = 0,707a0 = (a0 scade cu 3
dB).
fs = band de trecere la 3 dB
fu frecvena la care amplificarea n bucl deschis devine au = 0
dB, (ctigul devine unitar).
13) Frecvena maxim de utilizare (fm) reprezint frecvena maxim n
regim sinusoidal de semnal mic pentru care semnalul la ieire A0 are
nc valoarea maxim posibil nedistorsionat
14.4.2. Structura intern a A.O.
E.I. ctig diferenial (parafaz la (A741)
A.I. amplificator intermediar
E.O. etaj de ieire (clas A, B, AB) cu protecie la
scurtcircuit.
14.4.3. Aplicaii liniare ale A.O.Presupunem A.O. ideal (Zi, a (
infinit, Ii=0,UI=Ui+-Ui-=0).
1) Amplificator inversor
A = punct virtual de mas (se afl la potenialul masei, chiar dac
ntre A i mas nu exist scurtcircuit real). I1+I2=0 , I1=Ei/R1 ,
I2=U0/R2 => U0=-(R2/R1)*Ei => Au=U0/Ei=-R2/R1. Pentru
compensarea IB (polarizare) => R3=R1||R2 , Rin=R1. n AO reale
Rin=R1+R2/a. R3 poate compensa i / sau offset-ul, dac IB e
suficient de mare.
2) Amplificator neinversorI3=0 ( pt. A.O. reale R3=R1||R2).
Ui+=Ei=UB=UA=Ui;I1+I2=0; I1=-Ei/R1;I2=(U0-Ei) /R2 =>
-Ei/R1+U0/R2-Ei/R2=0 => U0/R2 = Ei(1/R2+1/R1) => U0=(R2/R1
+1)Ei ; Rin ( infinit; Au=1+R2/R13) Repetorul de tensiune
Neinversor fr R1
U0=Ei; Au=1
Pt. A.O. reale:
RIN = a*Ri C.I. (> RIN neinversor)
4) Amplificator sumator inversorI1+I2+I3+...+In+I0=0
I1=E1/R1I2=E2/R2 =>E1/R1+..En/Rn=-U0/R0--------
In = En / Rn U0=
R0(E1/R1++En/Rn)I0=U0/R0R'=R1||R2||..||Rn||R0Caz particular:
R1=R2=...= Rn = R0;
U0=(E1/R1+..+En/Rn) (sumator inversor).
5) Amplificator diferenial
U0 = f(E1,E2)
Metoda I: Ui+ = E2*R4/(R3+R4)
I1=(E1-Ui+)/R1 ; I2=(U0Ui+)/R2I1+I2=0 =>
E1/R1-Ui+/R1+U0/R2Ui+/R2=0
U0 = R2 [-E1/R1+Ui+(1/R1+1/R2)]
U0= E1*R2/R1 + E2*(R4/(R3+R4))*(1+R2/R1) (14.1)
Metoda II: - suprapunerea efectelor. Se poziioneaz mai nti E1
(punctul C la mas) =>
amplificator neinversor =>
U02=Ui=(1+R2/R1)=E2*(R4/(R3+R4))*(1+R2/R1).
Se poziioneaz apoi E2 (punctul D la mas) i => amplificator
inversor Uo1=-E1*R2/R1. Se suprapun efectele =>
U0=U01+U02=[E2*(R1+R2)*R4]/[R1*(R3+R4)]-E1*R2/R1.
Caz particular: - cnd U0=E1-E2 (scztor)
[R4/R1]*[(R1+R2)/(R3+R4)]=R2/R1 =>R1*R4+R2*R4=R2*R3+ R2*R4
=>R1*R4=R2*R3 sau condiia: R2/R1=R4/R3
La un A.O. real, ca de ex. la amplificatorul diferenial, se
poate defini o amplificare de mod diferenial Ad, i o amplificare de
mod comun Am. Se poate calcula Ad si Am. Prin definiie
Um=(E1+E2)/2, Ud=E2-E1 => E2=Um+Ud/2, E1=Um-Ud/2; E1,E2 se
introduc n (14.1) i =>U0=Ad*(Ud/2)+Am*Um.
Uzual condiia R2/R1=R4/R3 R1=R3 , R2=R4 , Am=0.
Observm c Am are un n formul, deci poate fi anulat (Am=0) prin
reglarea unui rezistor (de obicei se regleaz R4).
Se urmrete U0 cu osciloscopul i se regleaz R4 pn cnd semnalul U0
dispare. Amplificatorul scztor are dezavantajele: 1) nu se poate
regla Ad fr s deranjeze reglajul lui Am; 2) Zintrare este destul de
mic si difer pe cele dou intrri. Mrirea rezistenelor de intrare se
poate obine cu dou A.O. n urmtoarea schem cu performane superioare
(amplificator de instrumentaie).
U2=E2+I7*R6
U1=E1-I7*R5
I7=(E2-E1)/R7
U2=E2+((E2-E1)/R7)*R6U1=E1-((E2-E1)/R7)*R5nlocuim Ud=E2-E1,
E1=Um-Ud/2
Um=(E1+E2)/2, E2=Um+Ud/2
=>U1=Um-Ud/2-Ud*R5/R7U2=Um+Ud/2+Ud*R6/R7
Se introduc n formula amplificatorului scztor (14.1) =>
U0= Um * R2 / R1 + Ud * (1/2+ R5 / R7 ) *R2 / R1 + Um * ( R4 / (
R3+ R4 ) ) * (1 + R2 / R1 )+
+Ud(1/2+R6/R7)*(R4/(R3+R4))*(1+R2/R1)=Ad*Ud/2+Am*Um. Uzual R5=R6,
R2/R1=R4/R3, practic R2=R4, R1=R3 =>Am=0. Prin reglarea lui R4
se anuleaz Ad, fr a strica reglajul pentru anularea lui Am.
U0=(2*R5/R7+1)*R2/R1*(E2-E1).
Aplicaii: circuite de msur pentru senzori inductivi, rezistivi.
Pentru termocupluri se prefer scheme mai stabile d.p.d.v.
termic.
6) Integrator
Se scriu ecuaii n domeniul timpului:
i1(t)+i2(t)=0; i1(t)=ei(t)/R; i2(t)=C*(dU0(t)/dt) =>
ei(t)/R=-C*(dU0/dt)=> U0(t)= -1/(RC)*( ei(t)dt
Pentru un semnal treapt la intrare n ieire rezult o ramp VI/Rc.
La un A.O. real condensatoarele au cureni de fug, iar rampa dureaz
pn se satureaz A.O.7) Derivator (difereniator)
i1(t)+i2(t)=0; i1(t)=C * dei(t)/dt; i2(t)=U0(t)/R=>
C*dei(t)/dt = U0(t)/R => U0(t)=R * C * dei(t)/dt. Pentru un
semnal treapt la intrare, la ieire rezult un impuls DIRAC (nlime
infinit, lime zero). La un A.O. real, nlimea impulsului este dat de
A i de rampa treapt .
Circuitul prezint cteva neajunsuri :
- datorit amplificrii foarte mari la frecvene nalte, la ieire
apare zgomot de nalt frecven.
- factorul de reacie f va conine un pol wp=1/RC. Montajul poate
intra n oscilaie i de aceea se introduce un zero n expresia
ctigului buclei cu ajutorul unei rezistene R' serie cu C. Pentru
regulatoare se folosesc A.O. n montajele inversor (P- regulator
proporional), integrator (n realitate exist doar
proporional-integrator: PI); foarte rar derivativ (de fapt PD), cel
mai adesea PID.
8) Convertoare tensiune-curent
Sunt generatoare de curent comandate n tensiune, cu rezistena
mare de ieire i precizie ridicat. Cel mai simplu generator
bidirecional de curent se obine din montajul inversor, conectnd Rs
n loc de R2. I1+Io=0=>Io=-I1=-Ei/R1, fiind limitat de Imax de
catalog pentru A.O. Sarcina e flotant, adic nu are masa comun cu
intrarea.
Exist i o variant de convertor n configuraia neinversoare:
Io=Ei/R1
Pentru sarcini cu o born la mas se folosete urmtoarea schem:
ui-=ui+ (A.O. ideal) I1+I3=0 (14.2)
ui+=U0*R2/(R2+R4) I1=(Ei-ui+)/R1I3=(Uies-ui+)/R3 ,
Uies=U0+Rs*(I0+Uo/(R2+R4))
(14.2)=>I0=-Ei*R3/(Rs*R1)+U0*(R2*(R1+R3)-R1*(R4+R5))/(R1*R5*(R2+R4)
Prin proiectare se aleg R1=R2 i R3=R4+R5. I0 devine independent
de sarcina I0=Ei*R3/(Rs*R1). Uzual R1=R2=R3=R4=R=100K-1M si R5
valoarea histerezisului.
n momentul basculrii:
EMBED Equation.3
Pentru praguri se pot scrie relaiile:
3) Comparator cu histerezis cu inversare
Histerezisul poate s fie asimetric fa de origine dac se folosete
o tensiune de referin Uref. Ex. pentru alimentare asimetric:
Up+ si Up- pot fi asimetrice fa de UREF, dac se folosesc R2, R2'
i 2 diode.
Exemple de comparatoare: - ROB 311
- M339 (M2901, M3302) - 4 comparatoare, ieire clas A, colector n
gol, timp de rspuns tr=0.3 microsecunde
- M393N (M2903N) - 2 comparatoare (capsula DIL 8)
- CLB 2711 EC (CII 72) - comparator dual - 40 ns, alimentare
+14V/-7V
14.6. ALTE APLICAII NELINIARE ALE A.O.
n acest subcapitol se vor prezenta cteva dintre cele mai
reprezentative aplicaii ale A.O. n prelucrarea neliniar a
semnalelor. Deja au fost prezentate comparatoarele de tensiune.
Dintre aceste aplicaii neliniare se remarc i utilizarea A.O. n
circuite de redresare precis a semnalelor alternative cu
amplitudini reduse (subcapitolul 14.6.1).
14.6.1. Redresoare de precizie cu a.o.
Obinerea cu precizie ridicat a valorii medii redresate a unei
tensiuni alternative, folosind mijloace convenionale, nu este
posibil dac amplitudinea acesteia este mai mic sau de acelai ordin
de mrime cu tensiunea de deschidere a diodei semiconductoare
folosite (0,2V pn la 0,6V). Reducerea substanial a tensiunii de
deschidere i liniarizarea caracteristicii diodei se pot obine prin
introducerea ei n bucla de reacie a unui A.O. Datorit ctigului de
tensiune ridicat, A.O. va regla automat cderea de tensiune la
bornele diodei astfel nct pe durata conduciei acesteia s se asigure
o relaie liniar ntre tensiunea de redresat i cea redresat, chiar i
pentru tensiuni de intrare de ordinul fraciunilor de milivolt.
Ansamblul diod-amplificator constituie n acest fel o diod de
precizie.
Cel mai simplu circuit utilizat pentru redresarea unei singure
alternane a tensiunii alternative ui este prezentat n figura 14.51.
Este de observat c n semiperioada pozitiv a tensiunii de intrare
bucla de reacie este nchis, amplificatorul funcioneaz ca repetor de
tensiune, iar tensiunea de ieire uo este replica fidel a celei de
intrare. Pentru semiperioada negativ a tensiunii de intrare dioda
este polarizat invers, bucla de reacie este ntrerupt, tensiunea ui
este aplicat integral ntre bornele de intrare ale A.O., care intr n
saturaie.
Fig. 14.51. Redresor de precizie
Fig. 14.52. Varianta inversoare a redresorului de
monoalternan
precizie monoalternan
Tensiunea de ieire va fi practic nul (rid>>Rs). Pentru
semiperioada pozitiv tensiunea de deschidere a diodei de precizie
va fi Ud/Au, unde prin Ud s-a notat tensiunea la care se deschide
dioda D. Prin conectarea invers a diodei D circuitul va redresa
semiperioada negativ a tensiunii de intrare. Principalele
dezavantaje ale circuitului se manifest n intervalul de timp n care
bucla de reacie rmne deschis. Aceste dezavantaje sunt: saturaia
amplificatorului, fapt care reduce frecvena maxim de funcionare
corect (sute de Hz pentru A.O. de tipul 741), valoarea mare a
rezistenei de ieire i funcionarea cu tensiuni de intrare
difereniale mari.
Eliminarea dezavantajelor de mai sus este asigurat de varianta
inversoare pentru redresarea unei singure alternane (fig. 14.52).
Se constat c pentru semiperioada negativ a tensiunii ui, este
valabil relaia
iar pentru semiperioada pozitiv, cnd D1 este blocat, bucla de
reacie se nchide prin D2, tensiunea la borna de ieire a
amplificatorului fiind negativ i egal cu cderea de tensiune pe D2,
iar tensiunea de ieire a circuitului Uo, este nul. Un astfel de
circuit permite creterea frecvenei maxime de funcionare, n cazul
cnd se utilizeaz un A.O. de tipul 741, pn la valori de ordinul unui
kHz. Pentru frecvene mai mari de lucru este necesar utilizarea unor
A.O. cu corecie extern a caracteristicii de frecven, care pot
asigura o band mai larg.
Redresoare de precizie bialternan. n unele aplicaii se cere
redresarea precis a ambelor alternane ale unei tensiuni
alternative. n cazurile n care sarcina are un terminal conectat la
mas, se poate utiliza circuitul din figura 14.53.a. Aici A1 i
elementele conexe funcioneaz ca redresor monoalternan, iar A2
nsumeaz i inverseaz tensiunile ui si 2ua furniznd la ieire o
tensiune pulsatorie cu valoarea medie pozitiv, aa cum rezult i din
figura 14.53.b. Inversnd modul de conectare al diodelor se obine o
valoare medie negativ a tensiunii de ieire.
a
b
Fig. 14.53. Redresor de precizie bialternan
14.6.2. Detectoare de vrf
Aceste circuite servesc la determinarea valorii maxime sau
minime a unei tensiuni variabile, ntr-un interval de timp
stabilit.
Cel mai simplu detector de vrf pentru tensiuni de intrare
pozitive este prezentat n figura 14.54.a. Dac n momentul nceperii
msurrii condensatorul C este descrcat cu ajutorul unui comutator cu
contacte sau static, el se va ncrca la cea mai mare valoare pozitiv
pe care a avut-o tensiunea de intrare n intervalul de msurare
(fig.14.54.b). Se constat c pentru ui ( uo, tensiunea de ieire
urmrete valoarea tensiunii de intrare, iar pentru ui ( uo,
tensiunea de ieire rmne constant i egal cu cea mai mare valoare
anterioar, datorit blocrii diodei D. Mai este de menionat c atunci
cnd ui ( uo bucla de reacie a A.O. este ntrerupt i amplificatorul
intr n saturaie datorit aplicrii ntre cele dou intrri ale sale a
diferenei de tensiune uo-ui. Precizia cu care se efectueaz
memorarea valorii de vrf este determinat de pierderile n sarcin
care au loc datorit curentului de scurgere prin dielectricul
condensatorului, curentului invers al diodei D i celui de
polarizare al intrrii inversoare a A.O.
a b
Fig. 14.54. Detector de vrf:
a - circuitul; b - variaia tensiunilor ui i uo.
Atunci cnd durata de msurare este mare, n scopul reducerii
vitezei de alterare a tensiunii pe condensator, se iau msuri pentru
micorarea curenilor de scurgere i se adopt o valoare mai mare
pentru condensatorul C. Mai este de menionat c pentru detectarea
valorilor de vrf negative se inverseaz conectarea diodei D.
n cele de mai sus s-a presupus c circuitul funcioneaz cu ieirea
n gol, ipotez care nu se confirm n practic. Deoarece rezistena de
sarcin poate avea valori de ordinul sutelor de ohmi sau
kiloohmilor, ea nu poate fi conectat direct la ieirea detectorului
de vrf fiind necesar folosirea unui circuit adaptor de impedan.
Eliminarea dezavantajelor menionate pentru circuitul din figura
14.54.a se realizeaz utiliznd detectorul de vrf perfecionat cu dou
A.O. din figura 14.55. Amplificatorul A1 are rolul de detector de
vrf cu evitarea saturaiei prin intermediul diodei D2, iar A2
funcioneaz ca repetor de tensiune cu curent de intrare redus.
Rezistorul R2 preia diferena de tensiune uo-ui atunci cnd ui ( uo,
iar R3 previne descrcarea distructiv a lui C peste intrarea lui A2,
la deconectarea surselor de alimentare. Pentru A1 este indicat
utilizarea unui A.O. cu corecie extern a caracteristicii de frecven
(ROB 101), n vederea asigurrii stabilitii la funcionare cu sarcin
capacitiv. A2 trebuie s fie un amplificator cu curent de intrare
redus (ROB 308). Circuitul poate funciona n regim de detectare a
valorilor de vrf negative dac se inverseaz conectarea diodelor D1 i
D2.
Fig. 14.55. Variant mbuntit a detectorului de vrf
14.6.3. CIRCUITE DE EANTIONARE I MEMORARE
Eantionarea i memorarea unui semnal analogic are loc n dou etape
distincte, crora le corespund dou intervale de timp succesive. n
perioada de eantionare Te, de obicei mai scurt, se transmite la
ieire semnalul de intrare nemodificat, iar n perioada de memorare
Tm, se menine la ieire valoarea avut de semnalul de intrare la
sfritul perioadei de eantionare anterioare.
Realizarea unui circuit de eantionare i memorare presupune
existena unui comutator i a unui element de memorare analogic.
n figura 14.56.a se prezint schema de principiu a unui circuit
de eantionare i memorare, iar n figura 14.56.b este ilustrat
funcionarea acestuia. Rolul comutatorului l are aici tranzistorul
cu efect de cmp cu jonciune T (TEC-J canal n). Acesta conecteaz n
perioada de eantionare semnalul de intrare eg la bornele
condensatorului C i prin intermediul repetorului de tensiune A, cu
rol de adaptor de rezisten, la sarcina Rs. n perioada de memorare
tranzistorul T este blocat, asigurnd ntreruperea circuitului de
ncrcare.
a
Fig. 14.56. Circuit de eantionare i memorare:
aschema; bvariaia tensiunilor Ui i Uo.
Tensiunea pe condensator, deci i pe rezistorul de sarcin, rmne
constant i egal cu valoarea de la sfritul perioadei de eantionare
precedente. Constanta de timp a circuitului de ncrcare este
determinat de rezistena R (care cuprinde i rezistena intern a
sursei eg) i de rezistena dren-surs a tranzistorului T n conducie
rON, Ti = (R + rON)C.
bPentru asigurarea unui rspuns ct mai prompt, constanta de timp
trebuie s fie cu att mai mic cu ct viteza de variaie a semnalului
de intrare este mai mare. Aceast cerin presupune o valoare redus a
rezistenei din circuitul de ncrcare al condensatorului. n acelai
timp reducerea rezistenei de intrare a circuitului poate solicita
nefavorabil sursa semnalului de intrare. Mai este de menionat c
rspunsul circuitului este influenat i de parametrii dinamici ai
A.O.
n perioada de memorare, n scopul micorrii vitezei de alterare a
tensiunii la bornele condensatorului C, este necesar minimizarea
curenilor care contribuie la descrcarea acestuia. n acest scop se
utilizeaz tranzistoare cu curent rezidual dren-surs ct mai redus,
condensatoare de calitate cu cureni de scurgere ct mai mici i un
A.O. cu un curent de polarizare redus. n mod obinuit se pot obine
uor viteze de alterare de ordinul a 1mV/s.
14.6.4. Amplificatoare logaritmice i exponeniale
Caracteristica exponenial a diodelor semiconductoare i
tranzistoarelor poate fi utilizat pentru obinerea unor
amplificatoare cu caracteristic de transfer logaritmic sau
exponenial. Avnd n vedere c relaia dintre curentul de colector i
tensiunea baz-emitor i pstreaz caracterul exponenial ntr-o gam mult
mai larg de variaie a curentului dect caracteristica
curent-tensiune a diodelor semiconductoare, amplificatoarele
logaritmice i exponeniale actuale se bazeaz pe exploatarea
caracterului exponenial al relaiei cunoscute:
unde UT reprezint tensiunea termic, iar ICS curentul rezidual al
tranzistorului.
Schema de principiu a amplificatorului logaritmic este artat n
figura 14.57.
Fig. 14.57. Schema de principiu a amplificatorului
logaritmic
Dac amplificatorul se consider ideal se poate scrie:
Relaia este afectat de erori care provin din modificarea cu
temperatura a mrimilor UT i Ics, iar domeniul de variaie al
tensiunii de ieire este restrns.
Schema de principiu a amplificatorului exponenial este artat n
figura 14.58.
Fig. 14.58. Schema de principiu a amplificatorului
exponenial
Amplificatorul exponenial se obine prin schimbarea configuraiei
A.O. logaritmic. Componenta cu caracteristic neliniar se conecteaz
la intrarea A.O.
unde ICS i VT variaz cu temperatura.
Cu acest circuit se pot realiza operaii de nmulire i mprire.
I0
R
2
1
1
T2
T1
+2
I
+EC
I0
+EC
IREF
EMBED Equation.3
R
T1
2
1
1
T2
+2
EMBED Equation.3
+EC
IREF
R
T1
R1
R2
T2
I0
T2
Uin
T1
UIES
R
T3
+EC
UIES
Uin
C2
C1
R2
R1
Uin
UPOL
T2
UIES
R1
C1
T1
+EC
Uin
UPOL
UIES
R1 sau G.C.C
T2
VZ1
T1
+EC
T3
T2
T1
R3
UIES
Uin
UBC
R1
R2
R4
+EC
Ui
Ui+
ieire
U0
V
V+
+
UI
IB2
IB1
+
tt
10%(UOM+UOM)
U0
(UOM+UOM)
10%
UOM
UOM+
t
U0
0
t
UI
0
saturaie
U0
UOM+
0
UIo(VDI)
saturaie
UOM
UI
a [dB]
a0
0
f (log)
fu
fs
3 dB
U0
+
UI
AO
Etaje de prepolarizare, deplasare a nivelului de c.c.
E.O.
A.I
E.I
+
Rin
R1
R2
R3
U0
I1
Ii=0
Ei
A
I2
Fig. 14.17
B
A
I3
R3
R1
I1
+
+
R
U0
R
Ei
A
+
R1
R0
R
U0
I0
R2
Rn
E1
E2
En
I1
I2
In
+
I1
R1
R3
I2
A
B
R2
R4
U0
C
D
E1
E2
Fig. 14.9
Fig. 14.8
Fig. 14.7
Fig. 14.6
EMBED PBrush
Fig. 14.5
Fig. 14.4
Fig.14.3
Fig.14.2
Fig. 14.1
UREF
+
+
N1
N2
+
N3
R4
E2
E1
U1
R1
R2
I7
I7
+15V
15V
U0
R3
RV1
R4`
U2
R5
R6
i2(t)
+
R
C
ei(t)
i1(t)
U0(t)
ei(t)
VI
0
UC0
U0(t)
t
t
(sat)
~
~
ei(t)
VI
0
U0(t)
0
t
t
+
ei(t)
R`
C
R
U0(t)
+
Cd
U0(t)
Ri
Ci
ei(t)
Rd
U0(t)
i2(t)
i1(t)
ei(t)
R
C
+
Fig. 14.27
R1
I0
I0
+
Ei
RS
Fig. 14.26
I0
I1
A
R1
Ei
+
U0
UIES
R3
I3
R1
I1
C1
R2
R4
I0
I0
+
Ei
R5
RS
R2
10K
+
R1
RS
Ei
V
I0
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
R1
+
Ei
+V
RS
I0
R2
10K
EMBED Equation.3
+
Ei
+V
RS
I0
I0
R1
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
+
R
R
iI
V0=iIR
iI
iI
+
R
R
iI
V0=VI
V0=iIR
VI
C2
5nF
R5
R4
5,1k
C1 10pF
UI
+
51K
R6
5,1k
R2 180
R1 180
R3
47
U0
VT1
(BD 136)
VT2
(BD 135)
RS(16)
V+(15V)
V(15V)
N1
Iext
U0
+
R4
A
Ei
R2
R3=R1||R2
R1
RV1
V+
V
3
4
5
6
9
10
11
RV1
10k
V
(NULL)
+
R4 100
R1`
E1
R1
R2
U0
+
RV6
25k
V+
V
E2
R3
R5
20k
A
R4
R5
U0
+
Ei
M 208
200k
R1
R2 100
RV1
50k
V+
V
R2
R1
RS
+
~
Ug
I0
Fig. 14.39
Reacie pozitiv
I0
Ug
~
+
RS
R1
R2
Ug
~
+
RS
1
14 13 12 11 10 9 8
V+ OUT NULL
NULL IN IN+ V
1 2 3 4 5 6 7
A 741
DIL 14
TO 116
TOP VIEW (vedere de sus)
NULL
IN
IN+
V
NULL
OUT
V+
1
2
3
4
5
6
7
8
TO99
A 741
V+ OUT NULL
NULL IN IN+ V
A 741 N
DIL 8
TO 116
8 7 6 5
1 2 3 4
U0 min
~V
U0 max
~V+
U0
UIN(t)
t
t
0
0
+
V+
V
U0(t)
U0max pt.
UIN(t)UREF0
A.O.
U0 max
U0 min
U0(t)
UIN(t)
t
t
0
0
Up
Up+
up=Up+Up
(UOH)
Up+
UIN(t)
(UOH)
U0 min
0
Up
U0 max
U0(t)
I1
R1
R2
U0(t)
+
V+
V
I2
UIN(t)
U0 min
U0(t)
UIN(t)
t
t
0
0
U0 max
Up
Up+
U0 min
Up
Up+
UIN(t)
0
Up
U0 max
U0(t)
UIN(t)
+
V+
V
U0(t)
R1
R2
EMBED Equation.3
VOH
VOL
Up
Up+
V0
t
R2`
R2
U0(t)
+
V+
UIN(t)
R1
VREF
Fig. 14.10
Fig. 14.11
Fig. 14.12
Fig. 14.13
Fig. 14.14
Fig. 14.15
Fig. 14.16
I2
Fig. 14.18
Fig. 14.19
Fig. 14.20
Fig. 14.21
Fig. 14.22.a
Fig. 14.22.b
Fig. 14.23.b
Fig. 14.24
Fig. 14.25
RS
Fig. 14.28
Fig. 14.29
Fig. 14.30
Fig. 14.31
Fig. 14.32
Fig. 14.33
Fig. 14.34
Fig. 14.35
Fig. 14.38
Fig. 14.36
Fig. 14.37
2
Fig. 14.40
Fig. 14.41
Fig. 14.42
Fig. 14.43
Fig. 14.44
Fig. 14.45
Fig. 14.46
Fig. 14.47
Fig. 14.48
Fig. 14.49
Fig. 14.50
EMBED Equation.3
EMBED PBrush
EMBED PBrush
EMBED PBrush
EMBED PBrush
EMBED PBrush
EMBED PBrush
EMBED Equation.3
EMBED PBrush
EMBED Equation.3
EMBED PBrush
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
R2
Ei
Fig. 14.23.a
_1046375313.unknown
_1047229263.unknown
_1046374413.unknown
_1046374757.unknown
_1046374354.unknown
_1045485578.unknown
_1045485669.unknown
_1001143785.unknown
_1001230035.unknown
_1001230427.unknown
_1001224943.unknown
_1001228389.unknown
_1001151654.unknown
_1001064638.unknown
_1001067928.unknown
_1001143723.unknown
_1001067930.unknown
_1000909966.unknown
_1000909629.unknown