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