Un amplificator reglează nivelul semnalului (tensiune, curent, putere etc.) într-un dispozitiv. Analog cu variabilele across, variabilele through și variabile de putere pot fi definite și pentru semnale neelectrice (de exemplu, mecanice). Nivele de semnal la diferite locații ale interfeței componentelor într-un sistem mecatronic trebuie ajustate adecvat pentru performanța satisfăcătoare a acestor componente și a sistemului general. De exemplu, intrarea la un actuator ar trebui să posede o putere adecvată pentru a-l acționa. Un semnal trebuie să-și mențină nivelul peste un prag în timpul transmisiei, astfel încât erorile datorate slăbirii semnalului să nu fie excesive. Semnalele aplicate dispozitivelor digitale trebuie să rămână în limitele logice specificate. Multe tipuri de senzori produc semnale slabe care trebuie actualizate înainte de a putea fi introduse într-un sistem de monitorizare, procesor de date, controller sau înregistrator de date.

Un amplificator este un dispozitiv activ care are nevoie de o sursă de alimentare externă pentru a funcționa. Chiar dacă diverse circuite active, în special, amplificatoare, sunt comun produse în forma monolitică, folosind un strat de circuit integrat original (IC), astfel încât să îndeplinească o anumită sarcină de amplificare, este convenabil să studiați performanțele lor folosind modele de circuit discret. De fapt, amplificatoarele de mare putere pot fi construite folosind componente discrete (tranzistoare, rezistoare etc.), mai degrabă decât IC.

Un op-amp, care este disponibil ca un pachet IC monolitic, este blocul de bază al unui amplificator. Din acest motiv, discuția noastră despre amplificatoare va evolua din op-amp.

FIGURA 4.6 Raportul normalizat accelerație-viteză

4.3.1 Amplificator operațional

Un op-amp și-a primit numele datorită faptului că inițial a fost folosit aproape exclusiv pentru a efectua operații matematice; de exemplu, în computere analogice. În anii 1950, a fost dezvoltat op-amp-ul tranzistorizat, care a folosit elemente discrete, cum ar fi tranzistoare cu joncțiune bipolare și rezistoare. Dar, avea o dimensiune prea mare, consuma prea multă putere și era prea scump pentru utilizarea pe scară largă în aplicațiile generale. Această situație s-a schimbat la sfârșitul anilor '60, când op-amp-ul IC a fost dezvoltat sub forma monolitică, sub forma unui cip IC singur. Astăzi, op-amp-ul IC, care constă dintr-un număr mare de elemente de circuit pe un substrat de cristal de siliciu tipic (forma monolitică), este un component valoros în aproape orice dispozitiv de modificare a semnalului.

Un op-amp ar putea fi fabricat sub formă de element discret folosind, să zicem, 10 tranzistoare bipolare cu joncțiune și tot atâtea rezistoare discrete sau alternativ (și de preferință) în forma monolitică modernă ca un cip IC care poate fi echivalent cu peste 100 de elemente discrete. În orice formă, dispozitivul are o impedanță de intrare Zi, o impedanță de ieșire Zo și un câștig K. Prin urmare, un model schematic pentru un op-amp poate fi dat ca în figura 4.7a. Carcasele op-amp sunt disponibile sub mai multe forme. Carcasa DIP (Dual In-line Package) sau V cu 8 pini este foarte comună, așa cum se arată în figura 4.7b. Alocarea pinilor (configurația pinilor sau pin-out) este așa cum se arată în figură, care ar trebui să fie comparată cu figura 4.7a. Rețineți secvența de numerotare în sens invers acelor de ceasornic, începând cu pinul din stânga sus, lângă crestătura semicirculară (sau punct). Această convenție de numerotare este standard pentru orice tip de carcasă IC, nu doar pentru carcase op-amp. Alte carcase includ cutie metalică cu 8 pini, sau carcasa T, care are o formă circulară în loc de forma dreptunghiulară a carcasei precedente și carcasa „quad” dreptunghiulară cu 14 pini, care conține patru op-amp (cu un număr de opt pini de intrare, patru pini de ieșire și doi pini de alimentare). Simbolul convențional al unui op-amp este prezentat în figura 4.7c. De obicei, există cinci terminale (pini sau conexiuni) la un op-amp. În mod specific, există două conductoare de intrare (unul pozitiv, sau neinversor, cu tensiune vip și unul negativ, sau inversor, cu tensiune vin), un conductor de ieșire (tensiune vo) și două conductoare de alimentare bipolare (+vs, vCC sau alimentarea colectorului și -vs, vEE sau alimentarea emitorului). Tensiunea tipică de alimentare este de ±15 V. Este posibil ca unii dintre pini să nu fie conectați în mod normal; de exemplu, pinii 1, 5 și 8 din figura 4.7b.

FIGURA 4.7 Amplificator operațional. (a) Un model schematic. (b) DIP cu opt pini. (c) Simbolul circuitului convențional.

Rețineți din figura 4.7a că în condiții de buclă deschisă (fără feedback),

în care tensiunea de intrare vi este tensiunea diferențială de intrare definită ca diferența algebrică între tensiunile la conductoarele pozitiv și negativ; prin urmare

Câștigul de tensiune K cu buclă deschisă este foarte mare (10⁴-10⁷) pentru un amplificator tipic op-amp. În plus, impedanța de intrare Zi ar putea fi mai mare de 10 MΩ (tipic este de 2 MΩ), iar impedanța de ieșire este scăzută, de ordinul a 10 Ω și poate ajunge la aproximativ 100 Ω pentru unele op-amp. Deoarece vo este de obicei 1-15 V, din Ecuația 4.7, rezultă că vi ≅ 0 deoarece K este foarte mare. Prin urmare, din Ecuația 4.8 avem vip ≅ vin. Cu alte cuvinte, tensiunile la cele două conductoare de intrare sunt aproape egale. Acum, dacă aplicăm un diferențial mare de tensiune vi (să spunem, 10 V) la intrare, atunci conform ecuației 4.7, tensiunea de ieșire ar trebui să fie extrem de mare. Acest lucru nu se întâmplă niciodată în practică, deoarece dispozitivul se saturează rapid dincolo de tensiunile de ieșire moderate (de ordinul a 15 V).

Din ecuațiile 4.7 și 4.8, este clar că dacă conductorul de intrare negativ este împământat (adică vin = 0) atunci

și dacă conductorul de intrare pozitiv este împământat (adică, vip = 0), atunci

Acesta este motivul pentru care vip se numește intrare neinversoare și vin se numește intrare inversoare.

Exemplul 4.4

Luați în considerare un op-amp care are un câștig în buclă deschisă de 1 × 10⁵. Dacă tensiunea de saturație este 15 V, determinați tensiunea de ieșire în următoarele cazuri:

(a) 5 μV la conductorul pozitiv și 2 μV la conductorul negativ

(b) −5 μV la conductorul pozitiv și 2 μV la conductorul negativ

(c) 5 μV la conductorul pozitiv și −2 μV la conductorul negativ

(d) −5 μV la conductorul pozitiv și −2 μV la conductorul negativ

(e) 1 V la conductorul pozitiv și conductorul negativ este împământat

(f) 1 V la conductorul negativ și conductorul pozitiv este împământat

Soluţie

Această problemă poate fi rezolvată folosind ecuațiile 4.7 și 4.8. Rezultatele sunt prezentate în tabelul 4.1. Rețineți că, în ultimele două cazuri, ieșirea se va satura și Ecuația 4.7 nu se va mai păstra.

Tranzistoarele cu efect de câmp (FET), de exemplu, tranzistoarele cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor (MOSFET), sunt utilizate în mod obișnuit în forma IC a unui op-amp (vezi Capitolul 2). Tipul MOSFET are avantaje față de multe alte tipuri; de exemplu, o impedanță mai mare de intrare și o ieșire mai stabilă (aproape egală cu tensiunea de alimentare) la saturație, ceea ce face ca op-amp MOSFET să fie preferat unui op-amp cu tranzistoare bipolare cu joncțiune în multe aplicații.

În analiza circuitelor op-amp în condiții nesaturate, folosim următoarele două caracteristici ale unui op-amp:

1. Tensiunile celor două conductoare de intrare trebuie să fie (aproape) egale.

2. Curenții prin fiecare dintre cele două conductoare de intrare ar trebui să fie (aproape) zero.

TABELUL 4.1 Soluția la Exemplul 4.4

Așa cum am explicat anterior, prima proprietate este creditată la câștig ridicat în buclă deschisă și a doua proprietate la impedanță mare de intrare într-un op-amp.

4.3.1.1 Utilizarea feedback-ului în op-amp

Un op-amp este un dispozitiv foarte versatil, în principal datorită impedanței sale de intrare foarte ridicate, impedanței scăzute de ieșire și câștigului foarte mare. Dar nu poate fi folosit fără modificări ca amplificator, deoarece nu este foarte stabil în forma arătată în figura 4.7. Cei doi factori principali care contribuie la această problemă sunt răspunsul în frecvență și deriva (drift). Afirmată într-un alt mod, câștigul K al op-amp nu rămâne constant; poate varia cu frecvența semnalului de intrare (adică funcția de răspuns în frecvență nu este plată în gama de operare); și poate varia și cu timpul (adică drift). Problema răspunsului în frecvență apare datorită dinamicii circuitului unui op-amp. Această problemă nu este de obicei severă decât dacă dispozitivul este acționat la frecvențe foarte mari. Problema derivei apare datorită sensibilității câștigului K la factorii de mediu, cum ar fi temperatura, lumina, umiditate, vibrații și, de asemenea, ca urmare a variației K datorită îmbătrânirii. Deriva într-un op-amp poate fi semnificativă și trebuie luate măsuri pentru a elimina această problemă.

Este practic imposibil să se evite deriva în câștig și eroarea de răspuns în frecvență la un op-amp. Dar s-a găsit o modalitate ingenioasă de a elimina efectul acestor două probleme la ieșirea amplificatorului. Deoarece câștigul K este foarte mare, folosind feedback putem practic să-i eliminăm efectul la ieșirea amplificatorului. Această formă de buclă închisă a unui op-amp are avantajul că precizia de ieșire și caracteristicile circuitului general depind de componentele pasive (de exemplu, rezistoare și condensatoare) din acesta, care pot fi furnizate la o precizie ridicată și nu de parametrii op-amp în sine. Forma cu buclă închisă este preferată în aproape fiecare aplicație; în particular, repetorul de tensiune și amplificatorul de sarcină sunt dispozitive care utilizează proprietățile de Zi mare, Zo mic, și K ridicat ale unui op-amp, împreună cu feedback-ul printr-un rezistor de înaltă precizie, pentru a elimina erorile datorate neconstanței lui K. În rezumat, op-amp nu este foarte util în forma sa cu buclă deschisă, în special deoarece câștigul K nu este constant. Dar, deoarece K este foarte mare, problema poate fi înlăturată folosind feedback. Această formă cu buclă închisă este folosită în mod obișnuit în aplicațiile practice ale unui op-amp.

Pe lângă natura nestaționară a câștigului, există și alte surse de eroare care contribuie la performanța mai puțin decât ideală a unui circuit op-amp. Surse notabile de eroare sunt următoarele:

1. Curentul de offset este prezent la conductoarele de intrare datorită curenților de polarizare care sunt necesari pentru a acționa circuitele solid-state.

2. Tensiunea de offset care poate fi prezentă la ieșire chiar și atunci când conductoarele de intrare sunt deschise.

3. Câștigurile inegale corespunzătoare celor două conductoare de intrare (adică câștigul inversor nu este egal cu câștigul neinversor).

Astfel de probleme pot produce un comportament neliniar în circuitele op-amp și pot fi reduse prin proiectarea corectă a circuitului și prin utilizarea elementelor de circuit compensator.

4.3.2 Amplificatoare de tensiune și curent

Dacă un amplificator electronic îndeplinește o funcție de amplificare a tensiunii, acesta este numit amplificator de tensiune. Amplificatoarele de tensiune sunt utilizate pentru a obține compatibilitatea tensiunii (sau schimbarea nivelului) în circuite. Amplificatoarele de curent sunt utilizate pentru a obține compatibilitatea curentului în circuitele electronice. Un repetor de tensiune are un câștig unitate de tensiune și, prin urmare, poate fi considerat ca un amplificator de curent. În plus, asigură compatibilitatea impedanței și acționează ca un buffer (tampon) între un dispozitiv de ieșire (impedanță mare) cu curent mic (sursă de semnal sau dispozitiv care furnizează semnal) și un dispozitiv de intrare (cu impedanță mică) cu curent mare (receptor de semnal sau dispozitiv care primește semnal) care sunt interconectate. Prin urmare, uneori este folosit numele de amplificator buffer sau transformator de impedanță pentru un amplificator de curent cu câștig unitate de tensiune. Dacă obiectivul amplificării semnalului este actualizarea nivelului de putere asociat, atunci în acest scop ar trebui utilizat un amplificator de putere. Aceste trei tipuri de amplificare pot fi obținute simultan de la același amplificator. Mai mult, un amplificator de curent cu câștig unitate de tensiune (de exemplu, un repetor de tensiune) este, de asemenea, un amplificator de putere. De obicei, amplificatoarele de tensiune și amplificatoarele de curent sunt utilizate în primele etaje ale unei căi de semnal (de exemplu, detectarea, achiziția de date și generarea semnalului) unde nivelele de semnal și nivelele de putere sunt relativ scăzute, în timp ce amplificatoarele de putere sunt utilizate de obicei în etajele finale (de exemplu, control final, acționare, înregistrare, afișare) unde sunt, de obicei, necesare nivele ridicate de semnal și putere.

Figura 4.8a oferă un circuit op-amp pentru un amplificator de tensiune. Rezistorul de feedback Rf servește în scopul stabilizării op-amp și asigură un câștig exact de tensiune. Conductorul negativ este împământat printr-un rezistor R, cunoscut cu exactitate. Pentru a determina câștigul de tensiune, amintiți-vă că tensiunile la cele două conductoare de intrare ale unui op-amp trebuie să fie egale (în cazul ideal). Tensiunea de intrare vi se aplică pe conductorul pozitiv al op-amp. Atunci, tensiunea din punctul A ar trebui să fie egală cu vi. În continuare, reamintiți-vă că curentul prin conductorul de intrare al unui op-amp este, ideal, zero. Prin urmare, scriind ecuația de echilibru în curent pentru punctul de nod A, avem (vo - vi)/Rf = vi/R. Aceasta oferă următoarea ecuație de amplificare:

Aici, câștigul de tensiune este dat de Kv = 1 + (Rf/R).

FIGURA 4.8 (a) Un amplificator de tensiune. (b) Un amplificator de curent.

Notă: Câștigul de tensiune poate fi determinat cu acuratețe selectând „raportul” celor două elemente rezistoare pasive R și Rf. Totuși, valoarea fiecărui rezistor este, de asemenea, importantă. De exemplu, curentul de scurtcircuit la ieșire al unui amplificator este, de obicei, în gama mA și, prin urmare, Rf poate fi necesar să fie în gama kΩ, mai degrabă decât în gama Ω. De asemenea, rețineți din Ecuația 4.11 că tensiunea de ieșire are același semn ca tensiunea de intrare.

Prin urmare, acesta este un amplificator neinversor. Dacă tensiunile sunt cu semn opus, avem un amplificator inversor.

În figura 4.8b este prezentat un amplificator de curent. Curentul de intrare ii este aplicat pe conductorul negativ al op-amp, așa cum este arătat, iar conductorul pozitiv este pus la masă. Există un rezistor de feedback Rf care este conectat la conductorul negativ prin sarcina RL. Rezistorul Rf oferă o cale pentru curentul de intrare, deoarece op-amp ia, în practică, curent zero. Există un al doilea rezistor R prin care ieșirea este pusă la masă. Acesta este necesar pentru amplificarea curentului. Pentru a analiza amplificatorul, utilizați faptul că tensiunea din punctul A (adică la conductorul negativ) ar trebui să fie zero, deoarece conductorulul pozitiv al amplificatorului este pus la masă (tensiune zero). Mai mult, întregul curent de intrare ii trece prin rezistorul Rf așa cum este arătat. Prin urmare, tensiunea în punctul B este Rf ii. În consecință, curentul prin rezistorul R este Rf ii/R, care este pozitivă în direcția arătată. Rezultă curentul de ieșire io dat de io = ii + (Rf/R)ii, care este scris ca

Câștigul de curent al amplificatorului este Ki = 1+(Rf/R). Ca și până acum, câștigul amplificatorului poate fi setat exact folosind raportul rezistoarelor de înaltă precizie R și Rf.

4.3.3 Amplificatoare de instrumentație

Un amplificator de instrumentație este de obicei un amplificator de tensiune cu scop special dedicat aplicațiilor de instrumentație. Exemplele includ amplificatoare utilizate pentru producerea ieșirii dintr-un circuit în punte (amplificator de punte) și amplificatoare utilizate cu diverși senzori și traductoare. O caracteristică importantă a unui amplificator de instrumentație este capacitatea de câștig -reglabil. Valoarea câștigului poate fi ajustată manual în majoritatea amplificatoarelor de instrumentație. În amplificatoarele de instrumentație mai sofisticate, câștigul este programabil și poate fi setat prin intermediul logicii digitale. Amplificatoarele de instrumentație sunt utilizate în mod normal cu semnale de joasă tensiune.

4.3.3.1 Amplificatorul diferențial

De obicei, un amplificator de instrumentație este și un amplificator diferențial (uneori denumit amplificator de diferență). Într-un amplificator diferențial, ambele conductoare de intrare sunt utilizate pentru intrarea semnalului; în timp ce într-un amplificator single-ended, unul dintre conductoare este împământat și un singur conductor este utilizat pentru intrarea semnalului. Zgomotul buclei-de-masă poate fi o problemă gravă în amplificatoarele cu un singur capăt. Zgomotul buclei-de-masă poate fi eliminat efectiv folosind un amplificator diferențial, deoarece buclele de zgomot sunt formate cu ambele intrări ale amplificatorului și, prin urmare, aceste semnale de zgomot se scad la ieșirea amplificatorului. Deoarece nivelul de zgomot este aproape același pentru ambele intrări, acesta este anulat. Orice alt zgomot (de exemplu, zgomot de linie de 50 Hz) care ar putea intra în ambele intrări cu aceeași intensitate va fi, de asemenea, anulat la ieșirea unui amplificator diferențial.

În figura 4.9a este prezentat un amplificator diferențial de bază care utilizează un singur op-amp. Ecuația de intrare-ieșire pentru acest amplificator poate fi obținută în mod obișnuit. De exemplu, deoarece curentul printr-un op-amp este neglijabil, balanța de curent în punctul B dă (vi2 - vB)/R = vB/Rf unde vB este tensiunea la B. În mod similar, balanța de curent în punctul A dă (vo - vA)/Rf = (vA - vi1)/R. Acum folosim proprietatea vA = vB pentru un op-amp pentru a elimina vA și vB din primele două ecuații. Asta dă

Două lucruri sunt clare din Ecuația 4.13. În primul rând, ieșirea amplificatorului este proporțională cu „diferența” și nu cu valoarea absolută a celor două intrări vi1 și vi2. În al doilea rând, câștigul de tensiune al amplificatorului este Rf/R. Acesta este cunoscut sub numele de câștig diferențial. Este clar de ce câștigul diferențial poate fi stabilit exact, folosind rezistoare de înaltă precizie R și Rf.

Amplificatorul diferențial de bază, prezentat în figura 4.9a și discutat mai sus, este o componentă importantă a unui amplificator de instrumentație. Un amplificator de instrumentație ar trebui să aibă și capacitatea de câștig reglabil. În plus, este de dorit să aibă o impedanță de intrare foarte mare și o impedanță de ieșire foarte mică la fiecare conductor de intrare. De asemenea, este de dorit ca un amplificator de instrumentație să posede un câștig mare și mai stabil. Un amplificator de instrumentație care are aceste cerințe de bază poate fi construit folosind două etaje de amplificare, așa cum se arată în figura 4.9b. Câștigul amplificatorului poate fi reglat folosind rezistorul R2 cu reglaj-fin. Cerințele de impedanță sunt furnizate de două amplificatoare de tip repetor de tensiune, unul pentru fiecare intrare, după cum se arată. Rezistența variabilă δR4 este necesară pentru a compensa erorile datorate câștigului inegal de mod-comun. Să luăm mai întâi în considerare acest aspect și apoi să obținem o ecuație pentru amplificatorul de instrumentație.

FIGURA 4.9 (a) Un amplificator diferențial de bază. (b) Un amplificator de instrumentație

4.3.3.2 Modul-comun

Tensiunea care este „comună” ambelor conductoare de intrare ale unui amplificator diferențial este cunoscută sub denumirea de tensiune de mod-comun. Aceasta este egală cu cea mai mică dintre cele două tensiuni de intrare. Dacă cele două intrări sunt egale, atunci tensiunea de mod- comun este, evident, egală cu fiecare dintre cele două intrări. Când vi1 = vi2, în mod ideal, tensiunea de ieșire vo ar trebui să fie zero. Cu alte cuvinte, în mod ideal, orice semnal de mod-comun este rejectat de un amplificator diferențial. Dar, întrucât op-amp comerciale nu sunt ideale și, de obicei, nu au câștiguri exact identice în raport cu cele două conductoare de intrare, tensiunea de ieșire vo nu va fi zero când cele două intrări sunt identice. Această eroare de mod-comun poate fi compensată prin furnizarea unui rezistor variabil, cu rezoluție fină, la unul dintre cele două conductoare de intrare ale amplificatorului diferențial. Prin urmare, în figura 4.9b, pentru a compensa eroarea de mod-comun (adică pentru a realiza un nivel satisfăcător al rejectării modului-comun), mai întâi cele două intrări sunt făcute egale și apoi δR4 este variat cu atenție până când nivelul tensiunii de ieșire este suficient de mic (minim). De obicei, δR4, necesar pentru a obține această compensare, este mic în comparație cu rezistența nominală de feedback R4. Deoarece, în ​​mod ideal δR4 = 0, putem neglija δR4 în obținerea ecuației amplificatorului de instrumentație. Rețineți din proprietatea de bază a unui op-amp fără saturație (specific, tensiunile la cele două conductoare de intrare trebuie să fie aproape identice) din figura 4.9b, tensiunea la punctul 2 ar trebui să fie vi2, iar tensiunea la punctul 1 ar trebui să fie vi1. Apoi, folosim proprietatea că prin fiecare conductor de intrare al unui op-amp curentul este neglijabil. În consecință, curentul pe calea de circuit B→2→1→A trebuie să fie același. Acest lucru dă ecuațiile de continuitate ale curentului (vB - vi2)/R1 = (vi2 - vi1)/R2 = (vi1 - vA)/R1 în care vA și vB sunt tensiuni la punctele A și respectiv B. Prin urmare, obținem următoarele două ecuații:

Acum, scăzând a doua ecuație din prima, avem ecuația pentru primul etaj al amplificatorului; prin urmare,

În continuare, din rezultatul anterior pentru un amplificator diferențial (vezi Ecuația 4.13), avem (cu δR4 = 0)

Din ecuațiile 4.14 și 4.15, obținem ecuația generală

Rețineți că numai rezistorul R2 este variat pentru a regla câștigul (câștig diferențial) al amplificatorului. În figura 4.9b, cele două op-amp-uri de intrare (op-amp-uri de urmărire a tensiunii) nu trebuie să fie exact identice atât timp cât rezistoarele R1 și R2 sunt alese pentru a fi exacte. Acest lucru se datorează faptului că parametrii op-amp, cum ar fi câștigul în buclă deschisă și impedanța de intrare, nu intră în ecuațiile amplificatorului, cu condiția ca valorile lor să fie suficient de mari, așa cum s-a menționat anterior.

4.3.4 Evaluări ale performanței amplificatorului

Principalii factori care afectează performanța unui amplificator sunt stabilitatea, viteza de răspuns (lățimea de bandă și viteza de creștere-slew rate) și semnalele nemodelate. Am discutat deja despre semnificația unora dintre acești factori.

Nivelul de stabilitate al unui amplificator, în sens convențional, este guvernat de dinamica circuitelor amplificatorului și poate fi reprezentat de o constantă de timp. Dar o considerație mai importantă pentru un amplificator este „variația parametrilor” datorită îmbătrânirii, temperaturii și altor factori de mediu. Variația parametrilor este, de asemenea, clasificată ca o problemă de stabilitate, în contextul dispozitivelor, cum ar fi amplificatoare, deoarece se referă la stabilitatea răspunsului atunci când intrarea este menținută constantă. O importanță deosebită este deriva de temperatură (drift). Aceasta poate fi specificată ca o derivă în semnalul de ieșire pe variație unitate de temperatură (de exemplu, μV/°C).

Viteza de răspuns a unui amplificator dictează capacitatea amplificatorului de a răspunde fidel la intrările tranzitorii. Parametrii convenționali din domeniu-timp, cum ar fi timpul de creștere, pot fi folosiți pentru a reprezenta acest lucru. Alternativ, în domeniul-frecvență, viteza de răspuns poate fi reprezentată de un parametru: lățime de bandă. De exemplu, intervalul de frecvență peste care funcția de răspuns în frecvență este considerată constantă (plată) poate fi luată ca o măsură a lățimii de bandă. Deoarece există o anumită neliniaritate în orice amplificator, lățimea de bandă poate depinde de nivelul semnalului în sine. Mai exact, lățimea de bandă de semnal mic se referă la lățimea de bandă care este determinată folosind amplitudini mici ale semnalului de intrare.

Altă măsură a vitezei de răspuns este slew rate, care este definită ca cea mai mare viteză posibilă de variație a ieșirii amplificatorului pentru o anumită frecvență de operare. Deoarece pentru o anumită amplitudine de intrare, amplitudinea de ieșire depinde de câștigul amplificatorului, slew rate este, de obicei, definită pentru câștigul unitate.

În mod ideal, pentru un dispozitiv liniar, funcția de răspuns în frecvență (funcția de transfer) nu depinde de amplitudinea de ieșire (adică de produsul câștigului DC și amplitudinii de intrare).

Dar pentru un dispozitiv care are o viteză de variație (slew rate) limitată, lățimea de bandă (sau frecvența maximă de operare la care pot fi neglijate distorsiunile de ieșire) va depinde de amplitudinea de ieșire. Cu cât este mai mare amplitudinea de ieșire, cu atât este mai mică lățimea de bandă pentru o limită a vitezei de variație dată. Un parametru pentru lățimea de bandă care este, de obicei, specificat pentru un op-amp comercial este produsul câștig-lățime de bandă (GBP). Acesta este produsul câștigului în buclă deschisă și lățimea de bandă a op-amp. De ex., pentru un op-amp cu GBP = 15 MHz și un câștig de buclă deschisă de 100 dB (adică 10⁵), lățimea de bandă = 15×10⁶/10⁵ Hz = 150 Hz. În mod clar, această valoare a lățimii de bandă este destul de scăzută. Deoarece câștigul unui op-amp cu feedback este semnificativ mai mic de 100 dB, lățimea sa de bandă efectivă este mult mai mare decât cea a unui op-amp cu buclă deschisă.

Problemele de stabilitate și erorile de răspuns în frecvență sunt predominante în forma cu buclă deschisă a unui op-amp. Aceste probleme pot fi eliminate folosind feedback-ul, deoarece efectul funcției de transfer cu buclă deschisă asupra funcției de transfer cu buclă închisă este neglijabil dacă câștigul buclei deschise este foarte mare, ceea ce este cazul unui op-amp.

Semnalele nemodelate pot fi o sursă majoră de eroare a amplificatorului, iar aceste semnale includ următoarele:

1. Curenți de polarizare
2. Semnale offset
3. Tensiune de ieșire în mod-comun
4. Zgomot intern

În analizarea op-amp-urilor, presupunem că, prin conductoarele de intrare, curentul este zero. Acest lucru nu este strict adevărat, deoarece curenții de polarizare pentru tranzistoarele din circuitul amplificatorului trebuie să circule prin aceste conductoare. Drept urmare, semnalul de ieșire al amplificatorului se va abate ușor de la valoarea ideală.

O altă presupunere pe care o facem în analizarea op-amp-urilor este că tensiunea este egală la cei doi conductori de intrare. În practică, însă, curenții și tensiunile de offset sunt prezente la conductoarele de intrare, datorită discrepanțelor minime inerente circuitelor interne din cadrul unui op-amp.

4.3.4.1 Raportul de rejectare a modului-comun

O eroare de mod-comun într-un amplificator diferențial a fost discutată mai devreme. Reținem că, în mod ideal, tensiunea de intrare de mod-comun (tensiunea comună la ambele conductoare de intrare) nu ar trebui să aibă efect asupra tensiunii de ieșire a unui amplificator diferențial. Dar, întrucât orice amplificator practic are anumite dezechilibre în circuitul intern (de exemplu, câștigul pentru un conductor de intrare nu este egal cu câștigul în raport cu celălalt conductor de intrare și, în plus, sunt necesare semnale de polarizare pentru funcționarea circuitelor interne), la ieșire va exista o tensiune de eroare, care depinde de intrarea în mod-comun. Raportul de rejectare a modului-comun (CMRR) al unui amplificator diferențial este definit ca fiind

în care

K este câștigul amplificatorului diferențial (adică câștig diferențial)
vcm este tensiunea în mod-comun (adică, tensiunea comună la ambele conductoare de intrare)
vocm este tensiunea de ieșire în mod-comun (adică, tensiunea de ieșire datorată tensiunii de intrare în mod-comun)

vocm ideal= 0 și CMRR ar trebui să fie infinit. Rezultă că cu cât este mai mare CMRR, cu atât este mai bună performanța amplificatorului diferențial.

Cele trei tipuri de semnale nemodelate menționate mai sus pot fi considerate ca zgomot. În plus, există și alte tipuri de semnale de zgomot care degradează performanțele unui amplificator. De exemplu, zgomotul buclei-de-masă poate introduce semnal de ieșire. În plus, capacitățile parazite și alte tipuri de efecte de circuit nemodelate pot genera zgomot intern. De obicei, în analiza unui amplificator, semnalele nemodelate (inclusiv zgomotul) pot fi reprezentate ca o sursă de tensiune de zgomot la unul dintre cablurile de intrare. Efectele semnalelor nemodelate pot fi reduse folosind circuite de compensare conectate adecvat, incluzând rezistoare variabile care pot fi reglate pentru a elimina efectul semnalelor nemodelate la ieșirea amplificatorului (de exemplu, a se vedea δR4 din figura 4.9b). Câteva informații utile despre op-amp sunt rezumate în BOX 4.1.

BOX 4.1 AMPLIFICATOARE OPERAȚIONALE

4.3.4.2 Amplificatoare cuplate în curent alternativ

Componenta DC a unui semnal poate fi blocată prin conectarea semnalului printr-un condensator (Notă: impedanța unui condensator este 1/(jωC) și, prin urmare, la frecvența zero, impedanța va fi infinită). Dacă conductorul de intrare al unui dispozitiv are un condensator în serie, spunem că intrarea este cuplată-AC și dacă conductorul de ieșire are un condensator în serie, atunci ieșirea este cuplată-AC. În mod obișnuit, un amplificator cuplat în curent alternativ are un condensator în serie, atât la conductorul de intrare, cât și la cel de ieșire. Prin urmare, funcția sa de răspuns în frecvență va avea o caracteristică trece-sus; în particular, componentele DC vor fi eliminate prin filtrare. Erorile datorate curenților de polarizare și semnalelor de offset sunt neglijabile pentru un amplificator cuplat-AC. În plus, într-un amplificator cuplat-AC, problemele de stabilitate nu sunt foarte serioase.

4.3.5 Zgomotul buclelor de masă

În instrumentele care gestionează semnale de nivel scăzut (de exemplu, senzori precum accelerometre, circuite de condiționare a semnalului, cum ar fi punți cu mărci tensometrice, și componente electronice sofisticate și delicate, cum ar fi unitățile de disc ale computerului și modulele de control auto), zgomotul electric poate provoca erori excesive cu excepția cazului în care sunt luate măsurile corective adecvate. O formă de zgomot este cauzată de câmpurile magnetice fluctuante datorate liniilor de curent alternativ sau utilajelor electrice din apropiere. Aceasta este cunoscută, în mod obișnuit, sub numele de interferențe electromagnetice (EMI). Această problemă poate fi evitată prin eliminarea sursei EMI, astfel încât câmpurile magnetice și curenții externi fluctuați să nu fie prezenți în apropierea instrumentului afectat. O altă soluție ar fi utilizarea transmisiei de semnal cu fibră optică (cuplată optic), astfel încât să nu existe nicio conducție de zgomot împreună cu semnalul transmis de la sursă la instrumentul subiect. În cazul transmisiei cablate, dacă cele două conductoare de semnal (pozitiv și negativ sau cald și neutru) sunt răsucite sau dacă sunt utilizate cabluri ecranate, tensiunile de zgomot induse devin egale în cele două conductoare, care se anulează reciproc.

Practicile adecvate de împământare sunt importante pentru atenuarea problemelor de zgomot electric inutil și, mai important, pentru a evita pericolele de siguranță electrică. O priză AC standard monofazată (120 V, 50 Hz) are trei terminale: una de putere (caldă), a doua fiind neutră și a treia conectată la pământ (care este menținută la un potențial zero destul de uniform de la un punct la altul) în rețeaua de energie electrică. În mod corespunzător, fișa de alimentare a unui instrument ar trebui să aibă trei pini. Pinul plat mai scurt este conectat la un fir negru (cald), iar cel mai lung pin este conectat la un fir alb (neutru). Pinul rotund este conectat la un fir verde (masa), care la celălalt capăt este conectat la șasiul (sau carcasa) instrumentului (masa șasiului). Având în vedere împământarea șasiului în acest mod, carcasa instrumentului este menținută la un potențial zero chiar și în prezența unui defect în circuitul de alimentare (de exemplu, o scurgere sau un scurtcircuit). Circuitul de putere al unui instrument are, de asemenea, o masă locală (masă de semnal), cu referire la care este măsurat semnalul său de putere. Acesta este un conductor suficient de gros în instrument și oferă o referință comună și uniformă de 0 V. Considerați exemplul de condiționare a semnalului senzorului prezentat în figura 4.10. Alimentarea cu curent continuu poate furniza ieșiri pozitive (+) și negative (-). Referința sa de tensiune zero este notată prin masa comun (COM) și este COM (masă de semnal) a dispozitivului. Trebuie remarcat faptul că COM-ul alimentării cu curent continuu nu este conectat la masa șasiului, acesta din urmă fiind conectat la pământ prin pinul rotund al mufei de alimentare. Acest lucru este necesar pentru a evita pericolul de electrocutare. Rețineți COM-ul sursei de alimentare care este conectat la masa de semnal a modulului de condiționare a semnalului. În acest mod, o referință 0 V comună este oferită pentru tensiunea DC care este furnizată modulului de condiționare a semnalului.

FIGURA 4.10 Împământarea unui instrument - exemplu

O cauză principală a zgomotului electric este bucla de masă, care este creată din cauza împământării necorespunzătoare a instrumentelor. Dacă două instrumente interconectate sunt împământate la două locații separate care sunt departe (împământare multiplă), zgomotul buclelor de masă poate intra în cablurile de semnal din cauza diferenței posibile de potențial între cele două puncte de împământare. Motivul este că terenul în sine nu este, în general, un mediu cu potențial uniform și o impedanță nenulă (și finită) poate exista din punct în punct în acest mediu. Acesta este, de fapt, cazul unui mediu de sol tipic, cum ar fi un fir de masă comun. Un exemplu este prezentat schematic în figura 4.11a. În acest exemplu, cele două conductoare ale unui senzor sunt direct conectate la un dispozitiv de condiționare a semnalului, cum ar fi un amplificator, unul dintre cconductoarele sale de intrare (+) fiind împământat (la punctul B). Conductorul de referință 0 V al senzorului este împământat prin carcasa sa la masa de pământ (la punctul A). Din cauza potențialelor de masă neuniforme, cele două puncte de masă A și B sunt supuse unei diferențe de potențial vg. Acest lucru va crea o buclă de masă cu ​​conductorul de referință comun, care interconectează cele două dispozitive. Soluția la această problemă este izolarea (adică, să ofere o impedanță infinită) oricăruia dintre cele două dispozitive. Figura 4.11b arată izolarea internă a senzorului. Izolarea externă, prin izolarea carcasei senzorului, va elimina și bucla de masă. Plutirea COM a unei surse de alimentare (a se vedea figura 4.10) este o altă abordare a eliminării buclelor de masă. Mai exact, COM-ul nu este conectat la masa de pământ.

FIGURA 4.11 (a) Ilustrația unei bucle de masă.
(b) Izolarea dispozitivului pentru a elimina buclele de masă
(un exemplu de izolare internă)

4.4 Filtre