7. Construirea unui amplificator operaţional

Acasă » Aplicaţii practice » 05 - Circuite cu dispozitive semiconductoare discrete (2)

Scopul experimentului

Realizarea unui amplificator operaţional folosind circuite oglindă de curent; efectul reacţiei negative asupra coeficientului de amplificare al amplificatorului diferenţial.

Materiale necesare

Două baterii de 6 V; patru tranzistori NPN, model 2N2222 sau 2N3403; doi tranzistori PNP, model 2N2907 sau 2N3906; două potenţiometre liniare de 10 kΩ, cu o singură înfăşurare; un rezistor de 270 kΩ; trei rezistori de 100 kΩ; un rezistor de 10 kΩ.

Circuitul final arată astfel:

Explicarea amplificatorului operaţional

Circuitul de faţă reprezintă o îmbunătăţire a amplificatorului diferenţial realizat în secţiunea precedentă. Vom folosi circuite oglindă de curent în locul rezistorilor din perechea diferenţială, rezultatul fiind o amplificare în tensiune mai mare şi o performanţă mai previzibilă. Cu o amplificare în tensiune crescută, acest circuit poate funcţiona pe post de amplificator operaţional. Aceste dispozitive formează bază multor circuitele analogice cu semiconductori. Înţelegerea modului de funcţionare al acestui circuit este prin urmare importantă.

Tranzistorii Q₁ şi Q₂ de tip PNP formează o oglindă de curent, încercând să împartă curentul în valori egale prin perechea diferenţială Q₃, Q₄. Tranzistorii de tip NPN Q₅ şi Q₆ formează o altă oglindă de curent, setând curentul total al perechii diferenţiale la un nivel predeterminat de rezistorul R_prg.

Măsuraţi tensiunea de ieşire (tensiunea colectorului tranzistorului Q₄ faţă de masă) pe măsură ce variaţi tensiunile de intrare. Observaţi faptul că cele două potenţiometre au efecte diferite asupra tensiunii de ieşire: o intrare tinde să ducă tensiunea de ieşire în aceiaşi direcţie (neinversoare), pe când cealaltă intrare tinde să ducă tensiunea de ieşire în direcţie opusă (inversoare). Veţi observa că tensiunea de ieşire răspunde cel mai bine variiaţilor intrării atunci când cele două semnale de intrare sunt aproximativ egale între ele.

După ce v-aţi convins de răspunsul diferenţial al acestui circuit (tensiunea de ieşire trece rapid de la o extremă la altă când una dintre intrări este ajustată peste sau sub valoarea tensiunii celeilalte intrări), îl puteţi folosi pe post de amplificator operaţional (AO).

Repetor de tensiune

O primă configuraţie pe care o puteţi încerca, este aceea de repetor de tensiune. Pentru a realiza un astfel de circuit, conectaţi ieşirea amplificatorului direct la intrarea inversoare. Acest lucru înseamnă practic conectarea colectorului şi bazei tranzistorului Q₄ împreună, şi înlăturarea potenţiometrului „inversor”:

Ca şi repetor de tensiune, tensiunea de ieşire va urmări (repeta) tensiunea de intrare îndeaproape, variaţia dintre cele două valori nefiind mai mare de de câteva sutimi de volt. Acest repetor de tensiune este mult mai precis decât circuitul realizat cu tranzistor în conexiune colector-comun.

Amplificator neinversor

Un circuit mai complex, format cu ajutorul amplificatorului operaţional de mai sus, poartă numele de amplificator neinversor. Acesta utilizează o pereche de rezistori în bucla de reacţie pentru a re-introduce o parte din tensiunea de ieşire la intrarea inversoare. În urma acestei conexiuni, tensiunea de ieşire a amplificatorului va fi egală cu un multiplu al tensiunii intrării neinversoare. Dacă folosim doi rezistori de valori egale, tensiunea de reacţie va fi 1/2 din tensiunea de ieşire, iar tensiunea de ieşire va deveni prin urmare de două ori mai mare decât tensiunea aplicată la intrarea neinversoare. Ca şi rezultat, vom avea un amplificator de tensiune cu un factor de amplificare de exact 2:

Pe măsură ce testaţi acest amplificator neinversor, veţi observa mici diferenţe între tensiunea de ieşire şi cea de intrare. Datorită rezistorilor de reacţie, factorul de amplificare în tensiunea ar trebui să fie exact 2. Totuşi, s-ar putea să observaţi diferenţe de câteva sutimi de volt între valoarea teoretică şi cea practică a tensiunii de ieşire. Aceste deviaţii se datorează imperfecţiunilor circuitului şi pot fi atenuate prin adăugarea mai multor etaje de amplificare pentru creşterea factorului de amplificare diferenţial în tensiune.

Totuşi, o altă modalitate prin care putem maximiza precizia circuitului existent constă în modificarea rezistenţei R_prg. Acest rezistor setează punctul minim de control al oglinzii de curent, influenţând marea majoritate a parametrilor amplificatorului operaţional. Introduceţi diferite rezistenţe în locul rezistorului R_prg, plecând de la 10 kΩ până la 1 MΩ. Nu folosiţi o rezistenţa mai mică de 10 kΩ, altfel, s-ar putea să aveţi de a face cu deriva termică.

Unele amplificatoare diferenţiale disponibile pe piaţă, permit o „programare” similară a perechii diferenţiale (oglinda de curent), şi poartă numele de amplificatoare operaţionale programabile. Majoritatea AO însă, nu sunt programabile, punctele de control fiind fixate prin intermediul rezistenţelor interne.