01. Amplificatorul cu potenţial de referinţă şi amplificatorul diferenţial

Acasă » Electronică analogică » 06 - Amplificatorul operaţional

Simbolul amplificatorului

Pentru uşurinţa expunerii teoretice (desenării) a circuitelor electronice, amplificatoarele sunt adesea simbolizate printr-un simplu triunghi , iar componentele interne sunt „ascunse”. Această simplificare este foarte folositoare pentru cazurile în care construcţia amplificatorului este irelevantă pentru funcţionarea generală a circuitului.

Conexiunile +V şi -V simbolizează borna pozitivă, respectiv negativă, a sursei de alimentare în c.c. Tensiunile de intrare şi de ieşire sunt reprezentate doar ca şi conductoare individuale, deoarece se presupune că toate semnalele au ca şi referinţă o conexiune comună din circuit, denumită masă. Adesea (dar nu tot timpul!), acest punct de referinţă îl reprezintă una dintre bornele sursei de alimentare în c.c., fie cea pozitivă, fie cea negativă.

Exemplu - amplificator cu potenţial de referinţa

Un circuit practic cu amplificator arată astfel.

Configuraţie cu sursă duală de tensiune

Dacă dorim să folosim amplificatorul şi pentru semnale de c.a., va trebui să folosim două surse de c.c., iar masa să fie situată electric între +V şi -V. Această configuraţie poartă numele de sursă de tensiune duală.

Tensiunea de alimentare a amplificatorului este tot 30 V, dar cădere de tensiune de pe sarcină poate lua acum valori teoretice între +15 V şi -15V, în loc de +30 V şi 0 V. Aceasta este o modalitate simplă de obţinere a c.a. la ieşirea unui amplificator fără a fi nevoiţi să folosim cuplaje capacitive sau cuplaje cu transformator la ieşire.

Amplificatorul diferenţial

Prin simbolizarea unui circuit complex printr-un singur triunghi, putem studia mult mai uşor amplificatoare şi circuite mult mai complexe. Unul dintre aceste amplificatoare mai complexe pe care le vom studia, poartă numele de amplificator diferenţial. Faţă de amplificatoarele „normale” ce amplifică un singur semnal de intrare (amplificatoare cu potenţial de referinţă), cele diferenţiale amplifică diferenţa de tensiune dintre două semnale de intrare.

Ca şi în circuitul precedent, toate tensiunile au ca şi referinţă masa circuitului. Se poate observa că un terminal de intrare este marcat cu minus (-) iar celălalt cu plus (+). Întrucât un amplificator diferenţial amplifică diferenţa dintre cele două semnale de la intrare, fiecare intrare influenţează tensiunea de la ieşire în mod diferit (opus).

Să considerăm următorul tabelul alăturat cu tensiunile de intrare/ieşire pentru un amplificator diferenţial cu un factor de amplificare în tensiune de 4.

Unde ecuaţia tensiunii de ieşire arată astfel:

Explicarea modului de funcţionare

O creştere a tensiunii pe intrarea pozitivă (+) duce la creşterea pozitivă a amplificării, iar o creştere a tensiunii pe intrarea negativă (-) duce la o creştere negativă a amplificării. De asemenea, o scădere a tensiunii pe (+) duce la scăderea tensiunii de ieşire, iar o creştere a tensiunii pe (-) are un rezultat opus. Datorită acestei relaţii dintre cele două terminale de intrare, intrarea negativă (-) mai poartă numele de intrare inversoare iar intrarea pozitivă (+) poartă numele de intrare ne-inversoare.

Modelul amplificatorului diferenţial

Pentru a înţelege mai bine modul de funcţionare, putem reprezenta un amplificator diferenţial ca şi o sursă variabilă de tensiune controlată de un voltmetru sensibil.

Desigur, figura alăturata este doar un model, şi nu reprezintă schema reală de construire a amplificatorului. Simbolul „G” reprezintă un galvanometru, o deplasare sensibilă a unui voltmetru. Potenţiometrul conectat între +V şi -V furnizează o tensiune variabilă la contactul de ieşire (ce are ca şi referinţă una dintre bornele sursei de tensiune în c.c.), tensiune stabilită de indicaţia galvanometrului. Trebuie înţeles faptul că orice sursă conectată la ieşirea unui amplificator diferenţial este alimentată de sursa de tensiune de c.c. (baterie), şi nu de semnalul de intrare. Semnalul de intrare (galvanometru) doar controlează ieşirea.

Ieşirea a unui amplificator diferenţial

Cu toate aceste polarităţi, este foarte uşor să greşim şi să nu ne dăm seama care va fi ieşirea unui amplificator diferenţial. Pentru evitarea acestor situaţii, putem observa următoarea regulă.

Când polaritatea tensiunii diferenţiale de la intrare este aceeaşi cu polaritatea intrărilor (inversoare şi ne-inversoare) amplificatorului, tensiunea de ieşire va fi pozitivă. Când polaritatea tensiunii diferenţiale este inversă faţă de cea a intrărilor, ieşirea amplificatorului va fi negativă.

Utilizarea practică a amplificatoarelor diferenţiale

Dacă tensiunile de intrare ale amplificatorului diferenţial reprezintă cantităţi matematice (cum este cazul circuitelor analogice ale calculatoarelor), sau mărimi fizice de proces (cum este cazul circuitelor electronice de instrumentaţie), putem vedea utilitatea unui astfel de dispozitiv. Am putea folosi amplificatoare operaţionale pentru a compara două cantităţi şi a vedea care este mai mare (prin intermediul polarităţii tensiunii de ieşire), sau am putea face o comparaţie a diferenţei dintre două cantităţi (precum nivelul apei din două bazine) şi acţionarea unei alarme luminoase şi/sau sonore dacă diferenţa este prea mare (în funcţie de valoarea absolută a semnalului de ieşire).

În circuitele de control automat, cantitatea controlată poartă numele de variabilă de proces şi este comparată cu o valoare fixă denumită punct de referinţă; deciziile sistemului automat sunt luate în funcţie de diferenţa dintre aceste două valori. Primul pas într-o astfel de schemă constă în amplificarea diferenţei dintre variabila de proces şi punctul de referinţă cu ajutorul unui amplificator diferenţial. În circuitele simple, ieşirea amplificatorului poate fi utilizată pentru acţionarea unui element final de control (precum o valvă) şi menţinerea procesului cât mai aproape de punctul de referinţă.