Amplificatorul operaţional: noţiuni elementare

Bine te-am găsit !

Amplificatorul operaţional este o structură de circuit deosebit de importantă pentru că este capabil să realizeze o gamă largă de funcţii doar prin modificarea modului în care este conectat cu restul circuitului. Observând că sunt atât de utile, producătorii de componente electronice s-au străduit de-a lungul anilor să construiască amplificatoare operaţionale sub formă de circuite integrate. Astfel, astăzi practic toate schemele electrice care includ amplificatoare operaţionale le folosesc pe cele sub formă de circuite integrate. Acest lucru ajută mult la reducerea complexităţii unei scheme electrice, a costului de realizare a acesteia dar şi a şanselor ca începătorul în electronică să înţeleagă complet ce se întâmplă în acea schemă. Din fericire, amplificatorul operaţional este foarte uşor de cucerit cu înţelegerea. Cât de uşor ? Hai să vedem 😉 !

• Ce este amplificatorul operaţional ?
• Amplificator operaţional neinversor;
• Amplificator operaţional inversor;
• Alimentarea amplificatoarelor operaţionale.

Înainte a intra în miezul problemei menţionez că în acest articol ne vom referi exclusiv la amplificatoarele operaţionale disponibile sub formă de circuite integrate. Altfel spus, vom vorbi despre funcţiile pinilor şi modul de funcţionare ale acestor tipuri de circuite integrate, lăsând ca discuţiile despre schemele interne ale acestora să fie abordate în alte articole.

Ce este amplificatorul operaţional ?

Fie că este vorba de unul cu componente discrete sau fie că este vorba de unul prezent sub formă de circuit integrat, amplificatorul operaţional este un amplificator cu două intrări şi o singură ieşire. Semnalul de ieşire al amplificatorului operaţional este dat de diferenţa dintre nivelele semnalelor aplicate la cele două intrări (pinii IN+ şi IN- din figura 1), diferenţă care apoi este multiplicată cu factorul de amplificare al respectivului amplificator operaţional.

Simbolul de bază al amplificatorului operaţional este prezentat în figura 1a, însă în funcţie de necesităţi acel simbol poate fi îmbogăţit cu pini de alimentare – figura 1b sau şi cu pini de offset – figura  1c. Pinii de alimentare cred că ştii la ce folosesc însă nu pot spune acelaşi lucru despre cei de offset. Teoretic, orice amplificator ar trebui ca pentru 0 volţi semnal de intrare să ofere 0 volţi semnal de ieşire. În realitate, oricât de performant ar fi amplificatorul respectiv, chiar dacă semnalul de intrare are 0 volţi, cel de ieşire nu va fi niciodată perfect egal cu 0 volţi – mereu va fi cu puţin diferit. În general acest fenomen nu reprezintă o problemă, însă există totuşi aplicaţii (cum ar fi cele de măsurare cu mare precizie a mărimii semnalelor) unde pentru 0 volţi la intrare vrem 0 volţi la ieşire. Ei bine, pentru aceste cazuri există amplificatoare operaţionale dotaţi cu pini de offset. Cu ajutorul acestora (prin intermediul unui potenţiometru) putem regla precis ca pentru 0 volţi la intrare să obţinem o valoare cât mai apropiată de 0 volţi la ieşire.

Figura 1. Simbolurile folosite pentru reprezentarea unui amplificator operaţional

Intuitiv, suntem tentaţi să credem că un amplificator pentru a-şi face treaba are nevoie de alimentare, de o intrare şi de o ieşire. Şi atunci, de ce amplificatorul operaţional are două intrări şi de ce sunt notate cu IN+ şi IN- ? Aşa cum sugerează şi sufixele “+” şi “–“, cele două intrări ale unui amplificator operaţional au efecte opuse asupra semnalului de ieşire, şi anume:

• dacă menţinem intrarea IN- la un potenţial fix (de ex.0 V) şi aplicăm un semnal de intrare oarecare pe intrarea IN+, semnalul de ieşire va varia în aceeaşi direcţie ca şi semnalul aplicat pe IN+. Având o influenţă “directă” asupra semnalului de ieşire, intrarea IN+ se mai numeşte şi intrare neinversoare;
• dacă menţinem intrarea IN+ la un potenţial fix (de ex. 0 V) şi aplicăm un semnal de intrare oarecare pe intrarea IN-, semnalul de ieşire va varia în direcţie opusă semnalul aplicat pe IN+. Având o influenţă “inversă” asupra semnalului de ieşire, intrarea IN– se mai numeşte şi intrare inversoare;

Ei bine, chiar dacă amplificatorul operaţional are două intrări, în realitate doar una este folosită pentru aplicarea unui semnal propriu-zis de intrare. În cealaltă intrare, în peste 90% din cazuri, este introdus o parte din semnalul de ieşire. Acest lucru poartă denumirea de feedback sau reacţie negativă şi este util pentru că permite amplificatorului operaţional să menţină o legătură foarte strânsă între semnalul intrare şi cel de ieşire. Datorită acestui fapt amplificatorul operaţional are distorsiuni foarte mici (ale semnalului prelucrat) iar amplificarea sa poate fi foarte precis reglată.

Şi totuşi de unde vine denumirea de “operaţional” ? Chiar dacă la bază este vorba de un amplificator, prin conectarea corespunzătoare în circuit a unuia sau a mai multor amplificatoare operaţionale, acestea pot realiza şi alte “operaţii” de prelucrare a semnalelor aplicate la intrare, cum ar fi: adunare, scădere, mixare, integrare, filtru trece-sus, filtru trece-jos, filtru trece-bandă etc.

Dacă am ghicit bine, acum ar trebui să te întrebi care din cele două intrări poate fi folosită ca intrare propriu-zisă şi care ca intrare de feedback. Răspunsul scurt este: oricare !

Hai totuşi să dezvoltăm un pic :).

 Amplificator operaţional neinversor

Schema amplificatorului operaţional neinversor este prezentată în figura 2 unde se observă că semnalul de intrare propriu-zis este aplicat pe intrarea neinversoare (IN+). Însă semnalul de ieşire este aplicat prin R2 către intrarea inversoare care, dupa cum am spus mai sus, exercită o influenţă inversă asupra semnalului de ieşire. Asta înseamnă că dacă intrarea neinversoare vrea să dicteze la ieşire un semnal mare, intrarea inversoare (“comandată” de semnalul de ieşire primit prin divizorul realizat cu R2 şi R1) va încerca să dicteze la ieşire un semnal mai mic. Aceasta “luptă” evoluează până în momentul in care tensiunile pe cele două intrări ajung să fie egale, sau altfel spus până în momentul în care influenţele celor două intrări ajung să fie egale dar de sens contrar, adică în echilibru.  Drept consecinţă, cu cât raportul dintre R2 şi R1 este mai mare, cu atât mai mare va fi tensiunea de ieşire la care tensiunile pe cele două intrări vor ajunge să fie egale. În concluzie, rolul divizorului rezistiv format din R1 şi R2 este acela de a fixa amplificarea (A) schemei după următoarea formulă:

Figura 2. Functionarea unui amplificator operational neinversor

Aruncând încă o privire peste figura 2, în partea dreaptă vom vedea un grafic care arată legătura dintre semnalul de intrare şi cel de ieşire. În cazul de faţă se observă că semnalul de ieşire variază proporţional cu cel de intrare. Altfel spus, cele două semnale sunt “în fază”.

 

Amplificator operaţional inversor

Schema amplificatorului operaţional inversor este prezentată în figura 3 unde se observă că intrarea neinversoare este menţinută la potenţial fix (fiind legată la masă) iar semnalul de intrare propriu-zis este aplicat pe intrarea inversoare (prin R1). Dacă de exemplu aplicăm un semnal negativ la intrare, intrarea inversoare va dicta un semnal pozitiv la ieşire. Asta înseamnă că pe intrarea neinversoare (adică în punctul comun al rezisţentelor R2 şi R1) vom primi un semnal negativ (venit de la intrare prin R1) şi un semnal pozitiv (venit de la ieşire prin R2). Ei bine, operaţionalul nostru va creşte tensiunea de ieşire până în momentul în care cele două semnale se vor anula complet şi vom avea din nou aceeaşi situaţie ca mai sus, adică tensiuni egale pe cele două intrări. Evident, dacă la intrare aplicăm o tensiune pozitivă, lucrurile se petrec la fel, numai că în sens invers. La fel ca şi în cazul precedent, divizorul rezistiv format din R1 şi R2 are rolul de a fixa amplificarea schemei, care în acest caz este dată de următoarea formulă:

Figura 3. Funcţionarea unui amplificator operaţional inversor

Aşa cum probabil intuiai deja, graficul care exprimă legătura dintre semnalul de intrare şi cel de ieşire arată în acest caz o dependenţă inversă. Altfel spus, cele două semnale sunt “în antifază”.

Alimentarea amplificatoarelor operaţionale

Pentru simplificarea discuţiilor, în schemele din figurile 2 şi 3 am figurat amplificatoarele operaţionale fără pinii de alimentare. Asta totuşi nu înseamnă că pinii de alimentare nu există sau că nu este nevoie de ei.

Fiecare amplificator operaţional are 2 pini de alimentare notati fie cu V+ şi V-, fie cu Vcc+ şi Vcc-. Aceşti pini pot fi conectaţi în două moduri numite alimentare asimetrică şi respectiv alimentare simetrică.

Alimentarea asimetrică. Presupune alimentarea amplificatorului operaţional de la o singură sursă de tensiune continuă, conectând pinul V+ la borna pozitivă a sursei şi pinul V- la borna negativă (vezi figura 3). Principalul avantaj al acestui tip de alimentare este simplitatea. Din păcate această simplitate nu vine gratuit ci însoţită de dezavantajul faptului că, aşa cum se observă şi din graficul din figura 4, indiferent de polaritatea semnalului de intrare, semnalul de ieşire al amplificatorului nu poate avea decât valori pozitive. De ce ? Pentru că amplificatorul operaţional bagă la ieşire doar ce îi poate oferi sursa de alimentare.

Figura 4. Funcţionarea unui amplificator operaţional cu alimentare asimetrică

Pe lângă acest lucru mai există o problemă. Datorită modului lor de funcţionare, cele mai multe amplificatoare operaţionale nu lucrează normal decât cu tensiuni situate cu cel puţin 2-3 V în gama tensiunii aplicate între pinii V+ şi V-. Mai precis, pentru că amplificatorul operaţional să nu o ia razna, semnalul de intrare trebuie să fie:

• cu cel puţin 2-3 V mai mare decât tensiunea aplicată pe pinul V-;
• cu cel puţin 2-3 V mai mic decât tensiunea aplicată pe pinul V+;

Cu toate acestea, atunci când semnalul de intrare este reprezentat de o tensiune alternativă (de exemplu semnalul unui microfon sau al unei plăci de sunet) există totuşi posibilitatea ca dintr-un amplificator operaţional cu alimentare asimetrică să obţinem la ieşire semnale care pot lua atât valori pozitive cât şi valori negative. Acest lucru se poate realiza prin adăugarea unui circuit de polarizare şi înserierea intrării, feedback-ului şi ieşirii cu câte un condensator, aşa cum se observă în figura 5.

Figura 5. Schema de amplificator operaţional pentru semnale alternative, cu alimentare asimetrică

După cum am spus şi mai sus, tensiunea de la ieşirea amplificatorului nu poate varia decât în domeniul de valori oferită de sursa de alimentare (adică între V- şi V+). Pentru a înţelege cum schema din figura 5 rezolvă această problemă hai să ne concentrăm întâi asupra condensatorului C3 şi să considerăm că schema este alimentată de la o sursă de 12V. Pe langă asta considerăm că schema impune operaţionalului ca în lipsa semnalului de intrare să dea la ieşire o tensiune egală cu jumatate din tensiunea de alimentare (vom vedea imediat cum). Asta înseamnă că dacă avem o sarcină conectată la ieşire, condensatorul C3 se va încărca prin aceasta până va ajunge să aibă la borne o tensiune de +6V. Bineînţeles, tensiunea la ieşire va fi la început de +6V şi va scade la 0V atunci când condensatorul va fi complet încărcat. Cu alte cuvinte, între pinul de ieşire al operaţionalului şi ieşirea schemei vom avea mereu +6V. Asta înseamnă că:

• atunci când tensiunea pe pinul de ieşire al operaţionalului atinge 12V, pe sarcina de ieşire vom avea cu 6V mai puţin, adică 12V-6V= +6V;
• atunci când tensiunea pinul de ieşire atinge 0V, pe sarcină vom avea cu 6V mai puţin, adică 0V-6V= -6V.

Datorită faptului că condensatorul C3 transferă la ieşirea schemei doar semnalul care ne interesează (cel alternativ) acesta în mod curent este denumit condensator de cuplare.

Subliniez că tensiunea pe C3 trebuie neaparăt aleasă ca fiind jumătate din tensiunea de alimentare a schemei. În caz contrar valorile maxime ale celor două alternanţe (negativă şi pozitivă) nu vor fi egale ceea ce va conduce la distorsionarea puternică a semnalului de ieşire mai ales când acesta are valori mari.

Acum hai să vedem cum reuşeşte schema să menţină condensatorul încărcat la jumătate din tensiunea de alimentare. În primul rând, cu ajutorul divizorului rezistiv format din cele doua rezistenţe (egale) notate cu R, aplicăm pe pinul de intrare o tensiune (de polarizare) egală cu jumătate din tensiunea de alimentare. Nu dorim ca această tensiune de polarizare să ajungă pe bornele de intrare ale schemei şi de aceea mai tuflim un condensator de cuplare în persoana lui C1. Rezistenţele de polarizare trebuie să aibă valori suficient de mari (de ex. 100 Kiloohmi) deoarece în caz contrar semnalul de intrare va fi atenuat sau chiar scurtcircuitat de acestea.

Am stabilit o tensiune de polarizare egală cu jumatate din tensiunea de alimentare. Însă cum facem ca această tensiune să apară şi pe condensatorul C3 ? În mod normal, tensiunea de polarizare ar fi amplificată împreună cu semnalul util băgat la intrarea schemei. Însă schema mai conţine un condensator de cuplare în persoana lui C2 care permite funcţionarea normală a divizorului rezistiv format din R2 şi R1 doar în cazul semnalelor alternative. Pentru tensiuni de intrare constante (cu este şi tensiunea de polarizare) C2 se comportă ca o rezistenţă infinit de mare, caz în care, conform formulei  de calcul a amplificării unui amplificator neinversor, amplificarea se reduce la 1. Adică practic tensiunea de polarizare nu este amplificată ci doar repetată la ieşirea operaţionalului.

Alimentarea simetrică. Presupune utilizarea a două surse de alimentare care oferă tensiuni egale. Aceste surse sunt legate în serie, punctul lor comun devenind masa întregului circuit. De această dată amplificatorul operaţional are la dispozitie pentru fiecare din cele două semialternanţe (negativă şi pozitivă) câte o sursă de tensiune. Schema de alimentare simetrică este prezentată în figura 6. Acolo se observă că în afară de partea de alimentare, schema amplificatorului operaţional este practic identică cu cea de principiu prezentată în figura 2.

Figura 6. Funcţionarea unui amplificator operaţional cu alimentare simetrică

Singura diferenţă este prezenţa rezistenţei R care are rolul de a polariza amplificatorul în lipsa unei surse de semnal. Altfel spus, rezistenţa de polarizare R îi spune amplificatorului ce semnal să dea la ieşire în lipsa unui semnal de intrare. Cum în practică amplificatorul poate rămâne uneori fără semnal de intrare, prezenţa acestei rezistenţe este obligatorie pentru buna funcţionare a acestuia. Valoarea lui R se alege de obicei în gama 10k-100k.

Utilizarea alimentării simetrice reduce complexitatea schemelor cu amplificatoare operaţionale menţinând în acelaşi timp cel puţin acelasi nivel de performanţă. Cu toate acestea, obţinerea unei alimentări simetrice nu este mereu un lucru chiar comod (cum ar fi de exemplu cazul montajelor electronice alimentate din baterii). Din acest motiv, alimentarea asimetrică este cel puţin la fel de întâlnită ca şi cea simetrică.

Mi-am petrecut aproape tot week-end-ul încercând să-ţi fac o introducere cât mai clară în domeniul amplificatoarelor operaţionale. Şi totuşi îmi dau seama că este posibil ca unele noţiuni prezentate să nu-ţi fie complet clare. Nu te descuraja, nu se aşteaptă nimeni să înţelegi totul doar din nişte noţiuni elementare. Dar dacă eu am reuşit să înţeleg singur aceste lucruri, acesta e un motiv suficient să cred că şi tu vei putea ;).

Dacă ţi-a plăcut acest articol, distribuie-l mai departe în grupul tău de prieteni !

Cu bine,

Ciprian