8/8/2019 ATESTAT 3.06

1/24

GRUP COLAR INDUSTRIAL ELECTROTIMI TIMIOARA

PROIECT DE SPECIALITATE PENTRUSUSINEREA EXAMENULUI DE CERTIFICARE A

COMPETENELOR PROFESIONALE

Coordonator: Candidat:

Prof. Ing. Hamat Afin Cioca OvidiuCls a XIII-a A

2009-2010

8/8/2019 ATESTAT 3.06

2/24

GRUP COLAR INDUSTRIAL ELECTROTIMI TIMIOARA

STUDIULAMPLIFICATOARELOR OPERAIONALE

Coordonator: Candidat:

Prof. Ing. Hamat Afin Cioca OvidiuCls a XIII-a A

2009-2010

2

8/8/2019 ATESTAT 3.06

3/24

8/8/2019 ATESTAT 3.06

4/24

Memoriu justificativ

tiina este un ansamblu de cunotine abstracte i generale fixate intr-un sistecoerent obinut cu ajutorul unor metode adecvate i avnd menirea de explica, prevedeacontrola un domeniu determinant al realitii obiective.

Descoperirea i studierea legilor i teoremelor electromagnetismului n urm cu secol i jumtate n urm au deschis o er noua a civilizaiei omeneti

Mecanizarea proceselor de producie a constituit o etap esenial n dezvoltartehnic a proceselor de respective i a condus la uriae creteri ale productivitii muncDatorit mecanizrii s-a redus considerabil efortul fizic depus de om n cazul proceselor producie, ntruct mainile motoare asigur transformarea diferitelor forme de energie natur n alte forme de energie direct utilizabile pentru acionarea mainilor unelte caexecut operaiile de prelucrare a materialelor prime i a semifabricatelor.

Dup etapa mecanizrii, omul ndeplinete n principal funcia de conducere proceselor tehnologice de producie. Operaiile de conducere nu necesit dect un efort firedus, dar necesit un efort intelectual important. Pe de alt parte unele procese tehnicedesfoar rapid, nct viteza de reacie a unui operator uman este insuficient pentrutransmite o comand necesar n timp util.

Se constat astfel c la un anumit stadiu de dezvoltare a proceselor de producdevine necesar ca o parte din funciile de conducere s fie transferate unor echipamente

aparate destinate special acestui scop, reprezentnd echipamente i aparate de automatizaOmul rmne ns cu supravegherea general a funcionrii instalaiilor automatizate iadoptarea deciziilor i soluiilor de perfecionare i optimizare.

Prin automatizarea proceselor de producie se urmrete asigurarea tuturor condiiide desfurare a acestora fr intervenia nemijlocit a operatorului uman. Aceast eta presupune crearea acelor mijloace tehnice capabile s asigure evoluia proceselor ntr-un s prestabilit, asigurndu-se producia de bunuri materiale la parametri dorii.

Etapa automatizrii presupune existena proceselor de producie astfel concepute ns permit implementarea lor mijloacelor de automatizare, capabile s intervin ntr-un s

4

8/8/2019 ATESTAT 3.06

5/24

dorit asupra proceselor asigurnd condiiile de evoluie a acestora n deplin concordancerinele optime.

Lucrarea de fa realizat la sfritul perioadei de perfecionare profesional n cadliceului, consider c se ncadreaz n contextul celor exprimate mai sus. Doresc s fac dovgradului de pregtire n meseria de ,,tehnician electronist, cunotine dobndite n cad

disciplinelor de nvmnt : ,,Bazele automatizrii ,,Electronic analogic ,,Electrondigital.

Lucrarea cuprinde patru capitole conform tematicii primite. Pentru realizarea ei astudiat materialul biografic indicat precum i alte lucrri tiinifice cum ar fi: cri i revistespecialitate, STAS-ul.

n acest fel am corelat cunotinele teoretice i practice dobndite n timpul colii cele ntlnite n documentaia tehnic de specialitate parcurs n perioada de elaborarelucrrii de diplom.

Consider c tema aleas in vederea obinerii diplomei de atestare n specialitate ,,electronist dovedete capacitatea mea de a sistematiza i sintetiza cunotinele, de a rezo problemele teoretice dar i practice folosind procese tehnologice din specializarea n clucrez.

5

8/8/2019 ATESTAT 3.06

6/24

Capitolul I

Amplificator operaional. Parametri

Amplificatoarele operaionale sunt amplificatoare de curent continuu cu reacienegativ interioar i prevzute cu o bucl de reacie negativ extern, care iniial puteauexercita o diferite operaii, ca adunarea, scderea, nmulirea i mprirea cu o constant(incurent continuu) i cu extindere (n curent alternativ) precum i operaii mai complexe:derivare, integrare, obinere de funcii logaritmice. n prezent domeniul lor de utilizare este

mult mai extins. Prevzute n bucla de reacie cu reele mai complexe, amplificatoareleoperaionale actuale pot realiza cele mai diverse funcii cu performane ridicate i perfectcontrolabile. Amplificatoarele operaionale pot prezenta, n general, dou intrri i douieiri putnd lucra astfel:

o intrare i o ieire

dou intrri i dou ieiri

dou intrri i o ieire

Figura I.1 Schem amplificator operaionalelementar

b)

a)

Amplificatoarele operaionale au un

punct de mas(nul) fat de care se stabilesc att tensiunea de alimentare(V ) ct itensiunile de intrare( + 11 ; V V ) i de ieire( 0V ).

6

8/8/2019 ATESTAT 3.06

7/24

Tensiunea de ieire a unui amplificator operaional este dat sub forma cea maigeneral astfel:

DI C MC D V V AV AV ++= 00

0 A - este amplificarea diferenial n bucla deschis;

MC A - amplificarea pe mod comun n bucla deschis; DI

V - tensiunea de decalaj(care apare la ieire cnd intrrile sunt nule); D

V - tensiunea diferenial de intrare+ = 11 V V V D

C V - media aritmetic a tensiunilor de intrare

2

11+ +=

V V V

C

Parametri

1. Factorul de amplificare(ctigul) diferenial n bucla deschis

0 A reprezint raportul dintre variaia tensiunii de ieire(0V ) i tensiunea

diferenial de intrare(figura 1.b)

DV

V

V V

V A 0

11

00

=

=+

2.Factorul de amplificare pe mod comun n bucla deschis

MC A reprezint raportul ntre variaia tensiunii de ieire i media aritmetic atensiunilor de intrare

211

0

+ +=

V V

V A

MC

Acest parametru rezult din faptul c, chiar n cazul n care cele dou tensiuni de intrare,+

11 siV V ,sunt egale ns diferite de zero se produce tensiunea0V la ieirea

amplificatorului operaional. n cazul ideal, al amplificatorului operaional perfect0=MC A

3.Tensiunea de decalaj(offset) de la intrare

7

8/8/2019 ATESTAT 3.06

8/24

EI U este valoarea tensiunii continue aplicat la una din intrrile circuitului pentru

care ieirea este nul, 00 =V

4.Curentul de polarizare de intrare - Bi

Bi este valoarea medie a curenilor de intrare

2

+ += B B Bii

i

5.Factorul de rejecie pe mod comun CMR

Este raportul dintre factorul de amplificare diferenial0 A i factorul de amplificare

pe mod comun MC A .

MC A

ACMR 0=

Conform celor artate mai sus, ntruct la un amplificator perfect0=MC A , rezult n acestcaz =CMR

6.Banda de trecere n bucla deschis

Este domeniul (gama) de frecvene n care amplificarea scade la valoarea de20 A

fa de valoarea maxim:U A

Capitolul II

Amplificator operaional proporional

II.1.Amplificator proporional inversor

8

8/8/2019 ATESTAT 3.06

9/24

Schema de principiu (de curent alternativ) este reprezentat n figura II.1.Semnalul seaplic pe borna notat (-) iar borna notat (+) este legat la mas.Aplicnd teorema I a lui Kirchhoff n jurul nodului de intrare se obine relaia:

i R I I I =+1

unde 1 I este curentul dat de tensiunea aplicatla intrarea (-)

R I curentul de reacie, ce apare prin

bucla deschis format de rezistena2 R

Figura II.1. Amplificator proporional inversor i I este curentul prin intrarea amplificatorului operaional.

Deoarece 0, 11 == I Z deci R I I =1 dar

1

1

1

11 R

V

R

V V I A == deoarece

0== B A V V

2

0

R

V I

R = .Se obine astfel

2

0

1

1

R

V

R

V = i deci

1

2

1

0)(

R

R

V

V A ==

Se observ ca semnul (-) indicnd c tensiunea de ieire este n opoziie de faz cu cea intrare.

Unele proprieti ale amplificatoarelor operaionale se pot deduce din aceast relaie.

Astfelnmulirea cu o constant. Punnd condiia

12kR R = , k>1 se obine 10 kV V =

mprirea cu o constant. Dac

k

R R 1

2 = , k>1 atunci k V

V 10 =

deci tensiunea de ieire este o fraciune a tensiunilor de intrare.

Circuit repetor. Pentru

9

8/8/2019 ATESTAT 3.06

10/24

21R R = avem 10 V V =

Se observ c prin montarea n cascad a unui numr de amplificatoare operaionale pot obine tensiuni n faz ce cea de intrare.

Circuit sumator. n cazul cnd la intrarea inversoare se aplic mai multe tensiuni, prin intermediul unor rezistene, la ieire se obine un semnal n antifaz, proporional cu

suma lor. n schema din figura II.2 se pot scrie relaiile urmtoare aplicnd prima teorema alui Kirchhoff n jurul nodului A

i Rn I I I I I I =+++++ )...( 321

dar k

k

k R R

U I

R

V I

I

==

=

;

;0

0

1

=

=n

k k

k

R

V

R

V

1

0

Figura II.2 Amplificator operaional inversor sumator

Presupunnd, pentru simplificare R R R R R

n ===== ...321 rezult

=

=n

k k V V

10

II.2.Amplificator proporional neinversor

n acest caz semnalul se aplic pe borna cu (+) .Schema amplificatorului estereprezentat n figura II.3. n acest caz, pentru a deduce valoarea amplificrii se observ ctensiunea ntre borna A i mas se obine tensiunea de ieire astfel

101

0 R R R

V V

A +=

10

8/8/2019 ATESTAT 3.06

11/24

Dar, deoarece = A , atunci 0=+ B A V V deci 1V V V B A == ( 1V reprezint tensiune

de intrare). In acest caz 121

01

R R R

V V

+= .

Notnd2

1

1

21

1

0 1 R

R

R

R R

V

V A +=+==+

se observ c semnalul de ieire este n faz cu cel de intrare.

Proprietile acestuiamplificator se pot deduce ca i ncazul celui inversor din formulaamplificrii. Se observ c el nu poate diviza deoarece 1>+ A , dectn cazul n care una dintrerezistenele se nlocuiete cu undispozitiv ce prezint o rezisten

Figura II.3 .Amplificator proporional neinversor negativ (diod tunel).Cu elemente fizice obinuite el poate realiza urmtoarele:

nmulirea cu o constant. Se pune condiia:

)1(12

121

==+k R R

kR R R Atunci 10 kV V =

Sumator. Pe circuitul din figura II.4 se pot stabili urmtoarele relaii

'

'''

01

R R R

V V

+= .

n jurul nodului B aplicnd prima teorem a lui Kirchhoff obinem0... 1321 ==++++ I I I I I n

Figura

II.4. Amplificator proporionalneinversor sumator

11

8/8/2019 ATESTAT 3.06

12/24

n care

n

Bnn

B

R

V V I

RV V

I

=

=

:

:1

11

nlocuind, obinem

0...1

1 =++n

Bn B

R

V V

R

V V

Pentru simplificare presupunem c R R R R n ==== ...21 gsim:=

=n

k

Bk nV V

1

Dar '

'''

0

R R R

V V V B A

+== i deci

'

'''

0 R R R

V nV

k +

= i dac ''''' nR R R =+ : =

=n

k k V V

10

Se observ c la ieire s-a obinut suma tensiunilor aplicate la intrare n aceiai faz-Pentru a funciona n curent alternativ, amplificatorul operaional trebuie sa fie

prevzut cu condensatoare pe circuitele de semnal sau pe cele de reacie, dup scopulurmrit. Obinerea unei amplificri liniare impune alegerea judicioas a valorilor condensatoarelor folosite.

Capitolul III

Amplificator operaional integrator, derivativ

proporional integrator i proporional derivativ

III.1.Amplificator operaional integrator

Obinerea legii . Pentru obinerea legii de tip integral(I) se folosete schema dinfigura III.1. cu aplicare semnalului de intrare la borna inversoare, cu o rezisten1 R n

circuitul de intrare i o capacitate2C n circuitul de reacie

12

8/8/2019 ATESTAT 3.06

13/24

Pentru curentul 1 I prin rezistena 1 R rezult relaia1

11 R

u I iar pentru curentul 2 I prin

capacitatea 2C se obine relaiadt

dU I C 2

2= unde

tensiunea 2C U , de la bornele capacitii 2C are

expresia

1212 U U U U C = .

Din ultimele dou relaii rezult cFigura III.1. Amplificator operaional integrator

dt

dU C I 2

22=

tiind c 21 I I = , rezult c1

122 R

U

dt

dU C sau 1

11

2 1 U C Rdt

dU ;

Integrnd aceast relaie se obine:

dt U C RU 11121

Aceast expresie arat c schema din figura III.1 realizeaz o lege TI, tensiunea de

ieire 2U fiind proporional cu integrala tensiunii de intrare1U . Notnd :iT C R =21 expresia capt aspectul

dt U T U i 121

Semnul minus al expresiei este determinat de aplicarea semnalului de intrare la borna inversoare.

III.2Amplificator operaional derivativ

Obinerea legii. Legea de tip derivativ (D) nu se folosete separat , dar componentaderivativ intervine n legile PD i PID . Pentru obinerea legii D se folosete schema dinfigura III.2, cu folosirea bornei de intrare inversoare, cu capacitatea1C n circuitul de

intrare i cu rezistena 2 R n circuitul de reacie; datorit schimbrii poziiilor rezistenei i

capacitii (n raport cu schema din figura III.1. ) n locul unui efect de integrare se obineun efect de derivare.

13

8/8/2019 ATESTAT 3.06

14/24

Meninnd aproximaiile anterioare pentru amplificatorul operaional

rezult relaia:

dt

dU C I 1

11

2

22 R

U I ; i nlocuind aceste

Figura III.2. Amplificator operaional derivativ valori n relaia 21 I I = se obine

dt

dU C

R

U 1

12

2 respectivdt

dU C RU 1

122 =

Se obine astfel o lege D, semnalul de ieire2U fiind proporional cu semnalul de

intrare i notnd DT C R =12 , relaia va cpta aspectul

dt dU

T U D1

2

III.3.Amplificator operaional proporional integrator(PI)

PI inversor

Figura III.3.1 Amplificator proporional integrator (PI)

0== B A V V

14

8/8/2019 ATESTAT 3.06

15/24

1

11111 R

U I R I U ==

222 I RU U V C A +=

=== dt RU

C dt I

C U

dt

dU C I

C

C

1

122

11

21 I I =

+=1

211

112

1

R

RU dt U

C RU

)1

(1

211

112 R

RU dt U

C RU +=

=1

2112

1

R RU

dt U T

U i

PI neinversor

Figura III-3.2 .Amplificator proporional integrator neinversor

1U V V B A ==

R

U I IRU ==

C U R I U U += 2212

== dt I C U dt dU

C I C

C

22

1

21 I I =

+= dt RU

C R

R

U U U

1

12

1

112

1

15

8/8/2019 ATESTAT 3.06

16/24

111

212

1U dt U

T R RU

U i

++=

III.4.Amplificator operaional proporional derivativ(PD)

PD inversor

1U U C = 2220 R I U =

111 R I U R= 2

22222 R

U I R I U ==

dt

dU C I

C 1=

1

11 R

U I

R =

C R I I I += 11;

21 I I =

Figura III.4.1 .Amplificator proporional derivativ inversor

dt

dU C

R

U

R

U

dt

dU C

R

U I

R1

1

1

2

21

1

11

+=+=

16

8/8/2019 ATESTAT 3.06

17/24

dt dU

T R

RU U D

1

1

212

=

PD neinversor

Figura III.4.2. Amplificator operaional proporional derivator neinversor

1U V V B A ==

dt

dU C I

C 1=

dt

dU C

R

U I R I U

R1

1

11111

+==

dt

dU C

R

U

R

U U 1

1

112 +=

C R I I I += 1

2

1222212 R

U U I R I U U

==

17

8/8/2019 ATESTAT 3.06

18/24

21 I I =

11

1

212 U dt

dU T

R RU

U D ++=

Capitolul IV

Influena reaciei negative asupra parametrilor amplificatorului

IV.1.Influena reaciei negative asupra amplificatorului

Reacia negativ micoreaz amplificarea dar mrete stabilitatea ei. n adevr sconsiderm c dintr-o cauz oarecare (de exemplu variaia temperaturii) s-a produs o variaie

A A

8/8/2019 ATESTAT 3.06

19/24

n cazul aplicrii unei reacii negative, caracteristica de frecven se modific dup cum se obsdin figura IV.1 obinndu-se o lrgire a benzii de frecvene. Se poate demonstra c frecvenele limitsuperioare i inferioare devin:

A f j

=1

1' unde j j f f '

IV.3.Influena reaciei negative asupra distorsiunilor liniare

S presupunem c la intrarea amplificatorului se aplic un semnal sinusoidal, iar la ieire datorcaracteristicii neliniare a tranzistorului, semnalul apare distorsionat. Prin circuitul de reacie negativaplicat din nou la intrare n opoziie de faz, deci cu o deformare contrar celei de la ieire. n consecsemnalul rezultat va fi mai puin deformat prin compensare.

Factorul de distorsiuni n cazul amplificatorului cu reacie negativ, este dat de formula:

A

=

1' unde

8/8/2019 ATESTAT 3.06

20/24

Figura IV.1. Influena reacieinegative asupra amplificatoarelor operaionale

referitoare la coeficientul de reacie itensiunea de intrare n amplificatorul cu reacie i

faptul c '11 I I = rezult

int1

1

1

1int )1(

)1(''

' Z A I

U A

I

U Z

===

intint ' Z Z