Utilizarea amplificatoarelor operaţionale în medii cu o singură sursă

by donpedro

Transferarea unui circuit amplificator operaţional tradiţional cu sursă dublă într-un mediu cu o singură sursă, poate fi realizată cu uşurinţă în unele cazuri, dar trebuie avut în vedere faptul că ieşirea amplificatorului oscilează mult mai aproape de valorile tensiunii de alimentare, şi că referinţa la masă a dispărut. Aceşti doi factori pot crea probleme.
În acest articol sunt analizate circuitele amplificatoare standard cu feedback de tensiune (precum neinversoare, inversoare, amplificatoare diferenţiale, amplificatoare pentru instrumentaţie şi configuraţii de tip foto-detecţie), evidenţiind avantajele şi limitările date de lucrul cu o singură sursă
.

Consideraţii generale
Se poate motiva că amplificatoarele operaţionale sunt similare, indiferent de configuraţia de alimentare. Caracteristicile generale ale acestor dispozitive sunt consistente. Toate amplificatoarele cu reacţie de tensiune au două intrări cu impedanţă mare şi o ieşire de impedanţă mică. Într-un circuit în buclă închisă, tensiunile de pe cele două intrări ale amplificatorului se urmăresc una pe cealaltă. Câştigul amplificatorului în buclă deschisă este uzual de 80dB sau 10000V/V. Oricum, nu aceste caracteristici generale sunt cele ce cauzează probleme la transferul de la operare cu sursă dublă la operare cu o singură sursă.
La conversia amintită trebuie ţinut cont de doi parametri – domeniul tensiunii de intrare şi oscilaţia tensiunii de ieşire. În documentaţia de produs sunt complet specificate ambele caracteristici pentru utilizarea unei singure surse şi sunt în general similare pentru majoritatea dispozitivelor. Oricum, dacă aceste limitări ale performanţelor nu sunt respectate, intrarea şi/sau ieşirea dispozitivului cad în afara domeniului specificat de operare.
Se presupune cunoscută topologia circuitului de amplificator cu o singură sursă. În particular, este important de amintit că, atunci când tensiunea de mod comun depăşeşte maximul admis de tranzistorul de intrare, ieşirea amplificatorului se va închide la una dintre valorile pozitive sau negative ale sursei. Există de asemenea două zone de operare ale ieşirii amplificatorului ce trebuie remarcate: dacă amplificatorul este condus “hard” aproape de valoarea pozitivă sau negativă a sursei (la zeci de mV), el va părăsi zona liniară; dacă este condus la câteva sute de mV de aceste valori, va opera în zona liniară.
În cele ce urmează vor fi analizate cele două caracteristici anterior prezentate. Vor fi identificate suficiente informaţii pentru conversia de la circuite cu sursă dublă, la operaţie cu o singură sursă. Celelalte caracteristici nu sunt semnificativ diferite pentru diferite moduri de alimentare.

Amplificatorul în montaj repetor
Repetorul este cel mai simplu circuit de amplificare ce permite transferul de la o sursă dublă la un mediu cu o singură sursă de tensiune. Figura 1 prezintă un amplificator configurat în montaj repetor.

Figura 1 Repetorul operează cu aceeaşi topologie de circuit atât în cazul sursei duble, cât şi în cazul unei singure surse

Atunci când amplificatorul este configurat să utilizeze o singură sursă pot apare o serie de limitări neaşteptate atât pe etajul de ieşire cât şi pe cel de intrare.
Pentru început, etajul de intrare poate opri semnalul de intrare să intre în amplificator. Dacă documentaţia amplificatorului nu specifică posibilitatea de operare vârf la vârf, este aproape sigur că acesta nu va accepta intrare de tip vârf la vârf. Dacă intrarea amplificatorului, VIN, depăşeşte limitele tranzistorului de intrare, ieşirea se deplasează către valoarea de la terminalul pozitiv.
Etajul de ieşire este de asemenea un factor de limitare într-un circuit cu o singură sursă. Cu surse duble, etajul de ieşire poate baleia întreg domeniul de ieşire fără distorsiuni. De exemplu, dacă amplificatorul din figura 1 are o sursă de ±15V, şi intrarea este de 10V, VOUT este de asemenea 10V (presupunând că nu există erori de offset). Această concluzie este evidentă. Oricum, cu o sursă de 0-5V pentru alimentarea aceluiaşi circuit, o tensiune de intrare de 0 V nu va produce aceeaşi tensiune de ieşire. Ieşirea va fi de ordinul zecilor de mV. Valoarea limită, este nivelul inferior de oscilaţie al tensiunii de ieşire şi este dependent de cazul particular de amplificator utilizat.
Poate părea evident faptul că, dacă pe intrare se aplică o tensiune negativă, circuitul nu va funcţiona. Dacă circuitul din partea anterioară a amplificatorului foloseşte o sursă dublă, aceasta poate crea probleme.
De asemenea este o potenţială problemă şi ieşirea pozitivă. Dacă amplificatorul are intrarea conectată vârf la vârf şi ieşirea creşte, nivelul de alimentare nu va fi atins, valoarea fiind mai mică cu câteva zeci de mV. Documentaţia amplificatorului se referă la această valoare limită ca la nivelul superior de oscilaţie a tensiunii de ieşire.
Pentru unele aplicaţii, aceste valori de tensiune extreme pot să nu însemne mare lucru, dar există situaţii în care valorile pot fi foarte importante. De exemplu, dacă amplificatorul comandă un convertor A/D cu un domeniu de intrare de la 0 la 5V, câteva coduri de la începutul şi sfârşitul cuvântului digital nu vor apare.

Configuraţii neinversoare cu funcţionalitate implicită

Figura 2 Circuitul de amplificare neinversor este uşor de trecut de la un mediu cu sursă dublă la un sistem cu o singură sursă

Configuraţia neinversoare este mult mai uşor de adaptat la un mediu cu sursă simplă, decât circuitul repetor. Câştigul configuraţiei de amplificator neinversor din figura 2 este mai mare de +1V/V.
Limitările etajului de amplificare nu sunt aşa de importante precum în cazul amplificatorului în configuraţie repetor. Majoritatea amplificatoarelor cu sursă simplă au o intrare de mod comun la masă. Acest circuit de amplificare va amplifica orice semnal de pe intrarea VIN, la o valoare mai mare. Este foarte probabil ca semnalul de ieşire să fie limitat de tensiunea pozitivă a sursei, înainte ca etajul de intrare să atingă limite interne.

Probleme de foto-detecţie

Figura 3 Legarea la masă a anodului senzorului foto şi ataşarea catodului la RF permite curentului senzorului să treacă prin RF, creând o tensiune pozitivă la VOUT. Dacă polaritatea senzorului foto este inversată, la terminalele amplificatorului, curentul va fi inversat, cauzând rămânerea la masă a ieşirii amplificatorului.

Figura 4 R1 şi R2, în conjuncţie cu VDD, formează un divizor de tensiune. Ieşirea acestui divizor este de 300mV. Un circuit repetor, A2, izolează impedanţa R1 şi R2 la conectarea la anodul senzorului foto. Această configuraţie de circuit creează un nivel de 300mV la ieşirea amplificatorului (A1).

Amplificatorul cu conversie curent-tensiune pentru aplicaţii de foto-detecţie este puţin mai dificil de trecut la un mediu cu o singură sursă. O primă problemă este corectarea polarizării senzorului foto pe terminalele de intrare. Figura 3 prezintă conectarea indicată.
În această configuraţie (figura 3), curentul de la fotodiodă în timpul excitării provocate de o sursă de lumină, va schimba ieşirea amplificatorului în direcţie pozitivă. Operaţiunea funcţionează bine exceptând faptul că ieşirea amplificatorului nu este capabilă să oscileze până la masă. De aceea, pentru valori mici ale intensităţii luminoase a sursei, convertorul A/D nu va indica nimic.
Figura 4 oferă soluţia acestei probleme. Ieşirea amplificatorului este crescută cu 300mV (faţă de masă) pentru a asigura funcţionarea acestuia în zona sa liniară. Acest scop este realizat cu ajutorul circuitului format de R1, R2, şi A2.
Condiţiile date de specificaţiile MCP6022 privind câştigul în buclă deschisă sunt “VOUT = VSS +300mV şi VDD = 300mV”. Acest circuit crează un nivel al semnalului de 300mV astfel încât amplificatorul, A1, rămâne în zona sa liniară. Alegerea lui A2 este foarte importantă. El trebuie să fie capabil să furnizeze curentul necesar circuitului foto-detectorului în mod convenabil. Astfel, el trebuie să fie cel puţin la fel de rapid ca A1. Amplificatoarele duale trebuie să respecte această cerinţă. Stabilitatea şi reducerea zgomotului pot fi obţinute printr-o tensiune precisă de referinţă, ce înlocuieşte VDD deasupra lui R1.

Configuraţie inversoare

Figura 5 O tensiune de referinţă este necesară pentru a face sistemul să funcţioneze corect într-un circuit cu o singură sursă. Acest circuit lucrează bine cu VSHIFT legat la masă, dacă tensiunea de intrare este negativă. Dar întrebarea care se pune este: “de unde vine această tensiune negativă într-un circuit cu o singură sursă?”

Figura 6 Folosirea acestui tip de circuit cu tensiune de referinåã pentru furnizarea VSHIFT (Figura 5) în configuraţia inversoare va duce la păstrarea ieşirii amplificatorului în zona liniară. Tensiunea VSHIFT trebuie sã fie stabilitã în centrul domeniului tensiunii de intrare pentru circuit.

Configuraţia de amplificator inversor din figura 5 va lucra într-un circuit cu o singură sursă numai dacă are o tensiune de referinţă. Se poate observa că la conectarea nodului tensiunii de referinţă, VSHIFT, la masă, circuitul va funcţiona numai dacă semnalul de intrare va fi negativ.
Figura 6 prezintă un exemplu de circuit cu tensiune de referinţă.

Amplificatorul diferenţial

Figura 7 Amplificatorul diferenţial operează cel mai bine în medii cu surse duble. În astfel de sisteme VSHIFT este conectat la masă. Pentru medii cu o singură sursă pinul VSHIFT este recomandat să fie conectat la ½ VDD.

Figura 8 O referinţă precisă de tensiune(a) sau un divizor de tensiune între VDD şi masă (b) sunt utilizate pentru a genera tensiunea VSHIFT în Figura 7. Aceste circuite sunt folosite pentru amplificatoare diferenţiale cu o singură sursă, circuite pentru instrumentaţie cu trei şi două amplificatoare.

Figura 7 prezintă implementarea unei funcţii de amplificator diferenţial. Funcţia de transfer a circuitului este:
VOUT = V1 R4(R1+R2) /((R3+R4)R1) – V2(R2/R1) + VSHIFT R3 (R1+R2)/((R3+R4)R1)
Dacă R1/R2 este egală cu R3/R4, ieşirea circuitului în buclă închisă este:
VOUT = (V1 – V2)(R2/R1) + VSHIFT
În acest circuit, tensiunile maxime permise pe intrările amplificatorului limitează domeniul de intrare de mod comun. Este posibil a avea tensiuni de intrare care depăşesc tensiunile de alimentare. Câştigul ambelor semnale de intrare este egal. Această configuraţie de rezistenţe scade de asemenea tensiunea de mod comun. Suplimentar, stabilirea rapoartelor rezistenţelor la valori mai mari de 1, dă posibilitatea implementării de câştiguri mai mari de 1.
În medii cu o singură sursă, o tensiune de referinţă (VSHIFT) poate centra semnalul de ieşire între masă şi valoarea dată de sursa de tensiune. Scopul (şi efectele) acestei tensiuni de referinţă este transferul semnalului de ieşire în zona liniară a amplificatorului.
Figura 8 prezintă două posibile circuite pentru tensiunea, VSHIFT.
Dispozitivul cu referinţă precisă de tensiune din figura 8(a) este recomandat pentru soluţii de înaltă precizie în circuite cu o singură sursă. Rezultatele vor fi precise la temperatura camerei sau la temperaturi mai înalte. Figura 8(b) prezintă o soluţie alternativă. Figura 8 prezintă ecuaţiile ce guvernează VSHIFT şi câştigul amplificatorului diferenţial. Precizia acestui circuit depinde de potrivirea rezistenţelor şi stabilitatea VDD.

Circuit de amplificare cu trei amplificatoare operaţionale pentru instrumentaţie

Figura 9 Circuitul cu trei amplificatoare operaţionale are două etaje principale. Primul etaj amplifică semnalele de intrare şi oferă rezultatele ca intrări în al doilea etaj – amplificator diferenţial

Configuraţia cea mai răspândită de amplificator pentru instrumentaţie foloseşte trei amplificatoare operaţionale. Acest circuit este uşor de înţeles, deoarece fiecare dintre amplificatoarele operaţionale serveşte o funcţie specifică. Astfel, în circuitul din figura 9, A1 şi A2 amplifică cele două semnale de intrare, iar al treilea amplificator, A3, realizează scăderea dintre cele două semnale amplificate, oferind un singur semnal de ieşire. Funcţia de transfer a circuitului este:

VOUT = (VIN+ -VIN-)(1 + 2RF/RG) (R2/R1)

În aplicaţii cu o singură sursă, circuitul din figura 8, generează tensiunea de referinţă, VSHIFT.

Circuit pentru instrumentaţie cu două amplificatoare operaţionale

Figura 10 O sursă simplă sau dublă poate alimenta un circuit de instrumentaţie cu două amplificatoare operaţionale. Curcuitele cu o singură sursă necesită o tensiune centrală de referinţă, VSHIFT.

Circuitul prezentat în figura 10, utilizează două amplificatoare operaţionale. Proiectanţii folosesc amplificatoarele duale pentru o bună adaptare a lăţimii de bandă şi a performanţelor cu temperatura. Acest amplificator de instrumentaţie reduce semnificativ problemele cauzate de nepotrivirea de impedanţă a sursei. Funcţia de transfer a acestui circuit este:

VOUT = (VIN+ – VIN-)(1 + R1/R2 + 2R1/RG) + VSHIFT

Dacă acest circuit are o singură sursă, în mod uzual va necesita ca tensiune de referinţă de nivel, jumătate din tensiunea furnizată de sursa de alimentare. În figura 10, VSHIFT îndeplineşte această funcţie. În cazul sistemelor cu sursă unică, circuitul nu poate gestiona semnale de intrare de 0V şi de mod comun.
Semnalul de referinţă, VSHIFT, este furnizat de unul dintre circuitele din figura 8.

Misiunea transferului între circuite de amplificare cu sursă dublă şi circuite de amplificare cu o singură sursă este destul de simplă. În timpul conversiei, este
important să se aloce atenţie la specificaţiile privind domeniul de mod comun şi oscilaţia de ieşire. Dacă apar încălcări ale specificaţiilor la circuitele cu sursă simplă, adăugarea unei tensiuni de referinţă elimină aceste încălcări, făcând circuitul utilizabil.

de Bonnie C. Baker, Microchip Technology Inc.
www.microchip.com