Amplificatoare operationale Norton

1. Generalitati

Amplificatorul operational Norton (AO-N) este diferit substantial de amplificatoarele operationale de tensiune prin aceea ca intrarile amplificatorului sunt comandate in curent si nu in tensiune. El s-a nascut din ideea obtinerii unor amplificatoare diferentiale transimpedanta, care sa amplifice o diferenta de curenti si sa o transforme in tensiune. Aceasta presupune impedante de intrare relativ mici si realizarea la intrare a unei inversari in curent. Simbolurile folosite pentru amplificatoarele Norton sunt prezentate in figura 3.45.

Arhitectura interna tipica a unui operational Norton este prezentata in figura 3.46. Spre deosebire de AO, amplificatoarele operationale Norton se alimenteaza de la o sursa de tensiune a carei valoare poate sa varieze tipic intre 4V si 36V. Se observa ca cerintele impuse etajului de intrare sunt rezolvate prin utilizarea unei oglinzi de curent si a unui tranzistor (T₂) in conexiune EC, care preia diferenta curentilor de intrare si o amplifica. Valoarea maxima a curentului necesar pentru polarizarea bazei tranzistorului T₂ este cuprinsa intre 30 nA si 50 nA indiferent de valoarea tensiunii de iesire. Se poate admite ca la functionarea normala, in zona liniara a caracteristicii de transfer si la un nivel de polarizare a intrarilor de ordinul μA, cei doi curenti sunt cu o buna aproximatie egali, , asa cum la un amplificator diferential obisnuit, in zona liniara a caracteristicii de transfer, potentialele celor doua intrari sunt egale. Trebuie observat faptul ca, pentru buna functionare a oglinzii de curent si a amplificatorului de curent T₂, ambii curenti, si , trebuie sa fie pozitivi.

Figura 3.45. Simboluri utilizate pentru amplificatoarele Norton

Figura 3.46. Arhitectura interna tipica AO-Norton

Potentialele celor doua intrari ale AO-N corespund unor jonctiuni deschise, fiind in jur de 0,5V. Pentru o variatie a curentului de doua ordine de marime, variatia tipica a tensiunii de intrare, la temperatura ambianta, nu depaseste 130mV. De aceea, cu o buna aproximatie se pot considera egale potentialele intrarilor, .

In practica, comanda in curent se realizeaza de la surse de tensiune, prin rezistente de valori convenabile. Valorile acestor surse sunt limitate numai de valorile practice maxime pe care le pot lua rezistentele corespunzatoare. Proiectarea optima a circuitelor cu AO-N se realizeaza pentru o valoare tipica a curentilor de intrare de 10μA, dar gama curentilor de intrare poate creste pana la 20 mA.

In general pentru un AO-N se pot defini aceiasi parametri pentru iesire ca si pentru un AO de tensiune. Mai mult, valorile tipice ale acestora sunt aproximativ aceleasi ca la un AO realizat in aceiasi tehnologie, care ar fi alimentat de la o singura sursa de alimentare. Pe intrare parametrii sunt definiti in acelasi mod cu deosebirea ca sunt adaptati pentru semnale de intrare de tip curent. Vom avea astfel: gama curentilor de intrare, curentii de polarizare, curentul de intrare de decalaj , deriva termica a curentului de intrare de decalaj, tensiunea de intrare de decalaj V_ID, deriva termica a tensiunii de intrare de decalaj, impedantele de intrare de mod diferential, impedantele de intrare de mod comun si factorul de rejectie al modului comun, factorul de rejectie al sursei de alimentare. Alti parametri ce caracterizeaza functionarea OTA sunt: amplificarea in bucla deschisa, frecventa de raspuns maxima, gama dinamica a OTA, timpul de raspuns, viteza de variatie a tensiunii de iesire etc. Amplificarea diferentiala transimpedanta in bucla deschisa a AO-N depinde de alimentare si de sarcina si este de ordinul 10⁷÷10⁹ V/A pentru o tensiune de alimentare de 15 V. Banda de frecvente a acestui operational este mai mare ca cea a unui AO, frecventa limita superioara avand valoarea cuprinsa intre 1 kHz si 10 kHz, functie de valoarea sarcinii.

O comparatie calitativa intre AO-N si AO este prezentata in tabelul 3.1.

Polarizarea amplificatorului operational Norton

Spre deosebire de amplificatoarele operationale de tensiune, la amplificatoarele operationale Norton este suficienta polarizarea intrarii inversoare cu un curent putin mai mic decat curentul de baza al tranzistorului T₂ (vezi figura 3.46) pentru a se putea exploata intregul domeniu al tensiunii de iesire. Intrarea neinversoare poate fi lasata in gol sau legata la masa in scopul reducerii zgomotelor.

In cazul amplificatoarelor de curent alternativ, datorita faptului ca tensiunea de iesire trebuie sa varieze simetric in jurul unui potential fix, este necesara polarizarea intrarii neinversoare cu un curent care sa asigure centrarea caracteristicii de transfer sau sa asigure posibilitatea variatiei curentului in cazul in care AO-N este utilizat in configuratie neinversoare. Valoarea tipica recomandata pentru curentii de polarizare este de 10 μA.

2. Amplificatoare de curent alternativ cu AO-N

2.1. Amplificatorul inversor

In figura 3.47.a este prezentata schema unui amplificator inversor de curent alternativ cu AO-N. Capacitoarele C₁ si C₂ asigura blocarea componentei de curent continuu a sursei de semnal, respectiv a tensiunii de iesire din AO-N. Asigurarea nivelului de c.c. necesar unei excursii simetrice a semnalului de iesire se realizeaza prin polarizarea intrarii neinversoare cu un curent continuu de valoare adecvata. Stabilirea valorii necesare a rezistentei R₃ necesita o analiza de c.c. a circuitului.

Tabelul 3.1. Comparatie calitativa intre AO-N si AO

Figura 3.47. (a) Amplificator inversor de c.a. cu AO-N. (b) Schema echivalenta in curent continuu. (c) Schema echivalenta in curent alternativ

Analiza in c.c.

In figura 3.47.b este prezentata schema echivalenta de c.c. a circuitului inversor. Expresiile curentilor de intrare in AO-N sunt:

                             (3.126)

                            (3.127)

Pentru o excursie maxima a tensiunii alternative, potentialul de c.c. al iesirii AO-N trebuie sa fie la jumatatea tensiunii de alimentare V:

                                                                             (3.128)

Valoarea optima a curentului de intrare este de μA, obtinand astfel din (3.126) valoarea necesara pentru rezistenta R₃:

                                             (3.129)

Datorita reactiei negative, curentii pe cele doua intrari pot fi considerati cu o buna aproximatie egali, obtinand astfel din relatiile (3.126), (3.127) si (3.128) urmatoarea conditie:

                                     (3.130)

Analiza in c.a.

Pentru analiza in curent alternativ a circuitului se foloseste schema echivalenta prezentata in figura 3.47.c. Componentele alternative ale curentilor de intrare sunt:

(3.131)

Din conditia de egalitate a celor doi curenti obtinem:

                                 (3.132)

O alta varianta de polarizare a AO-N, prezentata in figura 3.48, este asa numita polarizare "nV_BE", care p

ermite stabilirea potentialului static al iesirii independent de tensiunea de alimentare. Analiza in curent continuu a circuitului furnizeaza urmatoarele relatii:

                                               (3.133)

In regim dinamic circuitul este caracterizat de urmatoarele relatii:       

        (3.134)

Atunci cand este necesara o impedanta de intrare mare si totodata o amplificare de tensiune mare poate fi folosita configuratia din figura 3.49.

Avantajele prezentate de aceasta schema sunt:

elimina zgomotele parazite provenite de la sursa prin utilizarea unei referinte de tensiune;

(2) posibilitatea fixarii independente a amplificarii si a polarizarii.

Analiza in c.c. releva faptul ca pentru o tensiune de referinta egala cu jumatate din tensiunea de alimentare, in scopul obtinerii unei excursii maxime la iesire, trebuie indeplinita conditia: 

                               (3.135)

In regim dinamic, egalitatea intre componentele alternative ale curentilor de intrare conduce la urmatoarele relatii:

   (3.136)

2.2. Amplificatorul neinversor

Schema unui amplificator neinversor cu AO-N este prezentata in figura 3.50. In urma analizei in curent continuu se deduc conditiile pe care trebuie sa le indeplineasca rezistentele circuitului pentru o buna functionare a acestuia:

                                             (3.137)

In regim dinamic, expresiile curentilor de intrare sunt:

                                     (3.138)

                                                                          (3.139)

Din egalitatea celor doi curenti rezulta expresia amplificarii in tensiune:

                                                                        (3.140)

3. Amplificatoare de curent continuu cu AO-N

In scopul realizarii cu AO-N a unui amplificator de curent continuu trebuie rezolvate urmatoarele probleme:

(1) circuitul trebuie sa accepte la intrare tensiuni nule si, eventual, chiar negative;

(2) circuitul trebuie sa asigure la iesire tensiuni nule ;

(3) circuitul trebuie sa prezinte la intrare o tensiune de decalaj cat mai mica.

Schema unui amplificator care indeplineste aceste cerinte este prezentat in figura 3.51. Prezenta retelei rezistive R₃, R₄ si P asigura indeplinirea conditiilor (1) si (3), iar intercalarea diodei D intre iesirea AO-N si iesirea circuitului permite atingerea unor tensiuni apropiate de 0 V. Exista insa o valoare minima, nenula, a tensiunii de iesire  care se raporteaza la intrare ca o tensiune de decalaj. Anularea acesteia se poate face cu potentiometrul P.

Figura 3.51.
Amplificator neinversor de c.c. cu AO-N

Expresiile curentilor de intrare in operational sunt:

                                 (3.141)

                          (3.142)

Alegand

,  si , (3.143)

expresia amplificarii in tensiune, obtinuta prin egalarea celor doi curenti, va fi:

                                                          (3.144)

Pentru ca centrarea celor doi curenti de intrare in AO-N sa fie pe valoarea optima de μA trebuie ca

                                                (3.145)

Se poate obtine un amplificator diferential prin deconectarea rezistentei R₂ de la masa si conectarea acesteia la o sursa de semnal. Pentru a obtine performante bune din punct de vedere a rejectiei modului comun, imperecherea rezistentelor in conformitate cu (3.143) trebuie sa fie cat mai buna.

4. Integrator cu AO-N

Schema unui integrator cu resetare este prezentata in figura 3.52. Atata timp cat tensiunea V_R este nula sau negativa, circuitul functioneaza normal, ca integrator. Expresiile ce caracterizeaza functionarea circuitului in acest caz sunt:

                                        (3.146)

     (3.147)

In momentul in care tensiunea V_R devine pozitiva si indeplineste conditiile:

(3.148)

tensiunea la iesirea AO-N devine egala cu valoarea minima de aproximativ 0,1V.

Pentru foarte multe aplicatii ale acestui circuit curentul de polarizare I_B constituie o sursa de eroare neacceptabila. Compensarea acestei surse de eroare se poate face cu circuitul prezentat in figura 3.53, realizat cu AO-N implementate pe aceeasi pastila de siliciu [MAN83]. Cel de-al doilea operational isi asigura propriul curent de polarizare prin rezistenta R, modificandu-si tensiunea de iesire. Curentul de compensare I_B1 va fi identic cu cel de polarizare al celui de-al doilea operational.

3. Circuit de derivare cu AO-N

Schema de principiu a unui circuit de derivare inversor cu AO-N este prezentata in figura 3.54. Relatiile ce caracterizeaza functionarea circuitului sunt urmatoarele:

              (3.149)

Se poate realiza cu usurinta si un circuit de derivare neinversor prin inlaturarea ramurii cu sursa de semnal si capacitorul C de la borna inversoare si legarea ei la borna neinversoare.