6. Amplificadores Operacionales Amplificadores Operacionales

29/11/2012
6. Amplificadores Operacionales
F. Hugo Ramírez Leyva
Cubículo 3
Instituto de Electrónica y Mecatrónica
[email protected]
Octubre 2012
1
Amplificadores Operacionales
El A.O. ideal tiene:
Ganancia infinita
Impedancia de entrada Infinita
Como la impedancia de entrada es infinita
también se dice que las corrientes de entrada
son cero.
Ancho de banda también infinito
Impedancia de salida nula
Tiempo de respuesta nulo
Ningún ruido.
2
1
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Amplificador Operacional 741
-12
Voltaje Negativo
Es el más popular.
U2
2
Se consigue fácilmente
alimentarse
Tiene 8 terminales
El Offset se ajusta con un
potenciómetro entre las terminales 1 y
5.
Producto ganancia ancho de banda de
0.9MHz
6
3
Entrada positiva
Salida
UA741
+12
Utiliza 2 fuentes de voltaje para
4
1
5
Entrada negativa
7
Es barato
Voltaje Positivo
3
Amplificador Operacional TL084
Bajo consumo de energía
Protección contra cortos circuitos
Alta impedancia de entrada
(entradas JFET)
Alto slew Rate o ancho de banda
(13 V/us)
Rangos de voltaje de +18V
Tiene 4 OPAM en un solo CI.
4
2
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TL084
5
Conexión en Proteus del TL084
6
3
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Configuraciones con operacionales
Amplificador
No inversor
Inversor
Seguidor
Restador
Instrumentación
Sumador
Filtros
Pasa altas
Pasa bajas
Pasa banda
Rechaza banda
Comparadores
Simples
Con Histéresis
Temporizadores
Monoestable
Astable
Rectificadores
De ½ onda y onda completa
Integrador y Diferenciador
7
Amplificador Inversor
RF
El voltaje Ed entre + y – es
-12
5k
RI
U1
4
1
5
1k
2
6
3
1V
+1.00
7
V3
UA741
Volts
-4.99
Volts
+12
cero cuando Vo no está
saturado.
La corriente requerida por
las terminales + y – es
despreciable.
La ganancia de voltaje es
negativa
La impedancia de entrada
es baja (igual a R1)
Ii = I F + I A
VO = -
RF
Ei
Ri
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8
4
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Amplificador no inversor
RF1
La ganancia es positiva
5k
RI1
1k
4
1
5
U2
2
6
7
3
V4
+1.00
UA741
1V
+6.01
Volts
Volts
+12
es alta.
Con 2 resistencias se
controla la ganancia.
Haciendo el mismo análisis
para este amplificador la
ganancia esta dada por:
-12
La impedancia de entrada
ALC =
VO RF
=
+1
Ei
Ri
9
Seguidor de Voltaje
4
1
5
U2
2
6
EI
+1.00
7
3
UA741
1V
+1.00
Volts
Volts
+12
(>1MΩ)
Ganancia de voltaja Av=1.
Es usado para cambiar la
impedancia de salida a un
voltaje de referencia.
-12
Impedancia de entrada alta
VO = Ei
10
5
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Amplificador diferencial
Sirve para restar 2
señales.
Tiene baja impedancia e
entrada.
Si todas las resistencias
son iguales R, el voltaje a
la salida es:
R1
RF
10k
10k
-12
E1
+1.00
1V
Volts
4
1
5
U2
2
R2
6
3
7
10k
E2
+1.00
+0.00
UA741
R3
1V
Volts
10k
+12
Volts
VO = E2 - E1
Sumador
Sirva para sumar 2 señales.
+12
11
RF
El voltaje de salida es
10k
negativos
Puede tener o no ganancia
La impedancia de entrada
es baja (igual a R1 y R2)
-12
V1
12V
4
1
5
U1
R2
10k
V2
12V
V2
R1
2
6
3
7
V1
Vo
UA741
-12
+12
10k
12
6
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Comparadores con OPAMS
En los comparadores
“normales” la salida no
cambia con mucha
velocidad.
El voltaje de salida no es
mayor al Vcc y el
negativo no es menor a –
Vcc
13
Comparadores con OPAMS
14
7
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Comparadores con OPAMS
Si hay ruido en la señal de entrada genera disparos en falso
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LM311
El LM311 es un circuito comparador.
Su salida es a transistor.
Puede tener varios voltajes de salida (diferentes a la
alimentación)
Esta diseñado para este fin
16
8
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LM311
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R2
10k
-12
para cuando
una señal
senoidal pasa
del ciclo
positivo al
negativo.
V1
12V
4
1
5
U1
2
+
A
6
3
AM
FM
+88.8
B
7
Es utilizado
+12
Detector de cruce por cero
Volts
UA741
+88.8
Volts
V2
C
D
-12
-12
+12
12V
4
1
5
U2
2
6
7
3
UA741
+88.8
+12
Volts
18
9
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Detector de cruce por cero
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-12
+12
Comparador con una referencia de
voltaje (Vref)
V1
12V
4
1
5
U1
2
+
6
3
B
C
7
AM
FM
A
UA741
V3
12V
1V
D
-12
+12
V2
20
10
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Comparador con una referencia de
voltaje (Vref)
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Comparador con salida a transistor
LM11
La salida es controlada por un
+12
+12
V1
12V
8
1
U1
U1(OP)
V5(+)
2
U1(-IP)
3
V5
7
VSINE
4
5
6
5V
1k
V2
12V
LM111
V4
1v
-12V
V3
R1
-12
transistor.
Tien la ventaja de que puede
conmutar cargas más grandes
Permite manejar diferentes
niveles de voltaje a la salida
El LM111 se pude alimentar
con una o 2 fuentes de voltaje.
Cuando el voltaje en + es
mayor que en – el transistor
se satura (conduce).
22
11
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Comparador con salida a transistor
LM11
R10
10k
U1
4
1
5
+12
D1
2
6
3
DIODE
R1
10k
LED1
7
Voltímetro de
columna luminosa
-12
+1
23
100%
-12 +12
RV2
10k
R12
U2
4
1
5
10k
D2
2
6
3
R2
10k
LED2
7
DIODE
LED-BIRY
UA741
-12 +12
V1
12V
R13
U3
4
1
5
10k
D3
2
6
V2
3
DIODE
R3
10k
LED3
7
12V
LED-BIRY
-12 +12
UA741
-12
se puede realizar un
multímetro con
LED’s.
También este diseño
es usado para el
desplegado gráfico
de los ecualizadores.
10k
+12
Con comparadores
LED-BIRY
UA741
R11
R14
U4
4
1
5
10k
D4
2
6
3
7
DIODE
24
R4
10k
LED4
LED-BIRY
12
UA741
12
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Comparador con Histéresis
Usando retroalimentación positiva se genera Histéresis y con
ella esto se evitan disparos en falsos
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Retroalimentación positiva
26
13
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Análisis
Cuando la salida Vo=+Vsat
Cuando la salida Vo=-Vsat
27
Ejemplo
Sea un comparador con R1=2kΩ y R200kΩ. El voltaje
de saturación es de +12V y -12V.
Al aplicar las ecuaciones se obtiene que:
VLT =
R2
(- Vsat )= - 0.118V
R1 + R2
VUT =
R2
(Vsat )= 0.118V
R1 + R2
Se simuló el circuito en Orcad y se obtuvo que VLT= -
0.116 y VUT= 0.114V
28
14
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Ejemplo
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Comparador con Histéresis
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15
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Detector no inversor de Nivel de voltaje
con histéresis
Voltaje de umbral superior
Voltaje de umbral inferior
Voltaje central
31
Ejemplo
Analizar el circuito
Vee
4
Vcc
V1
-
U1
V-
2
V3
2Vdc
OS1
3
+
V+
OUT
12Vdc
OS2
1
6
5
Vout
V
uA741
0
7
de la figura
VLT=9V
VUT=-3V
VH=12V
Vcc
V2
12Vdc
0
Vin
R3
R4
50k
100k
V
Vee
VOFF = 0
VAMPL = 5
FREQ = 1kHz
Vs
0
32
16
29/11/2012
Ejemplo
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Temporizador con un OPAM
Si se pone un circuito
RC retroalimentado
en la entrada negativa
se consigue un
temporizador
La frecuencia de
oscilación es función
de la constante τ=RC
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17
29/11/2012
Temporizador con un OPAM
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Circuito Acondicionador de Señales
(CAS)
Hay ocasiones en las que se necesita generar una
ecuación de línea recta en función del voltaje de entrada
La ecuación de salida es del tipo lineal y=mx+b
Donde x es el voltaje de entrada
y el voltaje de salida
b el nivel de offset
El circuito que genera esta ecuación es:
1
Y
10
11
m
Add
Display
1
b
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18
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Circuito Acondicionador de Señales
El circuito acondicionador
de señales (CAS) se
comporta como una línea
recta
y = mx + b
Se usa para acondicionar
los niveles de voltaje de
un sensor:
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Ejemplo Diseñar el circuito que genera el voltaje de la figura:
y=5x+1
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Diseño de un CAS
Diseñar un circuito de acondicionamiento de señales
para que mida temperaturas en el rango de 0 a 50°C. El
Margen de voltajes a la salida es de 0 a 5V. Se desea que
la salida del CAS sea lineal, es decir, cuando la
temperatura sea 0°C la salida del CAS sea 0V; cuando el
sensor tenga 50°C la salida del CAS sea de 5V.
Solución
El sensor de temperatura a usar es el LM335
Suministra un voltaje en función de los °K
Su ecuación de salida es 10mV/°K
Trabaja en el rango de -10 a 100°C
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Diseño de un CAS
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Diseño de un CAS
Se necesita diseñar un circuito que cuando se tenga un voltaje
de 2.73V a la salida se tenga 0V; cuando la entrada sea de
3.23V la salida sea de 5V.
Con estos datos, la ecuación del CAS es:
Modelado a bloques
OP : ADD
V3(+)
V=3.23
V3
K1
K1(OUT)
V=-3.23
K
K=-1.0
K2
K2(OUT)
V=32.3
K
R1(1)
V=5
K=-10
R1
3.23V
10k
K3
K3(OUT)
V=-27.3
K
V4
K=-2.275
12V
41
Diseño de un CAS
R6
10k
100k
V5(+)
V=3.23
-12
-12
R4(1)
V=-3.22693
R3
U1
10k
2
6
R5
7
U1(OP)
V=4.98784
3
7
3
V5
3.23V
2
6
+12
V=12
10k
4
1
5
R4
4
1
5
U2
R2
UA741
UA741
+12
+12
+12
43.95k
42
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Filtros
Los filtros son circuitos que permiten
el paso de una determinada frecuencia
mientras atenúan todas las señales que
no están dentro de esa banda.
Existen 5 tipos de filtros:
Pasa bajas, Pasa altas, Pasa banda,
rechaza banda y pasa todo.
La frecuencia de corte fc se conoce
como frecuencia 0.7071 o frecuencia
de -3dB, o frecuencia de ruptura
43
Filtro pasa bajas Butterworth
C2
+12
20n
V1
12Vdc
R3
1.5k
V2
-12
12Vdc
750
1
Vopam
V
750
C1
10n
0
+
V+
3
1Vac
0Vdc
TL084
OUT
R2
0
4
R1
-
V-
2
V3
U1A
11
0
-12
+12
44
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Procedimiento de diseño del filtro pasa
bajas Butterworth
El filtro de Butterworth
Definir la frecuencia
es uno de los filtros
electrónicos más básicos,
diseñado para producir la
respuesta más plana que sea
posible hasta la frecuencia de
corte.
La salida se mantiene
constante casi hasta la
frecuencia de corte, luego
disminuye a razón de 20n dB
por década
de corte
Definir C1; elegir
un valor
comprendido entre
100pF y 0.1 uF
Definir C2=2C1
Calcular
Definir
45
Filtro Butterworth pasa altas
R2
+12
750
V1
12Vdc
R3
1.5k
V2
-12
12Vdc
V3
1.5k
H (s ) =
1
Vopam
V
10n
R1
0
+
V+
3
10n
TL084
OUT
C2
4
C1
-
V-
2
1Vac
0Vdc
U1A
11
0
-12
+12
0
s2
s2
=
2
2
1 + j  1 − j 

s +
s+
s +
 s +

RC
(RC )2  RC  RC 
2
46
23
29/11/2012
Procedimiento de diseño del filtro pasa
altas Butterworth
Definir la frecuencia de
corte wc o fc
Definir C1=C2=C
adecuado
Calcular R1 mediante
Hacer
Para reducir al mínimo el
desvió, hacer:
47
Referencias de Voltaje
Las referencias de voltaje
integradas se utilizan
cuando se requiere un
voltaje muy preciso.
Para definir el voltaje de
referencia de un
convertidor
Mantienen el voltaje ante
variaciones de temperatura
El CI REF02 proporciona
un voltaje de +5V
48
24