AMPLIFICADOR OPERACIONAL
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AMPLIFICADOR OPERACIONAL • M. H. Rashid, Microelectronics Circuits - Analysis and Design, PWS Publishing, 1999. Capítulos 6, 15 y 16. Introducción a la Electrónica Introducción • • • • • Amplificador Operacional ideal. Modelo Diferentes tipos de conexionados y características. P á Parámetros reales l de d un Amplificador A lifi d Operacional. O i l Análisis en frecuencia. Aplicaciones típicas típicas. Introducción a la Electrónica ¿Qué es un Amplificador Operacional? • Es un amplificador diferencial de alta ganancia, que está acoplado en continua; p es decir qque amplifica desde DC. vo=Ao vd vd=v+-v104 ≤ Ao ≤ 106 (80 – 120dB) Introducción a la Electrónica Circuito equivalente Introducción a la Electrónica Amplificador Operacional ideal • Características de un Amplificador Operacional ideal: • • • • • • Rin i = infinito Ro = 0 Av = infinito Iin = 0 vd = Vo / Av = 0 Ancho de banda infinito Introducción a la Electrónica Amplificador No In Inversor ersor vS vd vx vS F For v d 0 i1 if ii 0 (1) vx ( 2) x For ii =0, we get Introducción a la Electrónica Amplificador No Inversor For ii =0, we get i1 ( 3) if which gives vx R1 vx vo RF ( 4) Since vx = vS, Eq. Eq (4) becomes vS R1 vs vo RF ( 5) which gives the closed-loop voltage gain as Af vo vS 1 RF R1 ( 6) Introducción a la Electrónica Seguidor de tensión (buffer) For RF = 0 and R1 = infinte, Eq. (6) becomes Af vo vS 1 ( 7) El seguidor de tensión tiene una g elevada impedancia de entrada y una muy baja impedancia de salida Actúa como un adaptador de impedancias entre una fuente con alta impedancia p de salida y una carga g de baja impedancia Introducción a la Electrónica Efecto de la ganancia finita Using Eq. (3), we get i1 vx R1 if vx vo RF ( 8) which gives vx vd R1 vo R1 RF vo Ao ( 9) ( 10 ) Introducción a la Electrónica Efecto de la ganancia finita Using the KVL around the loop I, we get vx vd vS ( 11 ) Substituting vx from Eq. (9) and vd from Eq. (10) into Eq. (11), we get Af vo vS RF 1 1 R1 1 x ( 12 ) which can be simplified to Af vo vS RF 1 ( 1 x) R1 ( 13 ) where x 1 Ao 1 RF R1 ( 14 ) Introducción a la Electrónica Efecto de la ganancia finita R F 395 10 R 1 5 10 A f 1 x ( z ) 3 R F 3.95 10 3 R 1 5 10 RF R1 100 z 5 3 A f 80 RF R1 1 z Ao 1 0.9 Observar dependencia del error con la ganancia 0.8 % Error 0.7 0.6 x ( z) 0.5 04 0.4 0.3 0.2 0.1 0 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 1 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 1 10 z Open-Loop Op-amp Gain Introducción a la Electrónica Ejemplo Diseñe un amplificador no inversor con ganancia Af=100 La frecuencia L fr n i dde ganancia n n i unidad nid d es fu = 106 Hz Sea R1= 5 103 Rf= (Af – 1) R1 Rf = 4.92 4 92 105 fs (max)= fu/ Af ( ) = 1 104 fs(max) Introducción a la Electrónica Amplificador Inversor Using the KCL at the inverting terminal, we get iS if ii ( 15 ) For an ideal op-amp ii = 0 and we get iS if ( 16 ) Introducción a la Electrónica Amplificador Inversor Using the KVL around the loop from the input signal i l source vS to t the th output t t terminal t i l vo, we gett vS R1 iS vd ( 17 ) vd RF if vo ( 18 ) which, for vd = 0, give iS if vS R1 vo RF Introducción a la Electrónica Amplificador Inversor Therefore, for iS = if , we get vS vo R1 RF which hi h gives i th the closed-loop l dl voltage lt gain i Af vo vS RF R1 ( 19 ) Introducción a la Electrónica Inversor con ganancia unitaria By making R1 = RF, we get vo Af 1 (20) vS Th Thus, ffor R1 = RF, the th inverting i ti amplifie lifi becomes an unity gain inverter Introducción a la Electrónica Efectos de la ganancia finita From Eq. q ((17), ), we find iS as vo vS vS vd Ao iS ( 21 ) R1 R1 From Eq Eq. (18) (18), we find vo as vo vo vd RF if vo Ao vd RF iS vo vS Ao R1 RF ( 22 ) Introducción a la Electrónica Efectos de la ganancia finita Solving Eq. (22), we get the closed-loop v gain as Af vo RF 1 (23) vS R1 1 x Since 1/(1+x) can be approximated to as we can simplify Eq. (23) as Af vo RF (1 x) (24) vS R1 where RF x 1 Ao R1 1 (25) Introducción a la Electrónica Efectos de la ganancia finita 1 1 0.9 RF 400 10 3 RF 3.95 10 5 0.8 R1 5 10 3 RF Af R1 R1 5 10 3 0.6 x ( z) 1 z 100 % Error 0.7 x ( z) 0.5 0.4 Af 80 RF R1 0.3 0.2 0.1 z Ao 0 0 1 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 1 10 5 1 z 10 4 4 4 4 4 4 4 4 4 Open-Loop Op-amp Gain Introducción a la Electrónica 5 Ejemplo Diseñe un amplificador p inversor con ganancia Af=100 La frecuencia de ganancia unidad es fu = 106 Hz Sea R1= 5 103 Rf= Af R1 Rf = 5 105 fs (max):= fu/ Af fs(max) = 1 104 Introducción a la Electrónica Estructura interna Opamp Introducción a la Electrónica Estructura interna Opamp Introducción a la Electrónica Opamp LM741 Introducción a la Electrónica Parámetros de un Opamp Introducción a la Electrónica Corriente de polarización de entrada Las magnitudes comunes de las corrientes de polarización son de 10 a 100nA para transistores BJT, y de 1 a 10pA para JFET. Introducción a la Electrónica Corriente de offset de entrada Las corrientes de polarización serán iguales solo si los transistores de entrada tienen betas igual. Sin embargo, incluso transistores en circuitos integrados que, en teoría son idénticos, uno al lado del otro, exhiben diferencias. diferencias Introducción a la Electrónica Voltaje de offset de entrada El voltaje j diferencial qque debe aplicarse p a los terminales de entrada de un amplificador para llevar la salida a cero, se conoce como voltaje de offset de entrada. Introducción a la Electrónica Deriva térmica Ell cambio bi en ell voltaje l j de d offset ff de d entrada d VOS por unidad id d de d cambio bi de d temperatura se conoce como deriva térmica de voltaje. Introducción a la Electrónica Relación de rechazo de modo común (CMRR) Se define como la relación de la ganancia en voltaje diferencial respecto a la ganancia en voltaje en modo común. Valores típicos p son entre 60 y 100dB Introducción a la Electrónica Resistencia de entrada La resistencia de entrada p para una etapa p de entrada FET esta en el intervalo de 109 a 1012 Ω . Sin embargo, Si b para una etapa dde entrada d BJT BJT, lla resistencia i i dde entrada d está normalmente en el intervalo de 100kΩ a 1MΩ. Introducción a la Electrónica Resistencia de salida Usualmente, la etapa de salida es un seguidor de emisor en operación clase Usualmente AB, lo que da una resistencia de salida baja del orden de 40 a 100 Ω. Introducción a la Electrónica Slew rate (SR) Introducción a la Electrónica Aplicaciones • • • • • • • • • • • • • Integrador Inversor D i d Derivador Amplificador de instrumentación Sumador Inversor Sumador no Inversor Fotodetector Conversor Tensión – Corriente Superdiodo Detector de señal más positiva Detector de voltaje pico Rectificador de media onda Rectificador de onda completa Limitador de voltaje Introducción a la Electrónica Integrador Inversor Introducción a la Electrónica Integrador Inversor Introducción a la Electrónica Integrador Inversor práctico En la practica, como consecuencia de sus imperfecciones (por ejemplo, deriva, corriente de offset de entrada), el amplificador operacional produce un voltaje de salida aún si la señal de entrada es cero ((vs=0), ), y el capacitor p se carga g con la ppequeña q corriente qque circula por él hasta que el operacional llega a su saturación. Por eso se conecta un resistor R el capacitor CF. Introducción la Electrónica F en paralelo acon Integrador - ejemplo Introducción a la Electrónica Integrador - ejemplo Introducción a la Electrónica Integrador - ejemplo Introducción a la Electrónica Integrador - formas de onda Introducción a la Electrónica Integrador - esquemático Introducción a la Electrónica Integrador - respuesta en frecuencia Introducción a la Electrónica Derivador Introducción a la Electrónica Derivador El circuito diferenciador sirve para producir pulsos de disparo Introducción a la Electrónica de corta duración para excitar otros circuitos. Derivador práctico Si el voltaje de entrada experimenta un cambio abrupto, p aparece p la señal muy amplificada en la salida, y el circuito se comporta como un amplificador de ruido. Por tanto, en la práctica se suele conectar una pequeña resistencia R1(<RF) en serie con C1 para limitar la ganancia a altas frecuencias. Introducción a la Electrónica Derivador - ejemplo Introducción a la Electrónica Derivador - esquemático Introducción a la Electrónica Derivador – respuesta en frecuencia Introducción a la Electrónica Amplificador de instrumentación Es un amplificador diferencial con una impedancia de entrada extremadamente grande. Tiene una relación de rechazo de modo común g grande lo cual es muy y útil ppara recibir señales ppequeñas q inmersas en voltajes j de offset grandes o en ruido. Por tanto, se utilizan como acondicionadores de señal. Introducción a la Electrónica Sumador no Inversor Introducción a la Electrónica Sumador Inversor Introducción a la Electrónica Convertidor tensión tensión--corriente Introducción a la Electrónica Convertidor 4 4--20mA Introducción a la Electrónica Superdiodo Las aplicaciones tales como detectores de pico, rectificadores de precisión, circuitos comparadores y limitadores requieren funciones no lineales. Sin embargo, por lo general el diodo experimenta una caída de voltaje p j finita (VD) de aproximadamente 0,7V. Introducción a la Electrónica Detector de señal más positiva El diodo que tenga la señal positiva más grande conduce, y dicha señal aparece a la salida del circuito. La fuente de corriente IDC mantiene constante la corriente del diodo, independientemente del valor de la señal de entrada lo que mantiene una caída de voltaje constante en el diodo. Introducción a la Electrónica Detector de voltaje pico Introducción a la Electrónica Rectificador de media onda Introducción a la Electrónica Rectificador de media onda Introducción a la Electrónica Rectificador de media onda Se puede obtener un comportamiento similar invirtiendo los diodos. No se necesita un inversor a la salida. Introducción a la Electrónica Rectificador de onda completa Introducción a la Electrónica Limitadores de voltaje Introducción a la Electrónica Limitadores de voltaje Introducción a la Electrónica Limitadores de transición abrupta La limitación abrupta también se logra conectando dos diodos zener. Los circuitos prácticos exhiben pendientes di finitas fi i después d é de los puntos de corte debido a las resistencias finit de finitas d los l diodos di d zener. z n r Estas pendientes se muestran el la figura (b). Introducción a la Electrónica Comparadores Ganancia real de 3000 a 200000 Tiempo de transicion de 10ns a 1us Introducción a la Electrónica Comparador de Umbral Introducción a la Electrónica Comparador de Umbral Introducción a la Electrónica Comparador de Umbral Introducción a la Electrónica Detector de cruce por cero P bl Problemas de d oscilación il ió en ell cruce por cero sii lla señal ñ l es llenta. Introducción a la Electrónica Disparador Schmitt (Schmitt Trigger Trigger)) Compara una forma de onda regular o irregular con una señal de referencia, y convierte la forma de onda en una onda cuadrada o p pulso. Se conoce como “circuito de conversión a onda cuadrada” o “multivibrador biestable”. Pasará de un estado a otro cuando se le aplica una señal de disparo. Se pueden clasificar en dos tipos: • Disparador de Schmitt inversor • Disparador de Schmitt no inversor Introducción a la Electrónica Schmitt Trigger Inversor MAL !!!! Introducción a la Electrónica Schmitt Trigger No Inversor MAL !!!! Introducción a la Electrónica Schmitt Trigger No Inversor Introducción a la Electrónica Schmitt Trigger con voltaje de referencia Introducción a la Electrónica Efecto de la Hist Histé éresis Si no existiese i i hi histéresis, é i ell voltaje l j dde salida lid conmutará entre sus límites de saturación cuando la señal de entrada cruce por cero. Si la señal es ruidosa, aparecerán sobre la salida múltiples cambios de estado cerca del cruce por cero. Al agregar p g g histéresis, la salida solamente cambiará cuando la señal de entrada exceda los límites de voltaje especificados VLt. Lt y VHt.. Ht La elección de los umbrales es tal que garantice que el nivel de ruido se encuentre dentro de la banda de histéresis histéresis. Introducción a la Electrónica Generador de Onda Cuadrada SSe conecta un RC en realimentación li ió negativa i para obligar al circuito a oscilar entre +Vsat y –Vsat. Este generador se conoce también como “multivibrador libre” o “astable”, debido a qque la salida no tiene ningún g estado estable Introducción a la Electrónica Generador de Onda Triangular SSe puede d obtener b un generador de onda triangular integrando la salida de una onda cuadrada. Introducción a la Electrónica Oscilador controlado por Tensión (VCO) Un oscilador controlado por voltaje produce una frecuencia proporcional a la tensión de entrada Las aplicaciones mas comunes son: - Modulación en frecuencia (FM). • - Generación de tonos. • - Manipulación de corrimiento de frecuencia (FSK –módems-). módems ) Introducción a la Electrónica Oscilador controlado por Tensión Introducción a la Electrónica Timer NE555 Introducción a la Electrónica Monostable Introducción a la Electrónica Astable Introducción a la Electrónica
