Temario Tema 5. El amplificador operacional real OBJETIVOS DEL

Temario
Tema 5. El amplificador operacional real
Tema
Teo.
Pro.
1. Amplificación
2h
1h
2. Realimentación
2.5h
1.5h
3. Amplificador operacional (AO) y sus etapas lineales
7h
4h
4. Comparadores y generadores de onda
7h
4h
5. El amplificador operacional real
3h
2h
3.5h
1.5h
25
14
6. Fuentes de alimentación
Horas totales:
●
Introducción: UA741 vs Amplificador ideal (Av Ri, Ro, BW)
●
Errores asociados a la entrada del amplificador
❏
❏
❏
❏
●
Universidad de Zaragoza, IEC.
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OBJETIVOS DEL TEMA
●
Slew rate
Ancho de banda y tiempo de respuesta
Error de ganancia
Limitación de intensidad de salida:(IO)máx
Distorsión de cruce por cero y Ro
Manejo de cargas capacitivas
Otras no idealidades: Rangos de entradas y salida
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Introducción
Una vez estudiado este tema deberá:
❏
❏
❏
❏
❏
Errores asociados a la salida del amplificador
❏
❏
❏
❏
❏
❏
●
Impedancia de entrada.
Corrientes por las entradas.
Tensión de offset (VIO)
Rechazo al modo común (CMRR) y a la alimentación (PSRR)
●
Conocer las ventajas e inconvenientes de los AO.
Conocer los errores asociados a la entrada del amplificador
Conocer los errores asociados a la salida del amplificador
Saber corregir los errores asociados a la salida del amplificador.
Saber corregir los errores asociados a la entrada del amplificador.
El más común de los amplificadores diferenciales es el amplificador
operacional (AO).
Entrada no inversora
●
Un AO ideal verifica las ecuaciones:
− VCC ≤ vO ≤ +VCC
+VCC
v+
Salida
vO
v-
vO = Av ( v + − v − )
Entrada inversora
-VCC
∞
●
¿Por qué son útiles los amplificadores operacionales?
❏ Son muy fáciles de utilizar.
❏ Permiten diseñar bloques analógicos simples y poco sensibles a los
componentes.
❏ Permiten realizar bloques complejos con pocos componentes.
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Introducción
●
Amplificador operacional real
Modelo simplificado del AO real:
●
vO
+VCC
❏ AO de propósito general
❏ Hay AO de mejores
prestaciones
saturación
+VCC
v+
Ro
Ri
Vamos a estudiar el uA741:
v+ - v-
vO
saturación
v-
zona lineal
AV ⋅ ( v + − v − )
-VCC
-VCC
●
Diferencias básicas entre AO ideal y AO real (uA741):
❏ AO ideal
❏ uA741
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AV
∞
2⋅105
Ri
∞
2MΩ
Ro
0
75Ω
BW
∞
10Hz
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Salida hasta:
alimentaciones
≅2V por debajo de alim.
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uA741 vs. amplificador ideal de tensión
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Influencia del BW no infinito
●
El producto de la ganancia por el ancho de banda es constante.
❏ La frecuencia de transición (fT) es la que corresponde a ganancia unidad.
AV ⋅ BW = AV' ⋅ BW ' = 1 ⋅ f T
●
●
Los valores MIN, TYP y MAX de los parámetros reflejan la
dispersión de fabricación.
El AO real se separa del amplificador ideal
de tensión:
❏ La realimentación negativa reduce la influencia
de AV, Ri y Ro
• mientras la ganancia de la etapa realimentada
sea mucho menor que AV.
❏ La realimentación negativa nos aumenta el BW
utilizable.
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Ideal
uA741
AV
∞
≈ 2⋅105
Ri
∞
≈ 2MΩ
Ro
0
≈ 75Ω
BW
∞
≈ 10Hz
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BW (Hz)
1.000.000
100.000
10.000
1.000
100
10
●
Av
1,0
10,0
100,0
1.000,0
10.000,0
100.000,0
La ganancia máxima de una etapa depende del BW deseado.
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Errores asociados a la entrada del amplificador
●
Impedancia de entrada.
●
Corrientes por las entradas.
●
Tensión de offset (VIO)
●
Rechazo al modo común (CMRR)
●
Rechazo a la alimentación (PSRR)
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Corrientes por las entradas
●
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Corrientes de polarización en las entradas
Por las entradas del AO circula una pequeña corriente
I polarizacion entrada = I IB =
I B1 + I B 2
2
IB1
I o ffset entrada = I IO = I B 1 − I B 2
• Para el OP07:
• Para el uA741:
●
Impedancia de entrada
IIB=1.8nA
IIB=80nA
Efecto de IIB:
❏ Error en
continua.
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IIO=0.8nA
IIO=20nA
R2
R1
vI
I2
I1 IIB
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vO = 0V
IB2
v O = − R 2 I 2 = − R 2 ( I 1 − I IB )
vO
vO = −
R2
v I + R 2 I IB
R1
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Tensión offset de entrada
Tensión offset de entrada (VIO)
Tensión offset de
entrada
VIO
●
Produce un error en continua cuyo
efecto es equivalente a:
ideal
●
●
❏ A. O. de precisión: decenas de µV.
❏ A. O. normales: 2 - 5 mV.
❏ Aunque se puede compensar, elegir A. O. de bajo offset porque:
• Menor deriva de temperatura.
• Se ahorra el trimmer.
• El ajuste empeora la deriva de temperatura y el CMRR
❏ Mejor bipolares.
• Menos deriva de temperatura
• Menos ruido
• Pero tienen mayor I b
❏ Conviene evitar el calentamiento con cargas >10K
❏ Seleccionar: FET para bajas corrientes de entrada y corriente de ruido y
Bipolares para bajo voltaje de entrada y voltaje de ruido
vO=0V
Para la compensación se pueden usar
circuitos como el siguiente (hoja de
características del fabricante)
vO
VIO
●
Se ha de compensar si la señal es DC
y del orden del VIO
❏ Con AV=100 ⇒ VO = 100⋅2mV =
0.2V de offset en salida.
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Corriente de polarización
●
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Otras fuentes de error: CMRR y PSRR
Hay que tener en cuenta que:
●
– crece exponencialmente con T
– puede depender del voltaje
CM RR = 20 log ρ = 20 log
●
• V IO es grande
• ∆V IO /∆T es + y grande.
❏ Bipolar minoritarios,
• Ib grande
• V IO es pequeño
• ∆V IO /∆T es - y pequeño.
CMRR (Common Mode Rejection Ratio)
❏ Un valor típico es 90dB
❏ Disminuye con la frecuencia
❏ En una etapa no inversora 1nA en 1k produce un error de 1µV
❏ FET mayoritarios,
• Ib pequeña pero
●
En general
Ad
Ac
PSRR (Power Supply Rejection Ratio)
❏ Un valor típico es 30µV/V. ¿Cuántos dB supone?
∆ V IO  µ V 
PSRR =


∆ VCC  V 
Se compensa haciendo R + =R ❏ Sólo si la impedancia de la fuente es despreciable
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Errores asociados a la salida del amplificador
●
Slew rate
●
Ancho de banda y tiempo de respuesta
●
Error de ganancia
●
Limitación de intensidad de salida:(IO)máx
●
Distorsión de cruce por cero y Ro
●
Manejo de cargas capacitivas
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Ancho de banda y tiempo de respuesta
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Slew rate
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Error de ganancia
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Limitación de intensidad de salida:(IO)máx
●
Distorsión de cruce por cero y R of
Los AO tienen limitada la corriente de salida que pueden suministrar
●
❏ Un valor típico es de (IO)máx ≅ 20mA
❏ P. ej., para alcanzar una vO de ±10V con RL = 100Ω:
10 V
= 100 mA > ( I O ) max ⇒ v O = 20 mA ⋅ 100 Ω = 2 V
100 Ω
• La máxima carga que puede alimentar es:
10 V
= 500 Ω
20 mA
R2
R1
vI
• Se suelen conectar cargas de más de 1K.
❏ Si se necesita más intensidad se puede utilizar la etapa clase B:
❏ Si no está protegido contra c.c. una IO > (IO)máx puede destruir el AO:
• por ejemplo por conectar una carga capacitiva
❏ Se deriva de la limitación de SR al pasar de -V be a +V be en
el cruce por cero
❏ Más importante a f alta
❏ Aumenta la DHT (Distorsión Armónica Total)
❏ Es conveniente elegir AO de clase AB con DHT muy baja y bajo ruido
• LT1028, LT1037, LM833 (0.002%)
+VCC
vO
-VCC
●
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Manejo de cargas capacitivas
La impedancia de salida puede no ser despreciable
❏ Aunque la realimentación la reduce a R of =R o /AB puede no ser suficiente.
❏ En especial para f alta cuando A se reduce
❏ R of Puede alcanzar más de 100Ω
●
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Aparece en AO con salida en clase B
La I omáx también puede limitar la capacidad de la realimentación de
reducir la R of.
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Otras no idealidades: Rangos de entradas y salida
●
Las entradas han de estar dentro de un rango
❏ Con una alimentación de ±10V
❏ Las entradas han de estar entre ±7V
❏ Algunos permiten funcionamiento unipolar
• Alimentados entre +Vcc y 0V, las
entradas pueden llegar a 0V, e incluso
bajar algunos milivoltios.
●
Las salidas no suelen alcanzar las
alimentaciones
❏ Con una alimentación de ±10V, las salidas
no superarán ±5.5V.
❏ Algunos AO son rail-to-rail
• Las salidas pueden alcanzar ±VCC
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Resumen AO real (741)
●
AO real vs. amplificador ideal de tensión
❏ fT = AV⋅BW ≅ 1MHz
●
Efectos en salida:
Errores asociados a la salida
❏ |vO| máx ≅ VCC - 2V
❏ (IO)máx ≅ 20mA
❏ SR ≅ 0.5V/µs
●
Recorte
Distorsión, ruido
Errores asociados a la entrada
❏
❏
❏
❏
VIO ≅ 5mV
IIB ≅ 100nA , IIO << IIB
CMRR y PSRR
Rango de tensiones de entrada
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Error de contínua
Destrucción
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