A ná lisisdeO ¤setenA mpli…cadoresO peracionales

1
A ná lisis deO ¤ setenA mpli…cadores O peracionales
J. I. H uircá n
A bstract— Elefectodelo¤ setodesplazamientoenlasalida
de los A O es debido alV io , I B e I io , los cuales tienen distintas ponderaciones en el error de corriente continua. P ara
evaluareste errorse deben anularlas componentes de señal
(v ó i) y calcularelvoltaje de salida. P ara anulareste error
se recurre acircuitos externos basados en un potenciómetro
y divisores de voltaje, que mediante eluso de las fuentes de
alimentación generan un voltaje opuesto alo¤ set.
Keywords— O ¤ setA mp O p, Errores enCorrienteContinua
Conelterminaldeentradaconectadoatierra, deacuer¡
doalaFig. 1b, elefectodeI
asalidaserá
B en l
vos ¡v¡ 0 ¡v+
+
Rf
Ra
v+
¡
= I
B
(4)
= v¡ = 0
(5)
A sí
I. Introduction
¡
vos = I
B Rf
L os errores decorrientecontinuason muy comúnes en los
A O , éstos resultan muy perjudiciales cuandose trabaja a
alta ganancia. Este errorconsiste en un voltaje continuo
(llamadovoltajedeo¤ setodesplazamiento) elcualsesuma
alacomponentedeseñal, ypodríasaturarelcircuitoenla
salidasi es muygrande.
En método má s común para corregir este o¤ set producidoenlasalida, es colocarunresistor(R 1 ) enelterminalnoinversor. Elvalorde este resistores igualalvalor
delaresistenciaequivalentetotalconectadaalterminalinversor, deacuerdoalaFig. 2.
(6
)
Rf
II. Compensación de O ffset
Ra
Elvoltaje de desplazamiento(o¤ setvoltage) en la salida,
vos, es productode tres fuentes: I
B , I
io; V io. Elproceso
decompensación consisteen anularesteerrordecorriente
continua y para realizarésto se deben evaluarlos efectos
deI
B yV io.
_
vo
+
R1
_
IB
IB+
Fig. 2. A nulación delEfecto de I B¡ :
A . In‡uencia de I
B
Considerandoelampli…cadorinversordelaFig. 1a, sin
¡
excitación, lacorrienteI
B ‡uyedesdelaentradainversora
hacialasalidaatravés delaresistenciaderealimentación
R f, planteandolaecuación en elnudov¡ setiene
vos ¡v¡
Rf
¡
= I
B
Evaluandoelo¤ setsetiene
0 ¡v¡ vos ¡v+
+
Ra
Rf
v+
R1
v+
(1)
v¡ = 0
(2)
¡
= I
B
(7 )
+
= ¡I
B
(8)
= v¡
(9 )
A sísetieneque
A sí
¡
vos = I
B Rf
(3)
Rf
R
Rf
R
a
_
IB
_
a
vo
+
_
IB
_
IB
(a)
¶
Rf
+
+ 1 R1I
= R
B
Ra
µ
¶
Rf+ Ra
¡
+
= R fI
R1I
B ¡
B
Ra
(10)
(11)
R R
_
vo
+
vos
µ
¡
fI
B ¡
(b)
Fig. 1. (a) Efectode I B¡ sin excitación. (b) T erminala tierra.
D ocumento preparado en la U niversidad de L a Frontera, para la
asignatura Circuitos Electrónicos II. V er. 1.0
O bservequesi R 1 = R ajjR f = R aa+ Rff , setieneque
¡
+
vos = R fI
B ¡R f I
B
¡
I
B
+
I
B ,
(12)
Suponiendoque I
=
elvoltaje desarrollado
B =
porlaresistenciaR 1 , es igualperoopuestoaldesarrollado
porlacombinacióndelas resistencias R a ¡R f, …nalmente
estos voltajes secancelan. Evidentementesi las corrientes
nosoniguales sóloseatenuaríaelo¤ setdebidoaestacomponente.
2
V
io
B . In‡uencia de V io
L a segunda fuente permanente de O ¤ set, es debido al
V io, elque puede ser representado por una batería en el
terminalnoinversor(oinversor).
I
B
v
i
vo
Amp. Op.
v
x
Rf
Ra
+
Vio
Fig. 4. V ariables involucradas en elo¤ set.
_
vos
+
efectodelo¤ setperoconsignocontrario, seríaposiblecompensarelerrordecorrientecontinua.
Comoelvalordelo¤ setes distintoparacadaA O ypara
cadacon…guración, vx debeserunafuentedevoltajecontínuavariable, lacualpuedetomarvalores positivos ynegativos. Estoseindicaen laFig. 5.
Fig. 3. Efectode V io .
Elvoltajeo¤ setdesalidasedetermina
0 ¡(V io ¡v¡) vos ¡(V io ¡v¡)
+
= 0
Ra
Rf
v+
V
io
I
B
(13)
v
i
= v¡ = 0 (14)
vo
Amp. Op.
v
x
A sí
µ
Rf
vos =
+ 1
Ra
¶
Fuente contínua variable
V io
(15)
Considerandoun cambiode polaridad de la fuente V io,
elo¤ seten lasalidasería
µ
¶
Rf
vos = ¡
+ 1 V io
(16
)
Ra
C. Combinación delefecto de V io e I
B
ConsiderandoelO ¤ setdebidoaV io eI
B ;enlasalidadel
ampli…cadorinversor, queda
µ
¶
Rf
¡
vos =
+ 1 V io + R fI
(17 )
B
Ra
N oteque(17 ), nocontemplaelefectodelaseñaldeentrada.
L as expresiones paraelvoltaje deotras con…guraciones
no di…eren mucho de (17 ), pues, para todos los casos la
evaluación delo¤ setse considera la componente de señal
anulada, de esta forma, alconectarlos terminales de entradaatierra, paraelcasodelA mpli…cadorN oinversory
elA mpli…cadorD iferencial, elo¤ setenlasalidanodi…ere.
+
ElefectodeI
osi existeunresistorconecB aparecerá sól
tado alterminal no inversor, pero el efcto será negativo
¡
respectodeI
B .
III. Eliminación del O ffset
D ependiendodelas aplicaciones es posibleconvivircon el
o¤ set, sin embargo, este erroren corriente continua tiene
solución. D esdeelpuntodevistadeunsistema, podríamos
considerar el ampli…cador como una caja negra, el cual
ademá s delaseñaltienelas componentes responsables del
o¤ set. Si adicionalmente se le introduce una componente
vx, comosemuestraen la Fig. 4, que produzcaelmismo
Fig. 5. Fuente variable para la eliminación o¤ set.
D ebido a que resulta demasiado engorroso disponerde
otra fuente de corriente continua variable, se podría pensaren utilizarlas fuentes dealimentación existentes, note
que éstas son positivas y negativas, así, mediante alguna
red pasiva obtener a partir de la alimentación la fuente
requerida, aniveldebloques seindicaen laFig. 6
.
V
io
v
i
I
B
Amp. Op.
vx
Red
vo
Fuente de voltaje continuo
+V
cc
V
cc
Fig. 6. P osible implementación de la malla compensadora.
A l obtener una fuente continua variable usando las
fuentes dealimentación(§V cc)delA O setendrá excursión
tantopositivaynegativa. A lservariable, sehaceindependientedelvalordelo¤ set, elesquemabá sicosemuestraen
laFig. 7 .
Se observa de la Fig. 7 que el voltaje vx puede estar
conectado a la entrada inversora o a la no inversora. L a
fuentevx dependedevoltajes positivos ynegativos (§V cc).
D ebidoaquelos voltajes sonpequeños, debeusarseuna
red que produzca una pequeña variación a partir de los
voltajes dealimentación, seproponeundivisordevoltaje,
elcualpuede serconectado alterminarno inversor. Finalmente, elefectoenlasalida, anulandolas otras componentes, será
3
Rf
SeaelcircuitonoinversordelaFig. 9 . Se observaque
lamallacompensadoraestá conectadaalterminalinversor
através deR 1 .
+V
cc
Ra
vi
B . Con…guración N o Inversora
_
vo
+
R2
+Vcc
V
cc
R1
200KΩ
50KΩ
vx
Red
vi
+
R1
_
100 Ω
_V
cc
vo
R2
Fuente de voltaje continuo
Fig. 9 . M alla de compensación para ampli…cadornoinversor.
Fig. 7 . Esquema bá sicode compensación de o¤ set.
vojvx =
µ
Rf
+ 1
Ra
¶µ
R1
R1 + R2
¶
(§V cc)
(18)
vo =
P orotrolado, si sehaceatravés delaentradainversora
¶
µ
Rf
(§V cc)
vojvx = ¡
R2
(19 )
IV . T écnicas U niversales D e Corrección D e
O ffset (A nulación Externa)
µ
¶
R2
+ 1 vi
(21)
R1
µ
¶
R2
(20 0 [K- ]jj1 0 0 [- ])
¡
V cc
§
20 0 [K- ]
R 1 + 20 0 [K- ]jj1 0 0 [- ]
D e acuerdo a los valores de la malla compensadora se
tiene
vo =
µ
R2
+ 1
R1
¶
vi §0 :498
µ
¶
R2
V cc
R 1 + 99:5 [- ]
(22)
Elmétodo propuesto inicialmente, sólo elimina elvoltaje C. Con…guración Seguidorde emisor
O ¤ setdebido a I
B , si se quiere eliminarelO ¤ setdebido
SeaelseguidordeemisordelaFig. 10.
aV io, deben serusadas las técnicas mostradas en las Fig.
8 , 9 , 10 y11, las queseconocen comotécnicas universales
+15[V]
paracompensación deO ¤ set.
100KΩ
R3
A . Con…guración Inversora
SeaelcircuitodelaFig. 8 , planteandolas ecuaciones de
Kirchho¤ , setienequelasalidaserá
Rf
vo = ¡ vi +
Ra
µ
Rf
+ 1
Ra
¶
R1
(§V cc)
R1 + R2
(20)
Rf
+Vcc
vi
50KΩ
Ra
_
+
200ΚΩ
vo
100Ω
_V
cc
Fig. 8 . M alla compensadora para elA mpli…cadorInversor.
R2
R1
_
-15[V]
vi
+
1KΩ
vo
Fig.10. M allacompensadoraparaelampli…cadorseguidordeemisor.
Calculandovo seobservaquelaseñaltieneganancia, sin
embargo, dea¡
cuerdoal
¢ os valores indicados paraR 1 yR 2 ,
estefactores 11 MK + 1 = 1 :0 0 1 :P orotrolado, elefectode
lamallacompensadoraen laentradaes inversor.
µ
¶
µ
¶
R2
R2
vo =
+ 1 vi § ¡
V cc
(23)
R1
R1
D . A mpli…cadorD iferencial
Considerandoelampli…cadordiferencialdelaFig. 11.
µ
R2
R1
¶
(vb¡va)
¶
µ
¶
R2
4:7Kjj1 0
10K
§V cc
+ 1
R1
4:7K
20 K + 4:7Kjj1 0
µ ¶
µ
¶
R2
R2
=
(vb¡va)§V cc
+ 1 1 :0 6
(24)
R1
R1
vo =
O bserve que cada red dicionalsólamente introduce un
fuentedetensióncontinuanegativaopositiva, lacualpermiteeliminarelo¤ setdebidoV io eI
ormasimultá nea.
B enf
P aradeterminarcuantoo¤ setes capazdeeliminar, sehace
lacomponentedeseñalvi = 0 yseevalualasalida.
1MΩ
µ
4
100Κ
R2
va
R1
10KΩ
_
10KΩ
vo
+
vb
+15 [V]
R1
R2
10KΩ
10KΩ
4.7KΩ
10Ω
vi
+15[V]
50KΩ
10Κ
_
Vio
+
vo
+
200ΚΩ
10KΩ
100Ω
_ 15[V]
-15[V]
I+
B
_
IB
Fig. 12. A mpli…cadorinversorcon o¤ set.
Fig. 11. M alla compensadora para elampli…cadordiferencial
Se observa que la malla compensadora tiene un efecto
N oinversorsobrelasalida.
V I. Compensación de offset mediante un
potenciómetro
M uchos A O tales comoelL M 7 41, L F351, L F356
, pueden
c
a
n
c
e
l
a
r
e
lv
o
l
t
a
j
e
d
e
spl
a
za
mie
n
t
o
d
e
sa
l
id
a
c
o
n
un simV . El problema de compensación de O ffset
pl
epo
t
e
n
c
ióme
t
r
o
.
Est
epo
t
e
n
c
ióme
t
r
od
e
bese
rc
o
nectado
externo
entrelos terminales deO ¤ setN ulldelA O , elajustedelpoEste consiste en determinarla red má s adecuada para la
tenciómetrodeberealizarseconectandolaentradaatierra
eliminación delo¤ set, paraelloes imprescindibledetermi(0 V olts). Eltercerterminaldelpotenciómetro no siemnarocuanti…carelo¤ setenlasalida. Comosegundopunto,
prevaconectadoa¡V cc, estetambién puedeirconectado
se debe determinarelefectode la malla compensadora si
a + V cc. P ara ello procure siempre revisarlas especi…caes queexisteoplantearla.
ciones técnicas delA O quedeseautilizar.
U n último aspecto podría ser determinar en quéposición queda elpotenciómetro de ajuste, si es que la malla
R2
+Vcc
compensadoraes capaz deanularelo¤ set.
25KΩ
R1
2 _
Example 1: D eterminar el o¤ set en la salida para la
v
i
6
2 _1
con…guración indicada en la Fig. 8, considerando que
741
vo
5
3
6
5
V io = 5 [mV ], I
=
0
:
1
[¹A
]eI
=
0
:
0
1
[¹A
]
.
Ca
l
c
u
l
a
n
d
o
+
B
io
A*
vo
10K Ω
+
¡
3
1
I
eI
set
ie
n
e
+
B
B
I
B
I
io
+
¡
I
B + I
B
2
+
¡
= 0 :0 1 [¹A ]= I
B ¡I
B
= 0 :1 [¹A ]=
(25)
(26
)
-Vcc
*LF355/LF356
Fig. 13. A juste de o¤ setinternomediante un potenciómetro.
A síde(25) y(26) setiene
+
¡
I
B = 0 :1 0 5[¹A ] e I
B = 0 :0 95[¹A ]
(27 )
D ibujandoelefectodelo¤ setenelcircuitodeacuerdoa
laFig. 12, sedeterminavos
µ
¶
100K
¡
vos =
+ 1 V io + I
B 100K
10K
µ
¶
100K
+
¡I
(
20
0
Kj
j
1
0
0
)
+
1
B
10K
V os = 55 [mV ]+ 1 0 :5 [mV ]¡0 :1 0 4 [mV ]
= 65:4 [mV ]
(28)
Example 2: D eterminar el efecto de la malla compensadora.
A nulando las fuentes de o¤ sety señal, se plantean las
ecuaciones para determinarelefectode lamallacompensadora.
µ
¶µ
¶
100
100K
vo =
+ 1
(§1 5[V ]) (29 )
10K
20 0 K + 1 0 0
= §82:4 [mV ]
(30)
Comoconsecuencia elo¤ setpuede sereliminadoporla
mallacompensadora.
V II. Conclusiones
Si o¤ setenlasalidaes debidoatres fuentes, estesepodríaevaluaranulandolacomponentedeseñalycalculando
¡
+
lasalidaen función de V io, I
B eI
B . U navez evaluadoel
o¤ set, lamallacompensadoraserá efectivasi elvoltajeproporcionadoporestaesmayorenvalorabsolutoquevos. L a
malla compensadora de o¤ setes utilizada cuandolos A O
notienenunsistemadeanulacióninterna. Cuandolos A O
tienen anulación de O ¤ setInterna, este se corrige usando
un potenciómetroconectaenlos terminales O ¤ setN ull.
R eferences
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