opamp4 - Electronica Analogica

Electrónica Analógica II
Parte 4
ALGUNAS APLICACIONES DEL OP-AMP
Punto de disparo
Comparadores
Un circuito comparador es aquel que analiza
una señal de voltaje en uno de los terminales de
entrada, con un voltaje de referencia en el otro
terminal de entrada. Desafortunadamente, el voltaje
de salida del OP-AMP no cambia con mucha
velocidad. También, sus cambios de salida están
entre los límites fijados por los voltajes de
saturación, +Vsat y -Vsat, que en forma típica varían
alrededor de ±2V (3V). El circuito es mostrado en
la figura 17.
Señal de salida
Figure 18
Ambos problemas pueden ser resueltos por
el uso de retroalimentación positiva, así surge la
configuración conocida como "Schmitt trigger" o
disparador de Schmitt. Este circuito es mostrado en
la figura 19.
+VCC
7
3
Vi
Señal de entrada
6
Vo
Vref
2
4
RL
vi
vo
Av
R1
-VEE
v1
Figure 17
R2
Si Vi es < Vref la salida va a -Vsat y si Vi es >
Vref la salida va a +Vsat.
(a)
Con el OP-AMP de propósitos generales se
puede hacer un circuito comparador, pero existen
circuitos integrados (IC) especiales comparadores,
que podemos citar algunos de ellos, por ejemplo:
LM306, LM311, LM393, NE529, etc.
+10V
+5V
R3
R1
10K
El OP-AMP de propósitos generales y el IC
comparador tienen dos desventajas. Para una
entrada que varía lentamente, la oscilación de salida
puede ser más lenta. Peor aún, si la entrada es
ruidosa, la salida puede hacer varias transiciones
mientras la entrada pasa através del punto de
disparo. Esto es ilustrado en la figura 18.
VR
3
7
R4
100K
1K
vi
6
vo
2
R2
4
LM311
10K
(b)
Figure 19
Amplificadores Operacionales
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Es un circuito regenerativo o más bien con
retroalimentación positiva, es decir la tensión de
entrada se aplica al terminal inversor y la tensión de
retroalimentación al terminal no-inversor.
umbral alto
(+5) V1
(+4.76) V2
umbral bajo
Este circuito es un comparador más
decisivo, con histéresis, que luego será definido.
entrada
(+5) +Vo
salida
El efecto de la resistencia de
retroalimentación R1 en el circuito de la figura 19(a)
y R3 de la figura 19(b), es para hacer que el circuito
tenga dos puntos de disparo o tensiones umbrales
(threshold), dependiendo del estado de la salida.
Vamos a analizar el circuito de la figura
19(a), para ello supondremos que vi es menor que
v1, de modo que vo = +Vo, entonces empleando
superposición,
v1 = V R
R1 +
R 2 = (40)
Vo
V1
R1 + R 2
R1 + R 2
Si ahora se aumenta vi, vo permanece
constante a +Vo, y v1=V1=cte hasta que vi=V1. A
esta tensión umbral, crítica o de disparo la salida
cambia regenerativamente a vo=-Vo y permanece en
este valor mientras vi>V1.
La tensión del terminal no-inversor para
vi>V1 será:
(0) -Vo
Figure 20
Así, una entrada de ruido es menos probable
que produzca múltiples disparos como se puede
observar en la figura 20. La salida depende de
ambos voltajes de entrada y de su historia reciente,
este efecto es llamado histéresis, y su valor es
calculado como la diferencia entre las dos tensiones
de disparo. Para el caso del circuito de la figura 19,
VH = V1 - V2.
Esto puede ser ilustrado con un diagrama de
la salida versus la entrada, como se muestra en la
figura 21
vo
(5)
+Vo
V1
v1 = V R
R1 −
R2 =
Vo
V 2 (41)
R1 + R 2
R1 + R 2
vi
Si ahora se disminuye vi, la salida
permanecerá en -Vo hasta que vi se iguale a la
tensión vi=V2 y la salida retorna a +Vo casi
instantáneamente. Esto esta ilustrado en la figura
20.
V2
(0)
-Vo
Figure 21
La retroalimentación positiva asegura una
transición rápida a la salida sin hacer caso de la
velocidad de la forma de onda de la entrada (Un
pequeño capacitor "speedup" de 10 - 100 pF es
conectado frecuentemente através de la resistencia
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D
de retroalimentación para realzar la velocidad de
conmutación aún mas).
Si la señal de pico a pico fuese menor que
VH, el circuito de Schmitt después de responder a la
tensión umbral en una dirección, nunca se repondría
de si mismo.
Rf
Q
VS
Vo
El Amplificador Logarítmico y Antilogarítmico
El amplificador Logarítmico
(b)
Figure 22
Mediante la inclusión de elementos nolineales en la red de retroalimentación, los OP-AMP
se pueden utilizar para llevar a cabo operaciones no
lineales sobre una o mas señales analógicas. El
circuito mostrado en la figura 22(a), es un
amplificador logarítmico cuya tensión de salida es
proporcional al logaritmo de la señal de entrada. La
inclusión de un diodo o un transistor en
configuración de base común en la red de
retroalimentación logra la característica logarítmica
deseada para el amplificador. Los amplificadores
logarítmicos son de amplia aplicación en sistemas
de instrumentación, donde deben detectarse y
registrarse señales de un rango muy grande.
Haremos el cálculo del voltaje de salida del
amplificador logarítmico, asumiendo el OP-AMP
ideal, entonces:
⎛
⎞
I = V s = I C = I s ⎜ exp V BE − 1⎟ ≅ I s exp V BE (42)
R
⎝
VT
VT ⎠
y Vo = - VBE
Por lo tanto
V o = −V T ln
V s (43)
IsR
D
I
R1
VS
Existen circuitos logarítmicos más precisos
de alto rendimiento, con compensación de
temperatura, etc.
Q
Vo
El Amplificador antilogarítmico
Para convertir a partir del logaritmo (es
decir para obtener antilogaritmo) debe tomarse la
exponencial del logaritmo, puesto que exp(ln x)=x.
Al tomar la exponencial de un logaritmo se obtiene
el antilogaritmo. Entonces usando un dispositivo
logarítmico como elemento de entrada de un
amplificador, se obtiene una respuesta exponencial
y por lo tanto se tiene un amplificador
antilogarítmico, el cual esta mostrado en la figura
22(b).
(a)
Amplificadores Operacionales
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Haciendo las mismas consideraciones como
en el caso del amplificador logarítmico, se tiene
V o = R f I f = − R f I C (44)
Nota: En los circuitos de la figura 23 y 24 se
dejan fuera las constantes pertenecientes a las
ecuaciones, con el objetivo de ilustrar la operación
que realizan.
entonces
⎛ V BE ⎞
⎛V s⎞
⎟ = R f I s exp⎜ ⎟ (45)
⎝VT ⎠
⎝V T ⎠
V o = − R f I s exp⎜
donde VS es una señal logarítmica.
El circuito Multiplicador y Divisor
El circuito de la figura 23, es un circuito
multiplicador usando OP-AMPs. En este caso se
hace uso de la siguiente propiedad de los
logaritmos: ln(a*b) = ln(a) + ln(b). Para el caso del
divisor, mostrado en la figura 24, se hace uso de
otra de las propiedades de los logaritmos: ln(a/b) =
ln(a) - ln(b).
R1
Q1
A3
R
A1
R2
R
R
ln(V1)
V1
Q2 ln(V2)
ln(V1*V2)
Rf
Q3
V2
A4
VO=V1*V2
A2
Figure 23
D2
R2
V1
ln(V2)
R
A2
D1
R1
V2
R
R
A3
ln(V1/V2)
ln(V1)
A1
R
D3
Rf
A4
Vo=V1/V2
Figure 24
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