Amplificadores Operacionales 1 AMPLIFICADOR OPERACIONAL Es un elemento de circuito diseñado para emplearse con otros elementos de circuito y efectuar una operación especifica de procesamiento de señales. Amplificador con 8 terminales de conexión. hispavila.com 2 EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Simbología e identificación de terminales Entrada no inversora Entrada inversora Figura 2.1. Símbolo de circuito para el amplificador operacional. 3 MODELOS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL: EL A.O. IDEAL Figura 2.2. Hambley Es un amplificador diferencial con las siguientes características: ▪Impedancias de entrada en m.c. y en m.d. infinitas ▪Ganancia en modo diferencial AOL infinita ▪Ganancia en modo común nula ▪Impedancia de salida nula ▪Ancho de banda infinito 4 CONEXIÓN DE LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN ▪En general, el A.O. utiliza dos fuentes de alimentación simétricas. ▪A veces pueden ser asimétricas. ▪Para ciertas aplicaciones, puede emplearse una sola fuente de alimentación Figura 2.3. Hambley 5 MODELOS DEL A.O. MODELO SPICE ESTÁTICO La resistencia de entrada en modo común se ha supuesto infinita. La ganancia en modo común se ha supuesto nula. Rd = Resistencia de entrada en modo diferencial. Ad = Ganancia en lazo abierto en modo diferencial Ro = Resistencia de salida 6 EL A.O. EN LAZO ABIERTO.- APLICACIONES Figura 12.1. Símbolo de circuito del comparador. Si v1 > v2, entonces vo está a nivel alto; si v1 < v2, entonces vo está a nivel bajo. 7 EL A.O. EN LAZO ABIERTO (CONT) (a) Niveles de salida simétricos (b) Niveles de salida asimétricos Figura 12.2. Características de transferencia de los comparadores ideales. 8 EL A.O. EN LAZO ABIERTO (CONT) -0,4 -0,2 0,2 0,4 Figura 12.3. Característica de transferencia de un comparador real. 9 EL A.O. EN LAZO ABIERTO (CONT) Aplicación: Detector de nivel de tensión Figura 12.5. La tensión de entrada vin se compara con la tensión de referencia Vr. 10 EL A.O. EN LAZO ABIERTO (CONT) Problema con el ruido en los comparadores en lazo abierto Señal con ruido Figura 12.6. El ruido añadido a la señal de entrada puede provocar transiciones no deseadas en la señal de salida. 11 EL A.O. EN LAZO ABIERTO (CONT) Aplicación: Moduladores de ancho de pulso La frecuencia de la portadora debe ser mucho mayor que la de la moduladora. La señal que se transmite es digital (Dos niveles) 12 CONCEPTO DE REALIMENTACIÓN ❑La realimentación en un amplificador consiste en tomar una muestra de la salida y superponerla a la entrada, modificando por tanto la señal efectiva de entrada. ❑Si dicha modificación refuerza la entrada original, la realimentación se denomina positiva. ❑Si dicha modificación atenúa la entrada original, la realimentación se denomina negativa. 13 EFECTOS DE LA REALIMENTACIÓN POSITIVA La realimentación positiva produce los siguientes efectos: ❑Aumenta la ganancia efectiva del amplificador ❑Disminuye la impedancia de entrada ❑ Disminuye la anchura de banda ❑ Aumenta el ruido (disminuye la relación señal/ruido) ❑Puede conducir a inestabilidades y auto-oscilaciones 14 EFECTOS DE LA REALIMENTACIÓN NEGATIVA La realimentación negativa produce los siguientes efectos: ❑ Disminuye la ganancia efectiva del amplificador ❑Disminuye la impedancia de salida ❑ Aumenta la impedancia de entrada ❑ Aumenta la anchura de banda ❑ Disminuye el ruido (aumenta la relación señal/ruido) ❑Reduce la distorsión no lineal ❑Mejora la estabilidad del amplificador 15 ESTABILIDAD DE AMPLIFICADORES CON REALIMENTACIÓN β La figura muestra la estructura general de un amplificador realimentado El Amplificador no realimentado entrega una salida xo= A wi En lugar de usar la señal ws como entrada se genera una señal wi=ws-βwf 16 Amplificador inversor Restricción del punto suma Figura 2.5. Utilización de la restricción del punto suma en el análisis del amplificador inversor. R2 Av = − R1 vin Ri = = R1 iin 17 Topología alternativa de un A. Inversor Para conseguir elevadas ganancias con resistencias de valores razonables Figura 2.6. Amplificador inversor con alta ganancia y con valores de resistencias menos diferentes que los necesarios para el inversor básico. R2 R4 R4 R2 vo Av = = − + + vin R1 R1 R1 R3 vin Rin = = R1 ii 18 Amplificador sumador de dos entradas Figura 2.7. Amplificador sumador. Véase el Ejercicio 2.1. R f Rf vo = − v A + vB RB RA La resistencia de entrada para vA es RA La resistencia de entrada para vB es RB 19 REALIMENTACIÓN POSITIVA Comparador con histéresis o “Schmitt-triger” Figura 2.10. (a) Circuito y formas de ondas del circuito Schmitt-trigger. Si en la configuración del A.O. como inversor intercambiamos la entrada inversora por la no inversora, el funcionamiento del circuito es completamente distinto, ya que ahora no se cumple la condición de estabilidad, y la salida, incluso en ausencia de señal, se irá a saturación positiva o saturación negativa. 20 Formas de onda del comparador con histéresis Banda de histéresis Figura 2.10 (b). Circuito y formas de ondas del circuito Schmitt-trigger. 21 Amplificador no inversor A Figura 2.11. Amplificador no inversor. Suponiendo amplificador operacional ideal: vo R2 Av = = 1+ Rin = vin R1 22 Seguidor de Tensión Figura 2.12. Seguidor de tensión. Haciendo R2 cero y R1 infinito, obtenemos el seguidor de Tensión. Aplicaciones: Separación de etapas. 23 Amplificador diferencial En el circuito de la figura, Si v+=v- entonces se puede deducir fácilmente que : R +R R R vo = 1 2 R1 4 2 v1 − v2 R1 + R2 R3 + R4 24 Amplificador diferencial (Cont) vo = R1 + R2 R4 R2 v1 − v2 R1 R3 + R4 R1 + R2 Esta topología tiene varios inconvenientes: ❑Si las resistencias no son de mucha precisión, el A.Diferencial tendrá respuesta a la señal en modo común. ❑Para variar la ganancia hay que cambiar las cuatro resistencias o emplear otro amplificador. ❑La impedancia de entrada para v2 depende de v1 25 Amplificador diferencial de instrumentación Primera etapa Segunda etapa Figura 2.54. Amplificador diferencial de instrumentación. 26 Amplificador diferencial de instrumentación: Ventajas e inconvenientes VENTAJAS: ➢La impedancia para las dos entradas es infinita, o bien puede adecuarse al valor deseado, colocando la resistencia correspondiente. ➢El ajuste de la ganancia diferencial puede realizarse con una sola resistencia. ➢La necesidad de igualdad de Rf1 y Rf2 no resulta crítica.La igualdad de R1 y R2 tampoco resulta crítica. Además, en principio, solamente se necesitaría una valor de resistencia de alta precisión, por ejemplo, haciendo Rf1=Rf2=R1=R2. INCONVENIENTES: Únicamente la utilización de tres A. Op. Actualmente existen muchos C.integrados de Amplificadores diferenciales de instrumentación. Con diferentes características, como ganancia programable, etc... 27 Ejemplos de Circuitos con Amplificadores Operacionales 28 (a) Circuito original Figura 2.34 29 Efecto de la tensión de desviación a la entrada (b) Circuito con vin = 0 que muestra la fuente de tensión de desviación de entrada Vo ,voff R2 = + 1(− Voff ) R1 30 (c) Circuito con las fuentes de corriente de polarización 31 (d) Circuito con la fuente de corriente de desviación 32 Cancelación de los efectos de las corrientes de polarización Figura 2.35. Al añadir la resistencia R al circuito amplificador inversor, se anulan los efectos de las corrientes de polarización. 33 Figura 2.36. Amplificador no inversor, incluyendo una resistencia R para equilibrar los efectos de las corrientes de polarización. 34 Figura 2.37. Amplificador no inversor. 35 Vim sen (2000 t) 10 k 3 k 1 k Figura 2.42. Amplificador no inversor utilizado para comprobar los efectos no lineales. 36 Recorte 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Figura 2.45. Salida del circuito de la Figura 2.42. Para RL = 10 k y Vim =5 V. 37 10 k 10 k (a) No inversor (b) Inversor Figura 2.46. Amplificadores de ganancia unidad. 38 Figura 2.47. Amplificador inversor. 39 Figura 2.48. Amplificador inversor acoplado en alterna. 40 Figura 2.49. Amplificador sumador. 41 Figura 2.50. Amplificador no inversor. El comportamiento de este circuito se aproxima al de un amplificador ideal de tensión. 42 Figura 2.51. Amplificador no inversor acoplado en alterna. 43 Figura 2.52. Seguidor de tensión acoplado en alterna con resistencias de polarización en montaje bootstrap. 44 Convertidor tensión-corriente Carga Figura 2.55. Convertidor de tensión a corriente (amplificador de transconductancia). Inconveniente: La carga es flotante. (No tiene un terminal a masa) 45 Convertidor tensión-corriente con carga a masa Nota: Carga Figura 2.56. Convertidor de tensión a corriente con la carga contectada a masa (circuito Howland). 46 Convertidor corriente-tensión Figura 2.57. Convertidor de corriente a tensión (amplificador de transresistencia). 47 Amplificador de corriente Figura 2.58. Amplificador de corriente. 48 Figura 2.59. Amplificador de ganancia variable. 49 Integrador Interruptor de inicio Figura 2.60. Integrador. 50 Derivador Figura 2.63. Diferenciador. 51 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO CONCEPTUAL DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES AMPLIFICADOR OPERACIONAL MODELOS MODELO IDEAL (En lazo abierto) MODO DE FUNCIONAMIENTO MODELOS REALES Aparecen efectos de segundo orden como son: EN LAZO ABIERTO (SIN REALIMENTACIÓN) Ganancia en modo diferencial infinita independiente de la frecuencia GANANCIA EN MODO DIFERENCIAL FINITA Y DEPENDIENTE DE LA FRECUENCIA (Ft y Fb) Ganancia en modo común nula GANANCIA EN MODO COMUN DISTINTA DE CERO (R.R.M.C.) Resistencias de entrada infinitas Resistencia de salida nula Si se cumplen las condiciones de funcionamiento lineal se puede aplicar el pricipio de "restricción del punto suma" O lo que es lo mismo realizar el análisis suponiendo que: v+ = vi+ = i- =0 LA SALIDA ESTARÁ EN SATURACIÓN POSITIVA O NEGATIVA EN LAZO CERRADO (CON REALIMENTACIÓN) ANALISIS DE LA ESTABILIDAD CONDICIÓN DE FASE Y CONDICIÓN DE MÓDULO (Función de transf. en L. Abierto) APLICACIONES: EN LAZO ABIERTO IMP. DE ENTRADA EN MODO DIFERENCIAL FINITA IMP. DE ENTRADA EN MODO COMÚN FINITA CORRIENTES DE POLARIZACIÓN (I BIAS) CORRIENTE DE DESVIACIÓN (I OSC) TENSIÓN DE DESVIACIÓN A LA ENTRADA DETECTORES DE CRUCE POR CERO DETECTORES DE NIVEL DE TENSIÓN COMPARADORES DE VENTANA CONVERSIÓN ANALÓG-DIGITAL MODULACIÓN PWM Escriba aquí el nombre Escriba aquí el cargo TENSIONES DE SATURACIÓN CORRIENTE DE SATURACIÓN SLEW RATE (MÁXIMA RAPIDEZ DE RESPUESTA) No existe ninguna frecuencia que cumpla la condición de fase (incluida frecuencia cero) ESTABILIDAD INCONDICIONAL Existe una frecuencia fo que cumple la condición de fase (Incluida la frecuencia cero) Estabilidad condicional a que la ganancia a esa frecuencia sea menor que la unidad Escriba aquí el nombre Escriba aquí el nombre Escriba aquí el nombre APLICACIONES DE LOS A.O. FUNCIONANDO LINEALMENTE Escriba aquí el (Encargo algunas ocasiones el A.O.Escriba aquí el cargo Escriba aquí el cargo no funciona linealmente) Estabilidad Implicará posibilidad de Fto..Lineal AMPLIFICADORES Y FILTROS ACTIVOS CONVERTIDORES INTEGRADOR INVERSOR INTEGRADOR NO INVERSOR DERIVADOR AMP. NO INVEROR CONV. TENSIÓN- CORRIENTE SEGUIDOR DE TENSIÓN CONV. CORRIENTE- TENSIÓN AMP. INVERSOR SUBSTRACTOR AMPLIFICADOR DIFERENCIAL AMP. DE INSTRUMENTACIÓN FILTROS ACTIVOS PASABAJOS FILTROS ACTIVOS PASA ALTOS FILTROS ACTIVOS PASA BANDA APLICACIONES CON DIODOS (Normalmente C.I.) Realimentación neta negativa inestabilidad implicará auto-oscilación a la frecuencia fo Si fo es 0: Aplicaciones: Realimentación neta positiva Red de realimentación puramente resistiva Rectificador de precisión de media onda Rectificación de precisión de doble onda Amplificador logarítmico Amplificador antilogarímico Multiplicador analógico Comparadores con histéresis (biestables) Monoestables (temporizad.) Astalbles (Osciladoes de onda cuadrada) Si fo distinta cero Osc. Senoid. Red de realimentación que contiene elementos almacenadores de energía 52 Fin de la Presentación 53
