R7-A.O- FELT- 2GIB

TEMA 9 Amplificador Operacional

9.1- A.O. - Introducción Un amplificador operacional (AO u OpAmp) es un componente activo que se representa de forma simplificada como

.

A.O. – Cálculo analógico: útil para resolver ecuaciones integro-diferenciales

Amplificador electrónico: Circuito capaz de transferir energía de una fuente de alimentación a una señal(*). (un amplificador amplifica potencia)

A.O. - Ejemplos : diversos encapsulados. incluye las conexiones de alimentación como V+ (VCC) y V- (VEE ) y no deben confundirse

con las entradas v+ y v- .Encapsulados múltiples Un encapsulado puede contener varios componentes (AO).

A.O. – Ley básica : El AO en régimen lineal: su salida vo es proporcional a la diferencia de las tensiones de entrada (deseado)

y depende también (no deseado) del valor común de las tensiones de entrada (además de la temperatura,…)

A.O. – Tensión diferencial/común

vd = v+ - v- = diferencia de tensión en la entrada ------------------ vc = (v+ + v-)/2 = tensión media (común) en la entrada

La ley es válida sólo si no se alcanzan los límites de variación, que típicamente son próximos a VCC (límite de

tensión positiva) y -VEE (límite de tensión negativa): -VEE ≤ vo ≤ VCC

Observe que, como AOL_D es grande, a partir de un determinado valor de diferencia entre v+ y v-, la salida está saturada a uno de estos valores -VEE ó VCC .

Entrada NO INVERSORA (v+) y Entrada INVERSORA (v-). la mayor ganancia posible para la tensión diferencial (AOL_d ) y la menor ganancia posible para la

tensión común (AOL_c)

9.2 El Amplificador Operacional: Comportamiento Ideal

El AO ideal sigue la siguiente ley: su salida es proporcional a la diferencia de las tensiones de entrada y no depende de la tensión común ni de ningún otro parámetro.

Idealmente, AOL_d = AOL es infinita, por lo que la salida vo es finita sólo si (v+ - v- ) = 0. Además, las impedancias de las entradas v+ y v-

son infinitas y la impedancia de salida de vo es nula. Y que la ley válida pero vo sólo tiene valores no saturados si (v+ - v- ) = 0.

El componente aislado se puede usar como comparador: Si v+

> v-, la salida vo será próxima a VCC (saturado a positivo) Si v+ < v-, la salida vo será próxima a -VEE (saturado a negativo)

A.O. – Concepto de Realimentación REALIMENTACIÓN: la salida afecta a la entrada. Según conectemos la salida vo hacia la patilla v- o la patilla v+,

tendremos comportamientos diferentes.

Realimentación Negativa : Conectamos vo a v- mediante un componente auxiliar (típicamente un resistor-red B) observamos que un

incremento de la tensión vo implica un incremento de la tensión v-; sin embargo, el incremento de v- tiende a su vez decrementar vo. Habitualmente el bucle continúa hasta que se llega a un

valor de vo estable). Los circuitos que operan en esta condición se dice que trabajan en régimen lineal del AO.

Realimentación Positiva : Conectamos vo a v+ mediante un componente auxiliar. (típicamente un resistor-red B) observamos que un

incremento de la tensión v+ implica un incremento de la tensión vo . El incremento de vo , producido por el incremento de v+ , tiende a incrementar aún más v+. Habitualmente se llegará al

valor máximo permitido de vo. Los circuitos que operan en esta condición se dice que trabajan en régimen no lineal del AO.

9.2.1 Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales

Se supone en los análisis que el A.O. tiene comportamiento ideal. En este régimen de funcionamiento, y sólo en éste, se obtiene v+ y v- es la misma. el AO NO AJUSTA la tensión de entrada, sino que ajusta su tensión de salida vo hasta que se cumple la condición de que v+ = v-. Ejem: Amplificador inversor , Amplificador no inversor, Seguidor, Fuente de corriente, Integrador/Diferenciador, Amplificador de instrumentación, Filtros activos .

A.O. – RL: Amplificador Inversor

A.O. – RL: Amplificador No Inversor

A.O. – RL: Seguidor (buffer)

9.2.2 Circuitos en régimen no lineal (RNL) En este régimen la tensión NO es la misma en v+ y v- en la condición estable de vo. la realimentación tiene lugar por la entrada no inversora (v+). . Montajes que operan en régimen no lineal: Rectificador de precisión /Comparadores con histéresis (Schmitt-trigger) Osciladores de relajación (astables)

AO – RL: Rectificador de precisión

El AO tiene dos zonas de operación según conduzca el diodo o no. Con la polaridad del diodo mostrada: vin> 0, vo > 0, el diodo conduce y v- = vin (un seguidor) ; Vin< 0, vo< 0, el diodo no conduce y el AO nunca puede ajustar vo para que v- = vin ; vo se

satura a –Vcc intentándolo. En este caso, la tensión de salida Vout es nula porque no circula corriente por la resistencia RL.

AO – RNL: Comparador con histéresis

Figure 1 Rectificador de Presición

AO – RNL: Multivibrador astable

Cuando vo = +VCC, la tensión en el condensador aumenta hacia +VCC; aumenta desde el umbral inferior. Cuando vo = -VCC, la tensión en

el condensador disminuye hacia -VCC; disminuye desde el umbral superior.

La tensión en la v- es la tensión en el condensador

AO – RNL: Comparador Schmitt-trigger No Inversor Se utiliza para limitar el efecto del ruido en las entradas

9.3 Características del AO real : Limitaciones El AO real presenta una AOL_d no infinita y AOL_c no nula. Las impedancias de entrada de las entradas v+ y v- no son infinitas, es decir, consumen corriente y la de salida de vo no es nula.

La diferencia de potencial entre las entradas no es nula (offset) para salida nula

Características de AO Reales Large-Signal Voltage Gain or Open-Loop Voltage Gain (ganancia de voltaje en lazo abierto AOL): Es la relación entre la tensión de salida y la diferencia de tensiones de las entradas del A.O. Su valor es elevado en dB (idealmente ∞).

AOL en función de la frecuencia: En general, la ganancia en lazo

abierto AOL es un parámetro que se especifica para f. Al aumentar la frecuencia la ganancia sigue una ley:

donde ωo vale típicamente unos 10 rad/s. El producto (AOL ·ωo) es el llamado producto ganancia-ancho de banda.

CMRR Common-Mode Rejection Ratio (relación de rechazo del modo común): CMRR = Ad/Ac = relación entre ganancia diferencial en modo común (CMRR(dB)=20 logCMRR) .

Input Offset Voltage (voltaje de offset de entrada): es el voltaje de dc que debe aplicarse a una de las entradas mientras la otra está conectada a tierra para obtener 0V de dc a la salida. El offset equivale a un desplazamiento de la curva de ganancia:

Input Resistance (resistencia de entrada): resistencia interna de cualquier entrada mientras la otra permanece conectada a tierra. Suele ser elevada. Debe distinguirse entre la resistencia de entrada del

AO (lazo abierto) y la resistencia de entrada del amplificador realizado con el AO. Un esquema de cómo se mide cada entrada puede ser:

Input Bias Current (corriente de polarización de entrada): promedio de las corrientes de polarización (dc) que circulan por las terminales de entrada en un AO no ideal. IB = (IB++IB-)/2

Input Offset Current (corriente offset de entrada): diferencia entre las corrientes de polarización (dc) de entrada. IOS = IB+-IB-. Las corrientes de polarización pueden dar lugar a offset adicional si la resistencias en dc conectadas a cada entrada no son iguales.

Slew Rate at unity gain (velocidad de subida con ganancia unidad): SR=dVo/dt (para Vo max) Evalúa la capacidad de respuesta de la salida para seguir a la entrada sin distorsiones en señales que cambian rápidamente con el tiempo. Suele ser del orden de 10 V/μs en AO standard.

Para una señal seno:

A.O DIFERENCIAL