Amplificadores Operacionales Reales

8/18/2019 Amplificadores Operacionales Reales

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Tecnología ElectrónicaCurso 2014-2015Grado en Ingeniería de Tecnologías deTelecomunicación

Tema 4. Amplificadores Operacionales Reales

Tecnología Electrónica

Universidad de Vigo

Bibliografía básica del Tema 4:

Hambley, A. R., Electrónica, Prentice-Hall, 2ª ed. en español, 2001

Herminio Raña García

Camilo Quintáns Graña

María Dolores Valdés Peña

Alfredo del Río Vázquez


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Amplificadores Operacionales Reales

Índice Amplificadores operacionales2

1. Características reales del amplificador operacional

1.1 Estructura interna de un amplificador operacional1.2 Impedancia de entrada y de salida (apartado 2.6 del Hambley pág. 85)1.3 Ganancia diferencial en lazo abierto (apartado 2.6 del Hambley pág. 86)1.4 Ancho de banda (apartado 2.6 del Hambley pág. 86)1.5 Producto Ganancia-Ancho de banda (apartado 2.6 del Hambley pág. 90)1.6 Factor de rechazo al modo común1.7 Margen de tensión de salida (apartado 2.7 del Hambley pág. 92)1.8 Máxima corriente de salida (apartado 2.7 del Hambley pág. 93)

1.9 Velocidad de variación máxima de la tensión de salida (apartado 2.7 del Hambley pág. 96)1.10 Tiempo de subida de la tensión de salida

2. Errores en continua

2.1 Corriente de polarización de entrada (apartado 2.8 del Hambley pág. 98)2.2 Corriente de asimetría de entrada (apartado 2.8 del Hambley pág. 99)2.3 Tensión de asimetría de entrada (apartado 2.8 del Hambley pág. 99)2.4 Polaridad de IB, Iio y Vio (apartado 2.8 del Hambley pág. 99)2.5 Efecto de IB, Iio y Vio(apartado 2.8 del Hambley pág. 100)2.6 Compensación del efecto de IB (apartado 2.8 del Hambley pág. 102)2.7 Compensación del efecto de Iio, Vio

3. Clasificación de los amplificadores operacionales


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Dada la estructura interna del AO,no se pueden conseguir lascaracterísticas ideales.

Sus características reales respec-to a impedancias de entrada ysalida, ancho de banda, gananciadiferencial, CMRR, slew rate, etc.

hacen que un AO sea idóneo parauna aplicación concreta einadecuado para otra, ya que lagama de AO que se fabrican escasi tan amplia como numerosasson las aplicaciones que losutilizan.

El número de características quedefinen un AO es muy amplio yconveniente conocerlas a fondopara identificar en qué aplicacio-nes son más importantes cadauna de ellas.


Amplificadores operacionales3


2.1 Estructura interna de un amplificador operacional


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Z

c

Z

c

Z

d

V +

V -

Ro

V o

+

Ad V d

1. Impedancia de entrada (Zd)

La impedancia de entrada no es infinita. Se puedenconsiderar 2 impedancias distintas en el AO:

• Impedancia en Modo Común (Zc)

• Impedancia en Modo Diferencial (Zd). Esta impedancia esla más importante a efectos prácticos.

Las impedancias de entrada (Zd) en bucle abierto de los AOcon etapas de entrada de transistores bipolares, suelen serde alrededor de 1 MΩ. Los AO con etapas de entrada detransistores JFET o MOS presentan impedancias de entradamucho mayores, de hasta 1012 Ω.

2. Resistencia de salida (Ro)

No es igual a cero. Valor típico en bucle abierto entre 1 y

500 .

A741: Ro=50



2.2 Impedancia de entrada y de salida:

Z

c

Z

c

Z

d

V +

V -

Ro

V o

+

Ad V d

A741: Zd=2 M


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Relación entre la variación de la tensión producida en la salida y la variación de la tensión diferencial

de entrada. Es idealmente infinita.

• Se mide en V/mV (o en dB)

• Varía con la temperatura, la carga, la tensión de

alimentación y la frecuencia.

• Disminuye a las frecuencia altas.

A741: A0OL=200 (V/mV)

2. Características reales del amplificador operacional Amplificadores operacionales5

2.3 Ganancia diferencial en lazo abierto (A0OL) (Open Loop Voltage Gain):


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Es la frecuencia para la cual la ganancia en bucle abierto

disminuye 3 dB respecto a su valor máximo.

A741: f t =1,5 MHz



2.4 Ancho de banda (BW) (Bandwidth):

El ancho de banda de un AO suele estar limitado intencionadamente por el diseñador para evitar oscilaciones enalgunos casos.

En un diagrama de Bode de ganancia en bucle abierto en continua [ AOL( f )], la magnitud de la ganancia esaproximadamente constante hasta la frecuencia de corte en bucle abierto ( f BOL). Por encima de f BOL, la magnitudde la ganancia varía 20 dB/década.


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2.5 Producto Ganancia-Ancho de banda (GBW) (Gain – Bandwidth Product):

Es la frecuencia a la cual la ganancia en bucle abierto del AO se reduce a la unidad (el

Diagrama de Bode de la ganancia en bucle abierto cruza 0 dB). También se sueledenominar ancho de banda de ganancia unidad o frecuencia de transición (f t).

Ancho de banda en bucle cerrado (f BCL ) delamplificador no inversor y del inversor:

Se cumple que:

siendo , por tanto:

Para el amplificador no inversor:

Para el amplificador inversor:

BOLOL BCLCLt f A f A f 00

1

21

0

R

R A

CL

CL

t BCL

A

f f

0

CL

t BCL

A

f f

01

•Analizar ejemplos 2.6página 90 del libro detexto y 2.7 página 91


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Cociente entre la ganancia diferencial y la ganancia en modo común del AO. Generalmente se

expresa en dB.

A741: CMRR=90 dB


2.6 Factor de rechazo al modo común (CMRR) (Common Mode Rejection Ratio):


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Es la máxima tensión sin distorsión (i.e.

sin que se produzca la saturación del

amplificador) que podemos obtener a

la salida). Depende del tipo de AO, de la

resistencia de carga y de las tensiones

de alimentación.

Suele ser de 1 a 2 V menores (en valor

absoluto) que la tensión de alimenta-

ción.

Ejemplo: el A741 es capaz de producir

tensiones de salida de ±14 V cuando se

alimenta con ±15 V y tiene resistencias

de carga superiores a 10 kΩ.


2.7 Margen de tensión de salida o excursión de salida (Output Voltage Swing):


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Es la corriente que puede dar o aceptar el AO cuando su terminal de salida se cortocircuita con la

masa o con los terminales de alimentación.


2.8 Máxima corriente de salida o de cortocircuito (Isc) (Output Short Circuit Current ):

Si una resistencia de carga de pequeño valor requiriera una corriente que superase esos límites, la

forma de onda de salida se vería recortada.

•Analizar ejemplo 2.8 página

94 del libro de texto


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Es la relación entre el cambio de tensión de salida y el tiempo mínimo requerido para

efectuar este cambio. (Gran señal)

Tiempo requerido por la tensión de salida para pasar del 10% al 90% del valor final de

tensión.

A741: SR=0.5 V/ s

s

V

t

V SR

o

A741: t s=0.3 s (pequeña señal)

D e f i n e n l a f r e c u e n c i a d e

o

p e r a c i ó n m á x i m a d

e l A O


2.9 Velocidad de variación máxima de la tensión de salida (SR) (Slew-Rate):

2.10 Tiempo de subida de la tensión de salida (ts) (Rise Time):


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Los AO contienen circuitos de entrada Acoplados en Continua. La corriente continua entra (o salede) los dispositivos de entrada del AO por los elementos conectados a los terminales de entrada,como el generador de señal.

La corriente que entra por la entrada no inversora se denomina IB+ y la que entra por la inversora sedenomina IB-:. Al valor medio de estas corriente se denomina corriente de polarización de entrada.

3.2 Corriente de asimetría de entrada (Iio) (Input offset current ) :

Normalmente los circuitos de entrada de los AO son simétricos, y las corrientes de polarización que

entran por las entradas inversora y no inversora son parecidas.

Sin embargo, en la práctica, los dispositivos no son exactamente iguales, y las corrientes depolarización tampoco lo son. La diferencia entre ambas corriente se denomina corriente deasimetría o de desviación.

B Bio I I I

2

B B

B

I I I

3. Errores en continua Amplificadores operacionales12

3. Errores en continua

3.1 Corriente de polarización de entrada (IB) (Input bias current):


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B Bio I I I

2 I I I B B

B

2

io B B

I

I I

2

I I I io

B B

Ejemplo: A741


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El fabricante también indica las variaciones de ambas corrientes con la temperatura, tensión de

alimentación, y el tiempo.

Ejemplo: A741


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La tensión de salida del AO puede ser

distinta de cero para una tensión deentrada nula debido a las asimetríasanteriormente citadas.

El AO se comporta como si existiese unpequeño generador de tensión continua enserie con uno de los terminales de entrada,

que se denomina tensión de desviación otensión de asimetría de entrada.

Ejemplo: LM741


3.3 Tensión de asimetría de entrada (Vio) (input offset voltage):

V io

I io

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La dirección de la Corriente de Polarización IB

es predecible para un tipo determinado deAO.

• Por ejemplo, si los terminales deentrada del AO son los terminales deBASE de transistores bipolares NPN, IBes positiva.

• Por el contrario, si son transistores

bipolares PNP, IB será negativa.

2

I I I io

B B

2

I I I io

B B

La polaridad de la tensión de asimetría Vio y la dirección de la corriente de asimetría Iio sonimpredecibles, y varían entre los transistores de una misma serie.

Ejemplo: Si la tensión de asimetría de para los AO LM741 tiene un valor máximo de 6mV, el valor deVio para un AO de la serie puede variar entre -6mV y +6mV.


3.4 Polaridad de IB, Iio y Vio:

V io

I io

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• Tensión de asimetría Vio

• Corriente de Asimetría Iio

• Corriente de Polarización IB

Provocan la aparición de una tensión continua a la salidaque se superpone a la componente de señal , VO ERROR DC.


3.5 Efecto de IB, Iio y Vio:

Amplificador inversor y no inversor:

Comprobar que:

Inversor or Amplificad R

R

Inversor Noor Amplificad R

R1

A

1

2

1

2

v

DC ERROROvioV At V t V

V io

I io

•Analizar ejemplo 2.10 página100 del libro de textoio Bio

I R

I RV R

RV

21

2

2

1

2

DCERROR O

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1. Si la componente de señal en la salida

VO señal >> VO ERROR DC

Cuando el AO se utiliza en aplicaciones de continua:

Pueden ignorarse las características del

AO que lo causan.

2. Si VO ERROR DC comparable o mayor que la

componente de señal en la salida VO señalHay que intentar minimizarlos


3.6 Compensación del efecto de IB:

El error en continua introducido por IB en la salida se

puede corregir haciendo que la impedancia vista por

los dos terminales de entrada sea la misma.

Amplificador inversor y no inversor conresistencia de compensación de IB: R=R2|| R1

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Los efectos del desequilibrio interno se pueden corregir cuando es necesario agregandocomponentes externos al AO. Muchos AO tienen un par de terminales de “cancelación del offset”

(offset null) que se pueden conectar a un potenciómetro de un valor especificado. El ajuste del

potenciómetro equilibrará las asimetrías internas, cancelando los efectos de Vio.

Ejemplo: A741


3.7 Compensación del efecto de Iio, Vio:

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Si el AO no dispone de terminales específicos de compensación de las asimetrías, se puede utilizar

un circuito externo que cancele los efectos de las mismas.

Ejemplo:


+

-

VPOS

VNEG

VPOS VNEG

RA RBRPOT

x (1-x)

R2

R1

Vo

Vio

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• Características relativamente buenas en un gran número de parámetros, con precios de coste

bastante bajos.

• Útiles para gran variedad de aplicaciones.

(1) DE PROPOSITO GENERAL

• Producto ganancia-BW grande (superior a 10 MHz) o slew rate grande.

• Útiles para aplicaciones de video, amplificadores de pulsos, conmutación de señales

analógicas (multiplexado).

(2) DE ALTA VELOCIDAD

• Diseñados para proporcionar tensiones de salida muy elevadas (hasta 150 V)

(3) DE ALTA TENSIÓN

4. Clasificación de los AO Amplificadores operacionales21

4. Clasificación de los amplificadores operacionales (Terminología fabricante)

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• Corrientes de salida que pueden superar los 10 A.• Aplicaciones con RL pequeñas.

(4) DE ALTA CORRIENTE DE SALIDA

• Límite inferior de alimentación de hasta unos 0.8 V, con consumos de corriente deunas pocas decenas de A.

• Aplicaciones portátiles (pilas de Litio: típicamente 3 V).

(5) DE BAJO CONSUMO

• Corrientes de polarización de entrada muy bajas, menores de 1 nA (algunos, menoresde 5 pA) – Etapas diferenciales de entrada construidas con transistores unipolares.

• Aplicaciones: cuando la resistencia interna de la fuente de señal es muy elevada (Ej:

sensores, integradores,...)

(6) DE BAJA CORRIENTE DE POLARIZACIÓN


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• Muy baja corriente de polarización y tensión de asimetría.• Alta impedancia de entrada.

• Buen CMRR.

• Baja deriva por temperatura.

• Algunos permiten seleccionar externamente la ganancia.

• Idóneos para amplificar continua, y señales procedentes de transductores.

(7) AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN

• Buffer: Adaptación de Impedancias (Zi elevada, Zo muy baja). Mantiene amplitud de la

señal (ganancia = 1). Proporciona corriente de salida más elevada. Un único terminal

de entrada.

• Comparadores: Slew rate muy elevado. Ganancias lazo abierto relativamente bajas.

(8) BUFFERS Y COMPARADORES


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