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1 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN
UNIVERSIDAD DE VIGO
Tema 11
EL AMPLIFICADOR
OPERACIONAL (II)
Tema 11Tema 11
EL AMPLIFICADOR EL AMPLIFICADOR
OPERACIONAL (II)OPERACIONAL (II)
CURSO 2010-2011
Dispositivos Electrónicos II
Miguel Ángel Domínguez GómezMiguel Ángel Domínguez Gómez
Camilo Camilo QuintánsQuintáns GrañaGraña
2 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
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El
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r o
pera
cio
nal
II
DEDE--IIII
IND
ICE
IND
ICE
11.1. Estructura Interna del Amplificador Operacional.11.1.1. Etapas diferenciales. 11.1.2. Etapa intermedia. 11.1.3. Etapa de salida: Salida push-pull. Distorsión de cruce. Salida totem-
pole.11.2. El amplificador operacional real.
11.2.1. Características de Entrada.11.2.2. Características de Salida.11.2.3. Características de Transferencia.
11. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL (II)11. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL (II)
3 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
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II
DEDE--IIII
ES
TR
UC
TU
RA
IN
TER
NA
ES
TR
UC
TU
RA
IN
TER
NA
11.1. Estructura Interna del Amplificador Operacional. 11.1. Estructura Interna del Amplificador Operacional.
Los amplificadores operacionales suelen estar formados por las siguientesetapas:1. Un etapa amplificadora de entrada diferencial y salida diferencial: Define las
características de entrada del AO. Suele ser un AD (Amplificador diferencial) basado:1. En transistores bipolares simples o en montaje Darlington para disminuir las
corrientes de entrada.2. Transistores FET que aumentan la impedancia de entrada.
2. Una segunda etapa de entrada diferencial y salida asimétrica: Aumenta la ganancia diferencial y adapta los niveles de continua para acoplar la salida a la siguiente etapa.
3. Una etapa intermedia: Provee ganancia de potencia y adapta los niveles de continua. Además, limita el ancho de banda total del amplificador en bucle abierto que garantiza su estabilidad. Suele consistir en un amplificador en emisor común.
4. Una etapa de salida: Suele ser un amplificador de corriente que disminuye la impedancia de salida para poder alimentar cargas relativamente bajas con protección contra sobre-corriente.
1 2 3 4
-
+
V-
V+Ad1 Ad2
fcAc Ai
Vo
4 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
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II
DEDE--IIII Ejemplo de estructura interna de una amplificador operacional
1ª Etapa diferencial 2ª Etapa diferencial
Etapa intermedia
Etapa de salida
ES
TR
UC
TU
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NA
ES
TR
UC
TU
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TER
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5 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
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DEDE--IIII
ETA
PA
DE
EN
TR
AD
AE
TA
PA
DE
EN
TR
AD
A
(a) Salida diferencial con acoplamiento directoa la entrada de la segunda etapa
(b) Salida asimétrica con acoplamiento directoa la entrada de la segunda etapa
Etapa de entrada
6 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
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II
DEDE--IIIIEtapa de salida. Amplificador de clase B y formas de onda para una tensión de salida sinusoidal.
ETA
PA
DE
S
ALID
AE
TA
PA
DE
S
ALID
A
7 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
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II
DEDE--IIII
Amplificador complementario de clase B que utiliza transistoresen configuración Darlington.
Etapa de salida de clase B, incluyendo un multiplicador de VBEpara reducir la distorsión de cruce.
Etapa de salida. Mejora en las prestaciones del amplificador de clase BE
TA
PA
DE
S
ALID
AE
TA
PA
DE
S
ALID
A
8 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
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DEDE--IIII
Simulación de una etapa de salida. Polarización.E
TA
PA
DE
S
ALID
AE
TA
PA
DE
S
ALID
A
703.9mV
D2
D1N4148
6.493mA
Vi
R5
2.2k
6.501mA
V
0
V
Q3
Q2N222210.62uA
1.960mA
D1
D1N4148
7.148mA
R3
1V1
FREQ = 1000VAMPL = 12VOFF = 0
654.7uA
VCC
Vo
0
VEE
R2
1
R12.2k
6.466mA
Q1Q2N2907A
-28.53uA
-6.409mA
6.438mA
Q2Q2N2907A
-28.53uA 7.187mA
41.09mV
0
44.99mV
Q4
Q2N2907A
0V
14.23V
R4
1k
43.02mV
-698.7mV
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DEDE--IIII
Simulación de una etapa de salida. Formas de onda.E
TA
PA
DE
S
ALID
AE
TA
PA
DE
S
ALID
A
D2
D1N4148 0
Q3
Q2N2222
Vi
R12.2k
VCC
0
VEE
R2
1
R4
1kR3
1
D1
D1N4148
Q2Q2N2907A
0
Q1Q2N2907A
V1
FREQ = 1000VAMPL = 12VOFF = 0
R5
2.2k
Q4
Q2N2907A
Vo
Ti me
0s 1. 0ms 2. 0ms 3. 0msV( VO)
- 10V
0V
10V
V( VI )
- 10V
0V
10V
I C( Q3) I C( Q4)
- 10mA
0A
10mA
SEL>>
• Q3 conduce el semiciclo positivo y Q4 el negativo.
• La ganancia de tensión es unitaria.
10 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
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II
DEDE--IIII Ejemplo de simulación de un AO
Eje
mp
lo c
om
ple
toE
jem
plo
co
mp
leto
Ti me
0s 0. 5ms 1. 0msV( VI )
- 5. 0mV
0V
5. 0mVV( VO)
- 1. 0V
0V
1. 0V
SEL>>
La ganancia diferencial es aproximadamente: 1000 mV / 5 mV = 200
C1
V1
FREQ = 1000VAMPL = 0.005VOFF = 0
8.181uA
VCC
Q4Q2N2222
867.4nA
117.7uA9.031V
620.5mV
V
R42.7k
5.555mA D2D1N4148
1.437mA
R610k
1.438mA
Q5Q2N2907A
-381.7nA
-83.55uA
-623.9mV
VEE
0V
0V
E
34.64mV
-15.00V
0V
Q1Q2N2222
8.181uA
1.371mA
-1.379mA
Vi-1.704mV
0
R31070
5.578mA
0
Q3Q2N2907A
-23.11uA
-5.555mA
5.578mA
Vo
R71k
34.64uA
R25k
1.348mA
0
Q2Q2N2222
8.181uA1.483mA
-1.491mA
R510k
1.438mA
R1
5k2.870mA
15.00V
D1D1N4148
1.437mA
11 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
11.2. El amplificador operacional real.11.2. El amplificador operacional real.
Dada la Estructura Interna del AO, no se pueden conseguir las características
ideales.
Las Características Reales se agrupan en:
• Características de Entrada.
• Características de Salida.
• Características de Transferencia.
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CA
RA
CTER
ISIT
ICA
S
RE
ALES
CA
RA
CTER
ISIT
ICA
S
RE
ALES
Los valores de estas características hacen que un AO sea idóneo para una aplicación concreta e inadecuado para otra, ya que la gama de AO que se fabrican es casi tan amplia como numerosas son las aplicaciones que los utilizan.
El nº de características que definen un AO es muy amplio ⇒ Conveniente conocerlas a fondo para identificar en que aplicaciones son más importantes cada una de ellas.
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CA
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ICA
S
DE
EN
TR
AD
AC
AR
AC
TER
ISIT
ICA
S
DE
EN
TR
AD
A11.2.1. Características de ENTRADA.11.2.1. Características de ENTRADA.
Determinadas por los bloques de entrada del amplificador.
Los AO contienen circuitos de entrada Acoplados en Continua. La corriente continua entra (o sale
de) 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
se denomina IB-:
1.1. Corriente de Polarización de Entrada (ICorriente de Polarización de Entrada (IBB))
(Input bias current): Valor medio de estas corrientes.
2.2. Corriente de Asimetría de Entrada (Corriente de Asimetría de Entrada (IIioio))(Input offset current) : Diferencia entre ambas
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 de
polarización tampoco lo son.
−+ −= BBio III
2III BB
B−+ +=
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RA
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ÍSTIC
AS
D
E E
NTR
AD
AC
AR
AC
TER
ÍSTIC
AS
D
E E
NTR
AD
A
−+ −= BBio III
2III BB
B−+ += 2
III io
BB +=+
2I
II ioBB −=−
Ejemplo: Ejemplo: µµA741A741
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AS
D
E E
NTR
AD
AC
AR
AC
TER
ÍSTIC
AS
D
E E
NTR
AD
AEl fabricante también indica las variaciones de ambas corrientes con la temperatura,
tensión de alimentación, y el tiempo.
Ejemplo: Ejemplo: µµA741A741
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AC
AR
AC
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D
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NTR
AD
A3. 3. Tensión de Asimetría de Entrada (VTensión de Asimetría de Entrada (Vioio):):
La tensión de salida del AO puede ser distinta de cero para una tensión de entrada
nula debido a las asimetrías anteriormente citadas.
El AO se comporta como si existiese un pequeño generador de tensión continua en
serie con uno de los terminales de entrada, que se denomina tensión de
desviación o tensión de asimetría de entrada (input offset voltage)
Ejemplo: LMEjemplo: LM741741
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D
E E
NTR
AD
AC
AR
AC
TER
ÍSTIC
AS
D
E E
NTR
AD
A
La dirección de la Corriente de Polarización IB es predecible para un tipo
determinado de AO.
• Por ejemplo, si los terminales de entrada del AO son los terminales de
BASE de transistores bipolares NPN, IB es positiva.
• Por el contrario, si son transistores bipolares PNP, IB será negativa.
2I
II ioBB +=+
2I
II ioBB −=−
La polaridad de la tensión de asimetría Vio y la dirección de la corriente de
asimetría Iio son impredecibles, 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 de Vio para un AO de la serie puede variar entre -6mV y +6mV.
Nota: POLARIDAD DE IB, Iio, Vio:
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D
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NTR
AD
AC
AR
AC
TER
ÍSTIC
AS
D
E E
NTR
AD
A4. 4. Impedancia de EntradaImpedancia de Entrada
La impedancia de entrada no es infinita. Se pueden considerar 2 impedancias
distintas en el AO:
• Impedancia en Modo Común (Zc)
• Impedancia en Modo Diferencial (Zd)
Zd es la más importante a efectos prácticos.
ZZcc
ZZcc
ZZdd
V+
V-
Ro Vo
+AdVd
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ÍSTIC
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D
E E
NTR
AD
AC
AR
AC
TER
ÍSTIC
AS
D
E E
NTR
AD
A
Resistencia y Capacidad de Entrada:
Debido a la presencia de capacidades parásitas en todos los transistores reales,
la Impedancia de Entrada de un AO se compone de:
• Parte resistiva: Resistencia de Entrada en Modo Diferencial (Rd)
y en Modo Común (Rc)
• Parte reactiva: Capacidad de Entrada (C)
ZZcc
ZZcc
ZZdd
V+
V-
Ro Vo
+AdVd
Fabricante:Siempre indica valor de Rd, y generalmente también C (orden de pF).Como Rc es siempre >> Rd, a menudo se puede despreciar y no se incluye en las hojas de características.
µA741: Rd=2 MΩ
19 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
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AC
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DE
SA
LID
A11.2.2. Características de SALIDA.11.2.2. Características de SALIDA.
1.1. Resistencia de Salida (Resistencia de Salida (RRoo)) (Output Resistance): No es igual a cero. Valor
típico: entre 50 y 500 Ω
2.2. Margen de Tensión de Salida o Excursión de Salida Margen de Tensión de Salida o Excursión de Salida ((Output Voltage Output Voltage
SwingSwing): ): Máxima tensión sin distorsión (i.e. sin que se produzca la saturMáxima tensión sin distorsión (i.e. sin que se produzca la saturación del ación del
amplificador) que podemos obtener a la salida).amplificador) que podemos obtener a la salida).
Suele ser de 1 a 2 V menores (en valor absoluto) que la tensión Suele ser de 1 a 2 V menores (en valor absoluto) que la tensión de alimentación.de alimentación.
ZZcc
ZZcc
ZZdd
V+
V-
Ro Vo
+AdVd
µA741: Ro=75 Ω
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A
3.3. Velocidad de Variación Máxima Velocidad de Variación Máxima de la Tensión de Salida (SR)(SR)
(Slew Rate): Relación entre el cambio de tensión de salida y el
tiempo mínimo requerido para efectuar este cambio. (Gran señal)
4.4. Tiempo de Subida Tiempo de Subida de la Tensión de Salida ((ttss)) ((Rise TimeRise Time): ):
Tiempo requerido por la tensión de salida para pasar del 10% al 90%
del valor final de tensión.
µA741: SR=0.5 V/µs⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
sV
tV
SR o
µ∆∆
µA741: ts=0.3 µs (pequeña señal)
5. Máxima Corriente de Salida o de Cortocircuito (5. Máxima Corriente de Salida o de Cortocircuito (IIscsc)) (Output Short
Circuit Current): Corriente que puede dar o aceptar el AO cuando su terminal
de salida se cortocircuita con la masa o con los terminales de alimentación.
Definen la frecuencia máxima a la que puede trabajar el AO
21 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
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IAC
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RE
NC
IA11.2.3. Características de TRANSFERENCIA.11.2.3. Características de TRANSFERENCIA.
1.1. Ganancia Diferencial en Lazo Abierto (AGanancia Diferencial en Lazo Abierto (Add)) (Open Loop Voltage Gain):
Relación entre la variación de la tensión producida en la salida (siempre dentro
de un rango especificado) y la variación de la tensión diferencial de entrada.
Parámetros que relacionan las señales de entrada con las de salida
• Se mide en V/mV (o en dB)
• Varía con la temperatura, la carga y la
tensión de alimentación.
µA741: Ad=200 (V/mV)
µA741
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NC
IA 2.2. Factor de Rechazo en Modo Común (CMRR)Factor de Rechazo en Modo Común (CMRR) (Common Mode Rejection
Ratio): Cociente entre la ganancia diferencial y la ganancia en modo común del
AO. Generalmente se expresa en dB.
µA741
µA741: CMRR=90 dB
23 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS II
3.3. Ancho de Banda (BW)Ancho de Banda (BW) (Bandwidth):
Frecuencia para la cual la ganancia en lazo
abierto disminuye 3 dB respecto a su valor
máximo.
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µA741
4.4. Producto Ganancia-Ancho de Banda (GBW) (Gain-Bandwidth Product):
Frecuencia a la cual la ganancia en lazo abierto del AO se reduce a la unidad.
También se suele denominar Frecuencia de Transición (ft).