Tema 11: El Amplificador Operacional

Tema 11: El Amplificador Operacional.

Contenidos

11.1 El OPA como Bloque Realimentado. 11.2 El OPA de una Etapa: Aumento de la

Ganancia. 11.3 El OPA de dos Etapas: Esquema de

Compensación. 11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.

1

11.1 El OPA como Bloque Realimentado.

2

Estructura del OPA como amplificador multietapa.

Características deseables del amplificador operacional real

• Estructura de entrada diferencial: El OPA es un amplificador

diferencial.

• Ganancia diferencial elevada (CMRR lo mayor posible):

Amplificadores diferenciales en cascada, estructuras cascodo.

• Impedancia de entrada elevada: Entradas FET, BJT tipo

Darlington, etc.

• Impedancia de salida pequeña: Estructura buffer de salida.

• Estable en el caso peor: Se necesita compensación.

ADIF

+

- Out-

Out+

ADIF

+

- Out-

Out++

- Out-

Out+

Vs

BUFFERCOMPENSACIÓN

Cm

Cm

ADIF

+

- Out-

Out+

Ad1(s) Ad3(s) Ad2(s) Adn(s) Av(s)

3

Estructura del OPA sencillo.

Objetivo

Se trata de obtener una estructura más sencilla que represente el OPA real.

Requisitos

• Se necesita como mínimo una estructura diferencial: el OTA que, además, proporciona ganancia

diferencial Hy(s) y rechazo al modo común. Además su impedancia de entrada diferencial Zed es la

del OPA resultante.

• Una etapa de compensación que también aporta parte de la ganancia total Hz(s) y el polo dominante

de la respuesta global wo.

• La etapa de salida será un buffer que proporcione la corriente necesaria a la carga sin aportar

ganancia al conjunto Hv=1 (realmente sería menor que 1) y con impedancia de salida reducida Zs.

OTA

+

-

OUT

BUFFER

Vs

COMP/GANANCIA

CmHy(s) Hz(s) Hv=1

Zed Zs

11.3 El OPA de dos Etapas: Esquema de Compensación.

4

Estructura del OPA sencillo.

Rc

Cm

Cbpb

Q9

Rb

Q1 Q2

Q3Q4

R1

R

Vcc

Vee

Q5

Q6

R3

R4

Vs

Q7

Q8

D1

D2

(+)

(-)

Etapa Diferencial:

Hy(s), Zed

Etapa

De

Compensación:

Hz(s), wo

Etapa Buffer:

Hv, Zs


5

Modelo de Pequeña Señal Simplificado del OPA.

Rc

Cm

Cbpb

Q9

Rb

Q1 Q2

Q3Q4

R1

R

Vcc

Vee

Q5

Q6

R3

R4

Vs

Q7

Q8

D1

D2

(+)

(-)

VsVaHv

ro1 R1

Cbpb

Cm

Rb ro9 Rc Rs

Ve2

Ve1

Etapa

De

Compensación:

Hz(s), wo

Etapa Diferencial:

Hy(s), Zed

Etapa Buffer:

Hv, Zs=0

gmd /2(Ve1-Ve2)

Zed=2rp1 rp9

gm9Vbe9

Vbe9 Vb


Diseño Simplificado del OPA.

6

VsVaHv

ro1 R1

Cbpb

Cm

Rb ro9 Rc Rs

Ve2

Ve1

Etapa De

Compensación:

Hz(s), wo

Etapa Diferencial:

Hy(s), Zed

Etapa Buffer:

Hv, Zs=0

gm1/2 . (Ve1-Ve2)=Ig

Zed=2rp1 rp9

gm9Vbe9

Vbe9 Vb


11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.

7

Configuración inversora: Versión OPA.

2

11

2

3

21

1

RIVentVsal

ZsalIVentAVsal

ZentIIVent

VentIRV

1

2

12

11

2

1

R

R

V

Vsal

RIVsal

IRV

0

0

0

2121

VentA

IIIIZent

VentZent

VentAVsalZsal

(Cortocircuito Virtual)

Vsal V-

V+

1I

2I

3I

+

-

8

Configuración inversora: Versión OTA.

1

2

212

1

2

1

)(

1

)()()(

2

1

1

11

Rg

RgvVs

RRIVV

Rg

vgI

Rg

vV

IVgVVgI

m

mg

gs

m

gm

m

g

mm

OTA

+

-

OUT

R2R1

Vg

Vs

V(-)

V(+)

1I 2I


9

Configuración no inversora (transtensión): Versión OPA.

2

11

2

3

21

1

RIVentVsal

ZsalIVentAVsal

ZentIIVent

IRVentV

1

21

121

11

2

1

R

R

V

Vsal

RIVVsal

IRV

0

0

0

2121

VentA

IIIIZent

VentZent

VentAVsalZsal

(Cortocircuito Virtual)

Vsal V-

V+ 1I

2I

3I

+

-


10

1

21

21

1)(

1

)()()(

2

1

)(

Rg

RRgvV

RR

vRV

IVvgVVgI

m

mgs

s

gmm

OTA

+

-

OUT

R2R1

Vs

Vg

V(-)

V(+)

1I

2I

Configuración no inversora (transtensión): Versión OTA.


CONDICIONES (Estáticas)

• Tensión en la entrada inversora: v(-)=v2.

• Tensión en la entrada no inversora: v(+)=v1.

• La salida vs sólo puede tomar como valores +Vsat ó –Vsat .

FUNCIÓN DE COMPARACIÓN

• vs = +Vsat si v(+)>v(-) ó de otro modo v2< V1

• vs = -Vsat si v(+)<v(-) ó de otro modo v2> V1

11

Comparador sin histéresis: Versión OPA.

Vs

-Vsat

Vs

V2-V1

+Vsat


12

Comparador con histéresis Inversor: Versión OPA.

+

-

OUT

R2

R1

Vs

ve

-Vsat

Vs

Ve

+Vsat

Vth(i) Vth

(s)

CONDICIONES (Estáticas)

• Tensión en la entrada inversora: v(-)=ve.

• Tensión en la entrada no inversora: v(+)=vsR1/(R2+R1).

• La realimentación está conectada a la entrada no inversora,

luego el sistema es inestable y la salida vs sólo puede tomar

como valores +Vsat ó –Vsat .

• Valor umbral superior: Vth(s)= +Vsat R1/(R2+R1).

• Valor umbral inferior: Vth(i)= -Vsat R1/(R2+R1).

FUNCIÓN DE COMPARACIÓN

• vs = +Vsat si v(+)>v(-) ó de otro modo ve< Vth(s)

• vs = -Vsat si v(+)<v(-) ó de otro modo ve> Vth(i)

HISTÉRESIS

• Se define la histéresis del comparador a la diferencia de

umbrales: HIST= Vth(s) - Vth

(i).

• La histéresis es una medida de la inmunidad del

comparador a variaciones indeseadas (ruido) de la señal de

entrada.


OPA

+

-

OUT

R

Vg

Vs

D

13

Amplificador Logarítmico.

)ln(

)()1(

RI

VVV

VV

eIeIIR

VI

s

g

ts

sd

V

V

s

V

V

se

g t

d

t

d

Válido sólo para Vg>0

I eI


OPA

+

-

OUT

R

Vs

Vg

D

14

Amplificador Exponencial.

gd

s

V

V

s

V

V

sd

VV

R

VI

IeIeII t

d

t

d

)()1(

)( t

g

V

V

ss eIRV

IdI

Válido sólo para Vg>0


15

Amplificador Sumador (Mezclador): Versión OPA

4

44

3

33

2

22

1

11

R

VI

R

VI

R

VI

R

VI

Vs

1I

2I

3I

4I

aI

aas

a

a

RIV

R

V

R

V

R

V

R

VI

IIIII

4

4

3

3

2

2

1

1

4321

4

4

3

3

2

2

1

1

R

V

R

V

R

V

R

VRV as


16

Amplificador Sumador (Mezclador): Versión OTA

1I

aI

smaa

a

VgI

IIIII

4321

444

333

222

111

VgI

VgI

VgI

VgI

m

m

m

m

4

43

32

21

1 Vg

gV

g

gV

g

gV

g

gV

ma

m

ma

m

ma

m

ma

ms

OTA

+

-

OUT

OTA

+

-

OUT

OTA

+

-

OUT

OTA

+

-

OUT

OTA

+

-

OUT Vs

V1

V2

V3

V4

2I

3I

4I


17

Amplificador Sumador-Restador: Versión OPA.

1

1

12

2 1R

RV

R

R

RR

RVV aa

b

bs

Vs

1I

2I2I

1I

R1

V1

R2

U1A

TL082/301/TI

+3

-2

V+8

V-4

OUT1

Ra

0

0

-VCC

VCCV2

Rb

0

)(V

)(V

b

b

RR

RVV

2

2

)(

)()( VV

a

s

R

VV

R

VVI

)(

1

)(

11


OTA

+

-

OUT

OTA

+

-

OUT

OTA

+

-

OUT

V2

V1

Vs

18

Amplificador Sumador-Restador: Versión OTA.

1I

2I

aI

222

111

VgI

VgI

m

m

smaa

a

VgI

III

21

22

11 V

g

gV

g

gV

ma

m

ma

ms


19

Amplificador de Instrumentación.

Vg1

+3

-2

V+8

V-4

OUT1

R1

0

VCC

-VCC

+5

-6

V+8

V-4

OUT7

-VCC

VCC

+5

-6

V+8

V-4

OUT7

-VCC

VCC

R1 R2

R2

R3

R3

R4

Vg2

0

0

Vs

Vg2

Vg1

Va

Vb

))((

1

1

2

3

4

11

4

12

4

12

4

11

1

2

4

12

1

1

R

RVVV

R

RV

R

RVV

R

RV

R

RVV

R

VV

R

VV

R

VV

abs

ggb

gga

gbggag

4

1

2

312

21)(

R

R

R

RVVV ggs


OTA

+

-

OUT

Vg

OTA

+

-

OUT

Imt

20

El Girador de Inmitancias (Gyrator).

ZggI

vZ

vZggI

mmg

g

e

gmmg

21

21

1

gI

gmaa

a

mg

vgI

ZIVV

VVgI

)()(

)()(

2

;0

V(+)

aI

eZ


OPA

+

-

OUT

R

Vs

Vg

C

21

El Integrador: Versión OPA.

dtVCR

dtIC

V

RIV

es

e

11

I

w

wjCR

jV

V

e

s

1


OTA

+

-

OUT Vs

Vg

C

22

El Integrador: Versión OTA.

dtvC

gtv g

ms )(

I Cj

vgv

vgI

gm

s

gm

w


23

El Integrador (OPA).

OPA

+

-

OUT

R

Vs

Vg

CI

Tiempo 100.0ms 100.2ms 100.4ms 100.6ms

Vg

Vs

-10V

-5V

0V

5V

10V

-12V

12V


24

El Integrador (OPA).

OPA

+

-

OUT

R

Vs

Vg

CI

Frecuencia

100.0mHz 300.0mHz 1.00Hz 3.00Hz 10.0Hz 30.0Hz 100.0Hz 300.0Hz 1.00KHz 3.00KHz 10.0KHz 30.0KHz 30.5mHz 98.8KHz

20log(Vs/Vg)

0

40.0

80.0

-30.1

110.4


25

El Derivador: Versión OPA.

dt

VdCRRIV

dtIC

V

g

s

g

)(

1

ww jCRjV

V

g

s

OPA

+

-

OUT

R

Vs

Vg

CI

26

El Derivador: Versión OTA.

OTA

+

-

OUT Vs

Vg

C

OTA

+

-

OUT

OTA

+

-

OUT

g

mm

s

mmmm

e

vgg

Cjv

gg

Cj

ZggZ

CjZ

21

2121

1

1

w

w

weZ

dt

dV

gg

Ctv

g

mm

s

21

)(


27

El Derivador (OPA).

OPA

+

-

OUT

R

Vs

Vg

C

Tiempo

10ms 11ms 12ms 13ms 14ms 15ms 16ms

Vg Vs

-4.0V

0V

4.0V

-6.0V

6.0V


28

El Derivador (OPA).

OPA

+

-

OUT

R

Vs

Vg

C

Frequency

100mHz 300mHz 1.0Hz 3.0Hz 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 30mHz

-80.0

-40.0

-0.0

-109.8

28.3

20log(Vs/Vg)


11.4 Controladores Básicos

sTK

Vgenerador

Vsal

i

p

11

29

Configuración PI

Vsal

22

1

2

CRT

R

RK

i

p

V2

15V

U1ATL082/301/TI

+3

-2

V+

8

V-4

OUT1

V3

-15V

R2

1.2k

0 0

0

0

R1

1.2k

Vgenerador

C2

1u


30

Configuración PI

Vsal

Fase(Vsal/Vgenerador))

20log(Vsal/Vgenerador))

V2

15V

U1ATL082/301/TI

+3

-2

V+

8

V-4

OUT1

V3

-15V

R2

1.2k

0

0

0

0

R1

1.2k

Vgenerador

C2

1u

Frecuencia

100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz 120d

140d

160d

180d

-5.0

0

5.0


31

Configuración PD

V2

15V

U1ATL082/301/TI

+3

-2

V+

8

V-4

OUT1

C1

2.2n

V3

-15V

R2

1.2k

0 0

0

0

R1

1.2k

Vgenerador

Vsal

sTKVgenerador

Vsaldp 1

11

1

2

CRT

R

RK

d

p


32

Configuración PD

V2

15V

U1ATL082/301/TI

+3

-2

V+

8

V-4

OUT1

C1

2.2n

V3

-15V

R2

1.2k

0 0

0

0

R1

1.2k

Vgenerador

Vsal

Frecuencia

100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz -180d

-160d

-140d

-120d

-4.0

0

4.0

8.0




sT

sTK

Vgenerador

Vsald

i

p

11

33

Configuración PID

Vsal

2211

2211

2211

21

2211

CRCR

CRCRT

CRCRT

CR

CRCRK

d

i

p

V2

15V

U1ATL082/301/TI

+3

-2

V+

8

V-4

OUT1

C1

2.2n

V3

-15V

R2

1.2k

0 0

0

0

R1

1.2k

Vgenerador

C2

1u


34

Configuración PID

Vsal

V2

15V

U1ATL082/301/TI

+3

-2

V+

8

V-4

OUT1

C1

2.2n

V3

-15V

R2

1.2k

0 0

0

0

R1

1.2k

Vgenerador

C2

1u

Frecuencia 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz

120d

160d

200d

240d


0

4.0

8.0


Hidalgo López, José A.; Fernández Ramos Raquel; Romero Sánchez, Jorge (2014). Electrónica. OCW-Universidad de Málaga. http://ocw.uma.es. Bajo licencia Creative Commons Attribution-NonCommercial-Share-Alike 3.0 Spain

http://ocw.uma.es/

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