Simulacin de circuitos electrnicosTema 4: El amplificador operacional

GRUPO SCE 17 MIGUEL NGEL MARTN ROMERO

El Amplificador Operacional

Introduccin

- El AO es un circuito integrado de bajo coste capaz de realizar multitud de funciones con pocos componentes discretos. - Son utilizados para amplificar seales de corrientes continuas y para seales de corrientes alternar - Ejemplos de funciones lineales: Calculo analgico, convertidores V-I e I-V, amplificadores de instrumentacin y filtros activos. - El AO se comporta de forma lineal si: Hay camino de circulacin de corriente entre la salida y la entrada negativa. La tensin de salida no supera los limites de la tensin de alimentacin. Es posible realizar funciones matemticas, de ah su nombre: - Sumador - Restador - Integrador - Diferenciador - Amplificadores de instrumentacin

El amplificador operacional ideal

Caractersticas

- El voltaje de salida del amplificador, V0, es siempre proporcional a la diferencia entre los voltajes de entrada, V1 y V2, esto es V0 = A(V2-V1). - El factor de amplificacin de voltaje A es muy alto, idealmente infinito, e independiente de la frecuencia. Se supone adems que el amplificador est libre de las inestabilidades ocasionadas por la elevada ganancia. - La resistencia de entrada medida entre los dos terminales de entrada, Ri, es muy alta e idealmente se puede considerar infinita. - La resistencia de salida, R0, es muy baja y se aproxima a cero. - Ancho de banda infinito.

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El amplificador operacional idealPor las entradas no circula intensidad, por tanto:

Caractersticas

Si no existe realimentacin, o hay realimentacin positiva, la ganancia de la etapa es infinita y el AO est saturado.

Si existe realimentacin negativa,

Aplicaciones lineales ms utilizadasEn general, habr realimentacin negativa cuando la salida se lleve a la entrada invertida. Ejemplos:

Aplicaciones como fuente controlada

Conversin I/V

Objetivo: obtener una tensin V(t) proporcional a una corriente i(t)

Circuito simple

Circuito mejorado

i(t) R Ze=R

i(t)

VR(t)

i(t) R Vo(t)

V(t) Ze=0

Vd +

Vo (t) ! i(t) R

Vo ( t ) ! VR ( t ) ! i( t ) R

Aplicaciones como fuente controlada

Conversin V/I

Objetivo: obtener una corriente i(t) proporcional a una tensin V(t). Carga flotante

R

i Vi +

i

Z Vo

Vi R

i -

i

Z Vo

+

Amplificador no inversor

Vi ( t ) i( t ) ! R

Amplificador inversor

Aplicaciones como fuente controlada

Conversin V/I

Objetivo: obtener una corriente i(t) proporcional a una tensin V(t). Carga no flotante

is ( t ) ! f V2 V1 Siempre y cuando: -Vcc Vo +Vcc Vo

V1 R1 VV2 R1 V+ is Z +

R2

R2

R2 V0 ( t ) ! V ( t ) 1 R 1 R1 V (t ) ! Vo (t ) R1 R 2 V (t ) ! Vo (t ) R1 Z R1 Z R 2

y (V-)>(V+)V2 V1 i s (t ) ! R1

Amplificador de instrumentacinFormado por amplificadores diferenciales que permiten un ajuste simple de la ganancia. El ms usual se hace con tres amplificadores operacionales y se obtiene un mejor desempeo con respecto a un solo amplificador. Al ser tres amplificadores estos presentan un rechazo de modo comn al menos diez veces mayor.

R 2 R V0 ! 3 1 2 2 V1 R V R1 4

Circuitos con AO con memoria

Integrador

Esta configuracin toma la integral de la seal de entrada al circuito. La ecuacin que describe este comportamiento es la siguiente:

Vc Vi R i i +Como Vo(t)=-Vc(t) entonces

C Vo

Dado que Vd=0

Vd

Vi ( t ) i( t ) ! RLa tensin Vc es:t

1 Vc ( t ) ! i( t ) dt Vc (0) C0 1 Vi ( t ) Vc ( t ) ! dt Vc (0) C0 Rt

1 Vo ( t ) ! Vi ( t ) dt Vc (0) R C 0

t

Circuitos con AO con memoria

Diferenciador

Su funcin consiste en tomar la derivada de la funcin de entrada. La salida de este circuito es de forma inversa y la ecuacin que representa la salida es la siguiente:

Vc Vi C i i +

Dado que Vd=0

VR R Vo

dVi ( t ) i( t ) ! C dt

La tensin VR es: Como Vo(t) es: entonces:

VR (t ) ! i (t ) R

Vo ( t ) ! VR ( t )

Vd

dVi ( t ) Vo ( t ) ! RC dt

Circuitos con AO con memoria

Filtros activos de primer orden

Esta compuesto por un amplificador operacional de ganancia unitaria mas un circuito RC. El valor de R y Rf deben ser iguales para asegurar la ganancia igual a uno.

Para determinar el filtro deseado, se debe definir la frecuencia de corte wc, esta frecuencia se calcula a partir del circuito RC de entrada al amplificador

1 wc ! ! 2Tf c RC

wc Esta dada en radianes por segundos fc Esta dada en hertz R Esta dada en ohm C Esta dada en Faradios

Aplicaciones no lineales

El rectificador

Permiten rectificar seales menores que la tensin umbral de los diodos. - Utilizan AO y diodos. - El anlisis simple consiste en: - Suponer inicialmente que los diodos estn en OFF. - Verificar esta suposicin.

Aplicaciones no lineales

Comparador

El AO se puede utilizar como comparador de nivel si no se realimenta:

Estos comparadores presentan problemas si hay ruido en sus entradas. El ruido son variaciones no deseadas (normalmente rpidas) de la seal.

Aplicaciones no linealesComparador inversor con histresis:

Comparador

Comparador no inversor con histresis:

Aplicaciones no lineales

Multivibrador aestable

Se trata de un comparador con histresis carga y descarga a C por R. - Est basado en un comparador con histresis inversor. - Si v0 = Vcc-, C se carga por R hasta Vcc-*R1/R1+R2 - Cuando vc alcanza ese umbral , v0 pasa a Vcc+ - Con v0 = Vcc+ C se carga por R hasta Vcc+*R1/R1+R2 - Cuando vc alcanza ese umbral, v0 pasa a Vcc-

El AO realModelo simplificado:

Caractersticas

Diferencias bsicas entre AO ideal y AO real:

El AO realCorriente de entrada IB (Input BIAS Current)

Caractersticas

La impedancia de entrada tiene carcter finito. Esta corriente ser entrante o saliente dependiendo del amplificador. Se define como la semisuma de las corrientes en cada entrada. Esta corriente limita el valor mximo utilizable para los resistores de entrada y de realimentacin, ya que genera cadas de tensin en ellos. OFFSET de la corriente de entrada: IOFFSET Las entradas de un AO presentan un grado de asimetra, por estas asimetras las corrientes de entrada sern diferentes entre ambas entradas. Estas desviaciones pueden alcanzar el 25%.

OFFSET de tensin de entrada Es la diferencia de tensin que se obtiene entre los dos pines de entrada cuando la tensin de salida es nula, este voltaje es cero en un amplificador ideal lo cual no se obtiene en un amplificador real. Esta tensin puede ajustarse a cero por medio del uso de las entradas de offset .

El AO realGanancia con tensin finita

Caractersticas

La ganancia de tensin presenta valores muy altos pero finitos. La condicin de retroalimentacin reduce la ganancia y extiende el rango plano de la respuesta en frecuencia. Se logra una buena aproximacin estimando que el producto ganancia por el ancho de banda se mantiene constante para toda razn de realimentacin.

Impedancia de salida finita Es un valor no nulo, siendo muy bajo decrece al realimentar al AO. Se especifica como lmite absoluto o corriente cortocircuito o en funcin de la magnitud de la tensin en la misma salida.

Rango de tensin de entrada Aplicada en forma comn a ambas entradas, o en forma diferencial, la tensin mxima es algo menor que la de polarizacin.