Tema 5 - El Amplificador Operacional

Unidad 5

El amplificador operacional

[email protected]

Departamento de Tecnologa Electrnica

Fundamentos de Electrnica Industrial

(509103004)

ndi

ce

5. El amplificador operacional 5.1. Amplificadores. 5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales 5.3. Realimentacin negativa 5.4. Tipos de aplicaciones 5.5. Aplicaciones no lineales 5.6. Aplicaciones lineales

5 El amplificador operacional. 5.1. Amplificadores.

5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales

5.3. Realimentacin negativa

5.4. Tipos de aplicaciones

5.5. Aplicaciones no lineales

5.6. Aplicaciones lineales

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El Amplificador Operacional

5.1. Amplificadores. Circuitos equivalentes

Un amplificador es un dispositivo que magnifica una seal. La potencia que ofrece en la salida ha de ser mayor que la presente en la entrada; por lo que es necesario el uso de una fuente de energa (fuente de tensin).

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5.1. Amplificadores. Circuitos equivalentes Parmetros caractersticos Ganancia: Expresa la relacin entre la

magnitud de salida y la de entrada.

Impedancia de entrada: relacin entre el voltaje y la corriente de entrada Cuando se aplica un voltaje a la entrada de un circuito fluye una corriente. El valor de esta corriente va a depender de la impedancia de entrada que presente dicho circuito.

Impedancia de salida: resistencia equivalente a la salida. Es responsable de la diferencia entre la tensin de salida bajo condiciones de ausencia de carga y con carga externa, debido fundamentalmente a la corriente que fluye a travs de ella desde la salida del operacional hasta la carga.


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El amplificador operacional es un caso particular de amplificador diferencial



Los amplificadores pueden tener como entrada una sola tensin medida con respecto a una tensin de referencia (masa), o tener dos entradas y un terminal de salida, en el que aparece una tensin proporcional a la diferencia de las tensiones aplicadas en las entradas, amplificador diferencial.

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8

Los primeros trabajos sobre A.O. datan de la dcada de los 40 y estn relacionados con calculadores analgicos capaces de resolver ecuaciones integrodiferenciales. De aqu procede el nombre de operacional; dado por ser capaz de realizar operaciones matemticas.

Los primeros A.O. estaban realizados con vlvulas y tenan muchas limitaciones; pero a medida que la tecnologa de los circuitos integrados ha permitido obtener dispositivos de mejores caractersticas, el A.O. ha ido aumentando su popularidad.

Actualmente el A.O. es un componente bsico en la electrnica analgica y existen infinidad de aplicaciones tpicas tanto lineales como no lineales: Osciladores Filtros activos Fuentes de tensin Comparadores Convertidores A/D y D/A Multiplexores Moduladores y demoduladores



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+

+V

V



Smbolo: punta de flecha que representa la alta ganancia en la direccin del flujo de seal (entrada salida)

Entradas: inversora (-) y no inversora (+) Usualmente existe una sola salida La mayora trabajan con tensiones de alimentacin simtricas (+Vcc,

-Vcc), muchas veces no aparecen, pero siguen existiendo)

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+

+V

V






11

+

+V

V






12

Detalles sobre sus principales terminales (I)

Terminales de la fuente de alimentacin ( patillas 4 y 7):



Los terminales +Vcc y Vcc del A.O. deben conectarse a una fuente de alimentacin de tres terminales (positivo, negativo y comn)

Tpicamente: +Vcc = +15V Vcc = -15V El terminal comn de la fuente (masa) puede estar o no conectado a

tierra real, aunque habitualmente se represente un smbolo de tierra en los diagramas

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Detalles sobre sus principales terminales (II)

Terminal de salida ( patilla 6):



Slo hay un terminal de salida, que es donde se conectarn la carga. Existe un lmite para los valores de tensin e intensidad que pueden presentarse a la salida.

El lmite de tensin positivo se suele denominar voltaje de saturacin positivo y el lmite negativo voltaje de saturacin negativo.

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5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales Detalles sobre sus principales terminales (III)

Terminales de entrada ( patillas 2 y 3):


Hay dos terminales de entrada; los cuales se encuentran diferenciados por los smbolos + (entrada no inversora ) y (entrada inversora).

A partir de esto, se define el voltaje diferencial (Vd) como: Vd = V (pin +) V (pin )

Se suelen denominar tambin terminales de entrada diferencial, ya que el voltaje de la salida (Vo) depende de la diferencia de voltaje entre ellas (Vd) y de la ganancia del amplificador en lazo abierto (Aol).

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5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales Modelos del amplificador operacional (AO)

AO Real: con sus caractersticas reales de AV,Rin,Rout, etc..

AO Ideal: modelo matemtico simplificado para resolver fcilmente circuitos.


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5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales Caractersticas del amplificador operacional (AO) ideal

Definimos un amplificador operacional ideal como un amplificador diferencial que presenta las siguientes caractersticas: Impedancia de entrada infinita, para no modificar la tensin a amplificar (real 106 a 1012 ). Impedancia de salida nula, para que la tensin de salida no fuese modificada por la carga (real 75 a 103 como mucho). Ganancia infinita (real 106 a 1012 ). En consecuencia, su circuito equivalente ser el siguiente


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Caractersticas del amplificador operacional (AO) ideal (II)

De las caractersticas antes enunciadas es posible deducir las siguientes consecuencias:

Impedancia de entrada infinita: Por las patas + y del AO ideal entrarn i+=i-=0A . Impedancia de salida nula: tensin de salida ideal no afectada por la carga conectada a la salida : Us = AOL Ed Ganancia infinita: V+ = V-. En muchas ocasiones V+ = 0V. Esto origina el denominado principio de TIERRA VIRTUAL: V+ = V- = 0V sin que haya corriente a tierra (i+ = i- = 0 por la Ze = ) Demostracin: Vs=valor finito= AOL *Ve Ve=Vs/AOL Como AOL= Ve=Vs/ =0 cortocircuito virtual




Vd = 0

I - = 0

I + = 0

Aol = VO

AVd

El amplificador operacional ideal

Ganancia infinita: V+ = V- Vd = 0 Demostracin:

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En muchas ocasiones V+ = 0 V. Esto origina el denominado principio de TIERRA VIRTUAL: V+ = V- = 0 V (adems I+ = I- = 0 por la Zi = )

VO = AolVd

Estructura interna del A.O ideal

V- V+

IE

IC1 IC2

VE

-VCC

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5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales Modos de la seal de entrada

La seal de entrada puede aplicarse a un A.O. en modo diferencial o en modo comn.

Las seales en modo diferencial se pueden aplicar en modo: - Single-ended (un terminal conectado a masa) - Double-ended (fases opuestas conectadas a las entradas).

Vin

+

Vout


( )21 VVVd =

Vin

+

Vout

invertida

Seales diferenciales

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5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales Modos de la seal de entrada (II)

En modo comn, se aplican a las dos entradas dos voltajes de seal de la misma fase, amplitud y frecuencia.

Habitualmente, las seales en modo comn provienen de fuentes no deseadas y afectan de la misma manera a los terminales de entrada. El resultado es que su efecto se cancela en la salida. Esta accin se denomina rechazo en modo comn, y evita que el ruido aparezca a la salida y distorsione la seal.

Vin

Vin

+

Vout

Vin

+

Vout

Seales en modo comn


21

5.2. Introduccin a los amplificadores operacionales Ganancia diferencial y ganancia en modo comn

Una de las caractersticas ms importantes del amplificador diferencial como etapa de entrada de un AO es:

Amplificar vigorosamente las seales diferenciales(opuestas a los dos entradas) Slo se amplifican ligeramente las seales comunes a ambas entradas(ideal ACM=0)

La mayor parte de las tensiones continuas, interferencias y otras tensiones no deseadas son seales en modo comn (comunes a las dos entradas)

As que es bueno que el Amplif.Diferencial las amplique muy ligeramente.

Vin

+

Vout


Vin

+

Vout

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Razn de rechazo al modo comn (CMRR) La razn de rechazo al modo comn (CMRR, Common Mode Rejection Ratio), se define como la medida de la capacidad de un A.O. para rechazar seales en modo comn

CMRR se define como: ol

cm

AA

=CMRR

donde Aol es la ganancia de voltaje diferencial en lazo abierto y Acm es la ganancia en modo comn.

Cuanto mayor sea CMRR, mejor. Un alto CMRR amplifica la seal deseada y la discrimina frente a la seal en modo comn

CMRR se puede expresar tambin en decibelios (dB):

20log olcm

AA

=

CMRR


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Razn de rechazo al modo comn (CMRR) (II)

Cul es el valor, en decibelios, de un A.O. 741C tpico?

El valor tpico de la ganancia diferencial de un 741C es de 200.000 y el de la ganancia en modo comn es de 6,3.

90 dB

20log olcm

AA

=

CMRR

200,00020log6.3

= =

(el mnimo CMRR especificado para un 741c es de 70 dB.)


Parmetros de un A.O. Tensin

VO(p-p): excursin mxima de voltaje de salida. Est determinada por el A.O. y los voltajes de alimentacin

Parmetros de un A.O. real. Excursin VO

Parmetros de un A.O. Corriente

IBIAS: la corriente de polarizacin de entrada es la media de las dos corrientes dc necesarias para polarizar los transistores que componen el amplificador operacional.

IOS: el desequilibrio de corrientes de entrada es la diferencia entre las dos corrientes de polarizacin de entrada.

Parmetros de un A.O. real. IBIAS e IOS

Parmetros de un A.O. Tensin

VOS: offset de voltaje de entrada. Es el voltaje diferencial de continua que se requiere poner entre los terminales de entrada para forzar la salida a 0 voltios

Parmetros de un A.O. real. Offset

Para compensar el offset, se conectan las dos entradas a masa y se ajusta la R variable hasta que la salida vale 0 V


Parmetros de un A.O. real. Resumen

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Vd

I -

I +

Aol = VO

AVd

Parmetro Valor ideal Valor real (ejemplo) Zi 10 T Zo 0 100 Aol 100.000 CMRR 90 dB VOS 0 6 mV

Excursin mx 12 V (a Vcc=15 V) I+, I- 0 IBIAS=80nA BW 1 MHz

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5.3. Realimentacin negativa La realimentacin negativa es el proceso por el que se re-introduce en la entrada una porcin de la seal de salida con un ngulo de fase tal que se opone a la seal de entrada.

Vout+

Vin

Vf

Internal inversion makes Vf180 out of phase with Vin.

Negativefeedback

circuit

La ventaja que ofrece la realimentacin negativa es que permitir ajustar valores exactos de ganancia para un amplificador.

Adems, el ancho de banda y las impedancias de entrada y salida se podrn controlar.


Se obtiene una aplicacin lineal cuando se realimenta negativamente el A.O., al permitir ajustar y controlar la ganancia.

Aplicaciones del amplificador operacional

5.4. Tipos de aplicaciones No lineales: El amplificador no presenta realimentacin, o se

encuentra realimentado positivamente. De esta forma, la salida tiende a tomar los valores correspondientes a las tensiones de saturacin.

Lineales: El amplificador se encuentra realimentado

negativamente. De esta forma, gracias al uso de componentes electrnicos adicionales constitutivos de la denominada red de realimentacin, el operacional trabaja en zona lineal, ofreciendo una ganancia controlada.

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Conceptos previos

Al estar trabajando con realimentacin negativa, se pueden aplicar las siguientes consideraciones prcticas:

Impedancia de entrada infinita => i+ = i- = 0A Ganancia infinita (tierra virtual) => u+ = u-

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Amplificador inversor es una configuracin en la que la seal de entrada se aplica a traves de un resistor de entrada Ri conectado en serie con la entrada inversora y la entrada no inversora se conecta a tierra. La salida est desfasada 180 con respecto la entrada.

Amplificador inversor

(I)f

cli

RA

R=

+

Rf

Vout

Ri

Vin

0 V (virtual ground)

i

f

entfi

ent

fi

entent

RR

VV

RV

RV

RV

RVI

=

=

==

=

==+

00

0f

fent

-

I

II0VV


32


Amplificador inversor

Determine la ganancia del ampificador inversor mostrado en la figura

82 k3.3 k

=

= 24.8

+

Rf

Vout

Ri

Vin

82 k

3.3 k

(I)f

cli

RA

R=

El signo menos indica inversin


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Amplificador no inversor es una configuracin en la que se aplica la seal de entrada a la entrada no inversora, y una porcin de la seal de salida se vuelve a aplicar a la entrada inversora. (la tensin de salida est en fase con la entrada)

(NI) 1f

cli

RA

R= +

Amplificador no inversor

Rf

Ri

Vf

Vin

+

Feedbackcircuit

Vout

Suponemos tierra virtual:

i

f

i

fi

in

infi

i

RR

RRR

VV

VRR

R

+=+

=

=+

=

==+

1

VV

VV VV

0

0f

fin -

En este caso la ganancia siempre es mayor que 1

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(NI) 1f

cli

RA

R= +

Determine la ganancia del amplificador no inversor de la figura.

Rf82 k

Vin +

Vout

Ri3.3 k

82 k13.3 k

= +

= 25.8




1o VV =

La configuracin seguidor de tensin o amplificador de ganancia unidad es una caso especial del Amplificador no inversor donde todo el voltaje de salida es realimentado a la entrada inversora mediante una conexin directa.

La salida tiene la misma polaridad y magnitud que la entrada.

Acl=1


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5.5. Aplicaciones lineales Aplicaciones del seguidor de tensin Las caractersticas que presenta el seguidor de tensin lo hace

adecuado para su uso como adaptador de impedancias de distintas etapas, y para disminuir la cada producida por el uso de instrumentos de medida inadecuados, que tengan baja impedancia de entrada

V091,0V1R2R

2RUA =+= V002,0V

1RRvolt//2RRvolt//2RUA =+

=

a) Valor terico b) Influencia de la impedancia del voltmetro de medida b) Influencia de la impedancia del voltmetro de medida

Vin = 3 V

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5.5. Aplicaciones lineales Aplicaciones del seguidor de tensin (II)

c) Solucin basada en un seguidor de emisor

2RRin2RRin2RRin//2R +

= Al ser la impedancia de entrada del seguidor infinita, el paralelo se puede aproximar al valor de R2, obteniendo as el valor terico que debera ofrecer la medida si no hubiera instrumento colocado

V1R2R

2RV1RRvolt//2R

Rvolt//2RUA +

+=

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Amplificador sumador es una configuracin que proporciona un medio para sumar de forma algebraica tres voltajes.

Amplificador sumador

++=

++=

++=

== +

33

f2

2

f1

1

fo

3

3

2

2

1

10

321

-

VRRV

RRV

RRV

0V

RV

RV

RV

RV

iiiiVV

f


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Amplificador integrador es una configuracin en la que la salida es la integral de la entrada.

El elemento clave es el condensador que se rige por la siguiente ecuacin

Amplificador integrador

=

=

=

==

=

(t)dtvRC1(t)V

*

)0(*0

*i

10

01

01

c

dtdVC

RV

dtVdC

RVii

dtdVC

c

c


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Amplificador diferenciador es una configuracin en la que obtenemos la derivada de la entrada.

Amplificador diferenciador

dt(t)dvRC(t)v

0V

1o

01

=

==

== +

RV

dtdVCi

VV



41

Amplificador sustractor (1)

RVV

RVVII

I en Kirchhoff

f

Oi

fi

-

0

0

1

=

+

=+

(2) VVRR

RV

RV

RVVII

I en Kirchhoff

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+

++

+

=+

=

=

+

=+

223

3

32

2 000

:(2) (1) VVAol === +

11

223

3

1

1 VRR

VRR

RR

RRV ffO

+

+

=

f3

21

RRRRR

hacemos Si

=

==

( )12 VVRR

V fO =


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5.5. Aplicaciones lineales Amplificador de instrumentacin

)(21 121

3 VVRRVVV abO

+==

abO VVVSustractor

=

2211 VU VUVVAol

==

== +

0

0

1

21

3

2

1

12

3

1

=

+

=

+

==+

RUU

RUV :U Nodo

RUU

RUV :U Nodo

:0)I(I Kirchhoff

b2

a1

-

Despejamos Va y Vb

Muy utilizado en instrumentacin. Ofrece una elevada ganancia. Tiene salida diferencial (resta de entradas), por lo que elimina el ruido que se acople a las entradas.

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5.6. Aplicaciones no lineales Circuito Comparador

Los comparadores son circuitos no lineales que, como su nombre indica, sirven para comparar dos seales (una de las cuales generalmente es una tensin de referencia) y determinar cul de ellas es mayor o menor. La funcin del comparador es comparar dos tensiones obtenindose como resultado una tensin alta ((+VSAT ) o baja (-VSAT )

VO

+VSAT

-VSAT

Vd = V+ - V-

Si Vin > Vref VO = +VSAT Si Vin < Vref VO = -VSAT

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5.6. Aplicaciones no lineales Circuito Comparador (II) En el circuito siguiente, la salida va conmutando a +Vcc o a Vcc, en funcin de que la seal de entrada (Vi) sea mayor o no que la referencia (VT). Si la referencia se pone a 0 se dice que se tiene un detector de pasos por cero.

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5.6. Aplicaciones no lineales Circuito Comparador (II) En el circuito siguiente, la salida va conmutando a +Vcc o a Vcc, en funcin de que la seal de entrada (Vi) se a mayor o no que la referencia (VT). Si la referencia se pone a 0 se dice que se tiene un detector de pasos por cero.

Detector de paso por cero

Qu pasa si hay ruido en Vi?

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5.6. Aplicaciones no lineales Circuito Comparador de ventana (Schmitt Trigger) Usa dos niveles o umbrales para cambiar de estado (salida = dos

niveles (+Vout(max) y Vout(max)): Umbral superior de voltaje (VUTP, upper trigger point) Si Vin > VUTP

conmuta salida Umbral inferior de voltaje (VLTP, lower trigger point) -> Si Vin < VLTP

conmuta salida

Vin 0 t

VUTP

VLTP

+Vout(max)

Vout(max)

A este efecto se conoce como ciclo de histresis, se usa para prevenir el ruido que podra solaparse a la seal original

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5.6. Aplicaciones no lineales Circuito Comparador de ventana (Schmitt Trigger) II Al estar realimentado positivamente, la tensin de salida va conmutando entre los valores de saturacin Vin > VUTP VO = -VSAT Vin < VLTP VO = +VSAT

Cules son los valores de VUTP y VLTP para esta configuracin si VSAT = 13 V?

R147 k

+

R210 k

Vout

Vin

Vref

Vout

Vin 0 t

VUTP

VLTP

+Vout(max)

Vout(max)

+VSAT

-VSAT

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5.6. Aplicaciones no lineales Circuito Comparador de ventana (Schmitt Trigger) III Al ser los voltajes de umbral ms grandes que los voltajes de pico de ruido, se eliminan las falsas transiciones en la salida en entradas que presentan componentes de ruido.

Datos de Contacto

Concepcin Jimnez Carvajal Universidad Politcnica de Cartagena Divisin de Sistemas e Ingeniera Electrnica (DSIE) ETSI. Industriales Campus Muralla del Mar, s/n 30202 Cartagena Tel. +34 968 32 64 47 Fax. +34 968 32 53 45 E-mail [email protected]

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