UNIDAD TEMATICA 6: CIRCUITOS PARA APLICACIONES ESPECIALES

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1 UNIDAD TEMATICA 6: CIRCUITOS PARA APLICACIONES ESPECIALES 1.- Amplificadores operacionales Amplificador de alta ganancia, que tiene una impedancia de entrada muy alta (por lo general mega-ohms) y una impedancia baja (100ohms). Su constitución básica se da por dos entradas (positiva y negativa) y por lo menos una salida. El amplificador operacional (AO), es un amplificador que posee, dos entradas activas referidas a masa (entrada diferencial); la entrada inversora (-), y la no inversora (+). Tiene una salida y se alimenta con tensión simétrica (dos fuentes de tensión). Las características del AO ideal son: - Ganancia de tensión en lazo abierto (A0) infinita. - Impedancia de entrada (Ze) infinita. - Impedancia de salida (Zs) cero.

2 El A.O. es un dispositivo amplificador cuyas características de funcionamiento se aproximan a las de un amplificador ideal: ganancia infinita, salida nula en ausencia de la señal de entrada, impedancia de entrada infinita, impedancia de salida cero, ancho de banda infinito y tiempo de subida nulo. Las características de un A.O. real difieren de las propias de un A.O. ideal. No obstante, un A.O. típico está caracterizado por las siguientes propiedades sustancialmente aceptables: elevada ganancia en tensión, alta impedancia de entrada, ancho de banda amplio (partiendo desde c.c.), baja tensión de offset, mínima distorsión, nivel de ruido reducido, etc. Como se observa en la figura 1, el amplificador operacional posee dos entradas: una INVERSORA (-) y otra NO INVERSORA (+) y una salida asimétrica referida a masa El OPAMP ideal La tensión de salida de un amplificador operacional ideal es la diferencia de tensión en las entradas multiplicada por un factor A (ganancia en lazo abierto), donde A>>0 [en el caso ideal A= ] Circuito equivalente del AO:

3 Consideramos un AO ideal cuando cumple las siguientes condiciones: 1. Ganancia en tensión en lazo abierto infinita ( A = ) Consecuencia: 2. Corriente por los terminales de entrada nula R IN = (impedancia de entrada). Esta condición, unida a (1) recibe el nombre de condición o principio de cortocircuito virtual (CCV) 3. Corriente de salida muy grande R O = 0 (impedancia de salida) Función característica del amplificador operacional ideal: Amplificador seguidor Un circuito seguidor de voltaje proporciona los medios para acoplar una señal de entrada de una carga por medio de una etapa con ganancia de voltaje unitaria, sin inversión de fase ni de

4 polaridad y que actúa como un circuito ideal con una muy alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida. La figura muestra un amplificador operacional conectado para que funcione como amplificador de acoplamiento o seguidor de voltaje. El voltaje de salida lo determina Vo = V1 La figura muestra cómo se puede proporcionar una señal de entrada a dos salidas distintas. La ventaja de esta conexión es que la carga conectada a través de una salida no tiene ningún (o poco) efecto en la otra salida. En realidad, las salidas se aíslan entre sí Configuraciones inversas En este montaje R3 es igual al paralelo de R1 y R2. La ganancia de este amplificador es:

5 Así, si introducimos una señal senoidal de amplitud B por la patilla inversora y medimos la señal de salida, veremos que esta es también senoidal de amplitud BR2/R1 y desfasada 180 con la de entrada Configuraciones no inversoras Al igual que en el anterior R3 es igual al paralelo de R1 y R2. Para el análisis debemos de tener en cuenta que en el circuito de entrada inversora lo que existe es un circuito serie de dos resistencias alimentadas a la tensión Vs, ya que no se desvía ninguna corriente por el operacional: Por otro lado sabemos que la tensión en la entrada inversora es Ve ya que por la no inversora no existe corriente y por tanto R3 no hay c.d.t, luego: La ganancia del montaje será:

6 2.- Comparadores Un Amplificador Operacional puede ser utilizado para determinar cuál de dos señales en sus entradas es mayor. (se utiliza como comparador). Basta con que una de estas señales sea ligeramente mayor para que cause que la salida del amplificador operacional sea máxima, ya sea positiva (+Vsat) o negativa (-Vsat). Esto se debe a que el operacional se utiliza en lazo abierto (tiene ganancia máxima). La ganancia real de un amplificador operacional es de 200,000 o más y la fórmula de la señal de salida es: Vout = AOL (V1 V2) Donde: - Vout = tensión de salida - AOL = ganancia de amplificador operacional en lazo abierto (200,000 o más) - V1 y V2 = tensiones de entrada (las que se comparan) Vout no puede exceder la tensión de saturación del amplificador operacional, sea esta saturación negativa o positiva. Normalmente este valor es aproximadamente unos 2 voltios menor que el valor de la fuente ( V+ ó V- ) Comparador de cruce por cero La distorsión de cruce por cero es un tipo de distorsión que se caracteriza por la conmutación entre dispositivos que manejan una carga. Sucede con mayor frecuencia cuando se empalman dos transistores, y se encuentra comúnmente en etapas de amplificadores clase B y AB, o de "push-pull".

7 Entrada y salida característica de una etapa de amplificación de un amplificador Clase B complementario en configuración de emisor común. El término cruce por cero se refiere al punto en el que la señal tiene un valor nulo cuando los dispositivos se encuentran en transición, en este caso, del transistor superior al inferior y viceversa. La imagen muestra la etapa de salida de un amplificador clase B complementario típico. Bajo ninguna condicionante de señal, la salida está exactamente a medio camino entre las fuentes (por ejemplo, a 0V). Cuando este es el caso, la polarización base-emisor de ambos transistores es cero, por lo cual están en la región de corte y no conducen. Considere el semiciclo positivo: Mientras la entrada sea menor que el voltaje VBE de polarización en directa ( 0.65V) en el transistor NPN de la parte superior, éste estará apagado o conducirá muy poco (esta operación es igual a la de un diodo en lo que concierne a la corriente de base), y el voltaje de salida no sigue a la entrada. El transistor PNP inferior sigue apagado porque está polarizado en inversa con la entrada positiva. Lo mismo sucede con el transistor inferior al pasar al semiciclo negativo: permanece apagado a pesar de estar polarizado directamente y el NPN no se enciende porque está polarizado en inversa. Por ello, para entradas de aproximadamente ±0.65V, el votaje e salida no es una réplica ni una versión amplificada de la entrada, y podemos verlo como una imperfección en la forma de onda de salida cerca de 0V. Esta imperfección es la forma más evidente de la distorsión de cruce por cero y se hace más evidente e importante cuando el "swing" de voltaje es reducido. Otras formas menos notorias de distorsión pueden ser observadas en este mismo circuito. Un seguidor de emisor (colector común) tendrá una ganancia de voltaje de poco menos de 1. En el circuito mostrado, el seguidor de emisor NPN y el seguidor de emisor PNP tendrán, en general,ganancias de voltaje ligeramente diferentes, llevando a ganancias distintas encima y

8 debajo de tierra. Asimismo, existen otras formas sutiles de distorsión de cruce, debidas a diferencias entre los dispositivos NPN y PNP Comparadores de nivel Un Amplificador Operacional puede ser utilizado para determinar cuál de dos señales en sus entradas es mayor. (se utiliza como comparador). Basta con que una de estas señales sea ligeramente mayor para que cause que la salida del amplificador operacional sea máxima, ya sea positiva (+Vsat) o negativa (-Vsat). Esto se debe a que el operacional se utiliza en lazo abierto (tiene ganancia máxima). La ganancia real de un amplificador operacional es de 200,000 o más y la fórmula de la señal de salida es: Vout = AOL (V1 V2) Donde: - Vout = tensión de salida - AOL = ganancia de amplificador operacional en lazo abierto (200,000 o más) - V1 y V2 = tensiones de entrada (las que se comparan) Vout no puede exceder la tensión de saturación del amplificador operacional, sea esta saturación negativa o positiva. Normalmente este valor es aproximadamente unos 2 voltios menor que el valor de la fuente ( V+ ó V- ) 3.- Otros circuitos de aplicación especial 3.1.-Puentes H Es un circuito electrónico que permite a un motor eléctrico DC girar en ambos sentidos, avance y retroceso. Son ampliamente usados en robótica y como convertidores de potencia. Los puentes H están disponibles como circuitos integrados, pero también pueden construirse a partir de componentes discretos. Estructura de un puente H (marcado en rojo).

9 Los 2 estados básicos del circuito. El término "puente H" proviene de la típica representación gráfica del circuito. Un puente H se construye con 4 interruptores (mecánicos o mediante transistores). Cuando los interruptores S1 y S4 (ver primera figura) están cerrados (y S2 y S3 abiertos) se aplica una tensión positiva en el motor, haciéndolo girar en un sentido. Abriendo los interruptores S1 y S4 (y cerrando S2 y S3), el voltaje se invierte, permitiendo el giro en sentido inverso del motor. Con la nomenclatura que estamos usando, los interruptores S1 y S2 nunca podrán estar cerrados al mismo tiempo, porque esto cortocircuitaría la fuente de tensión. Lo mismo sucede con S3 y S Buffers Un buffer amplificador es un dispositivo electrónico que sirve para hacer una transformación en la impedancia de una señal. Existen 2 tipos básicos de buffers, de corriente y de voltaje. Buffer de corriente Se utiliza para transferir una corriente desde un primer circuito, que tiene un nivel de salida de baja impedancia, a un segundo circuito con una entrada de alta impedancia. El buffer impide que el segundo circuito cargue demasiado al primero, provocando un funcionamiento incorrecto. En un buffer ideal la impedancia de entrada es cero y la impedancia de salida es infinita. En un buffer de corriente, la ganancia suele ser 1, la corriente no varía. Buffer de voltaje Se utiliza para transferir una tensión de un primer circuito, que tiene un nivel de salida de alta impedancia, a un segundo circuito con un nivel de entrada de baja impedancia. El buffer impide que el segundo circuito cargue demasiado al primero, provocando un funcionamiento incorrecto. En un buffer ideal, la resistencia de entrada es infinita y la resistencia de salida es 0.

10 En un buffer de voltaje, la ganancia suele ser 1, el voltaje no varía Convertidores A/D El convertidor A/D es el único elemento totalmente indispensable en un sistema de adquisición de datos. Además él por si sólo puede constituir un SAD. Generalmente suele ser el más caro de todos los elementos que constituyen el SAD aunque, por supuesto, su precio depende de la calidad de las prestaciones que se le pidan. Estas serán: la exactitud, que depende de los errores que se produzcan y de la resolución (número de bits), y la velocidad. A nivel de elemento de circuito, el A/D se caracteriza por una entrada analógica, una salida digital y varias señales de control y alimentación. Las señales de control más importantes y características son: SC (Start Conversion) y EOC (End Of Conversion). La primera es una entrada que requiere el circuito para que comience la conversión que durará un tiempo que a veces es conocido de antemano y otras veces no. La señal EOC es la que indica al circuito o microprocesador donde están entrando las señales digitales, cuándo ha terminado la conversión. Es por tanto una señal de salida. El elemento de salida del A/D es un latch o registro donde se almacena el dato. Este permanecerá almacenado o cambiará controlado por unas entradas de Enable y Chip Select del latch. El funcionamiento de un A/D es muy simple: se inicia la conversión cuando la señal SC pasa a 1. El A/D comienza la conversión y avisa cuándo termina mediante una bajada a 0 del EOC. Generalmente esta señal EOC está directamente conectada a una señal de interrupción del microprocesador lo que permite "desatenderla". Si no es así, habrá que utilizar una técnica para la lectura continua de la línea EOC que permita detectar el momento de la bajada. La forma más sencilla de conectar el A/D al circuito que va a recoger los datos es cuando éste es <un microcomputador que consta de puertos de entrada/salida.

11 Una de las líneas de un puerto es configurado como salida y sirve para la señal SC. Otra es configurada como entrada y recibe la señal EOC. Las líneas de salida de los datos son conectadas a otro puerto. Pero dependiendo del número de salidas que tenga el A/D, así tendrá que ser el puerto de entrada. Puede ocurrir que tenga 8 salidas y entonces entrarán en un puerto de 8 líneas del microcomputador. Pero si por ejemplo tiene 12 líneas habrá varias formas en que se podrá hacer la conexión que no está normalizada y depende por tanto del fabricante Dispositivos novedosos

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