UD10. AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Transcripción

1 UD10. AMPLIFICADOR OPERACIONAL Centro CFP/ES Diagrama de bloques El esquema interno de un amplificador operacional está compuesto por un circuito de transistores, en el cual podemos distinguir tres bloques: Un primero compuesto por un amplificador diferencial. El segundo son amplificadores transistorizados para elevar el nivel de tensión. Y el último bloque es una salida típica en clase B (push-pull o contrafase) ya estudiada. Por lo tanto podemos decir que lo realmente novedoso, y que por tanto ha de requerir ahora nuestra atención, es la etapa de entrada: el amplificador diferencial. 1

2 Diagrama de bloques El Amplificador Operacional es un dispositivo lineal de alta ganancia diseñado para ser usado con componentes externos. Debe proporcionar una tensión lineal de salida proporcional a la diferencia entre V1-V2. Existen dos tipos de ganancias: a.- Ganancia diferencial (Ad). b.- Ganancia en modo común: llevando V1 a masa y midiendo a la salida o bien llevando V2 a masa y midiendo a la salida Diagrama de bloques Por ejemplo: en una de las entradas aplicamos 3V y en la otra 1V, a la salida, obtendremos 2V multiplicados por la ganancia de amplificación que deseemos, si queremos que sea 5, la tensión de salida será 10V. La expresión matemática del amplificador diferencial será: Vs = Ad(V1-V2), En nuestro ejemplo sería: Vs = 5(3-1)=10V 2

3 Amplificador diferencial Es la parte fundamental del Amplificador operacional y su misión es detectar la diferencia entre las dos señales de entrada. (V1 y V2). La tensión de salida será pues Vo=Ad(V1-V2), esta deberia ser la ganancia en un amplificador ideal, pero un amplificador diferencial real no cumple esta ecuación ya que la salida no depende solo de la señal diferencial sino también del nivel medio denominada señal en modo comun Vc. De este gráfico podemos sacar varias conclusiones: 1.- La tensión diferencial sera: Vd= V1-V2 2.- La tensión en modo común sera: Vc= 1/2 (V1+V2) es el valor medio de la suma de las dos tensiones. 3.- La tensión a la salida sera: Vo= A1*V1 + A2*V2 A1 es la ganancia desde V1 con V2 a masa. A2 es la ganancia desde V2 con V1 a masa. V1= Vc + 1/2 Vd V2= Vc - 1/2 Vd De lo cual se deduce que: Vo= Ad*Vd + Ac*Vc Siendo Ad la ganancia en modo diferencial y Ac la ganancia en modo común. PARTES DE UN OPERACIONAL Amplificador diferencial Las condiciones iniciales de funcionamiento son: - T1 y T2 son iguales, Ib1 e Ib2 también luego como los dos transistores tienen la misma B las corrientes I1 e I2 son iguales. - Como la corriente Ie es siempre constante al ser una fuente de corriente constante, la resta de las dos corrientes es cero al ser IE= I1 +I2. - Si por ejemplo la tensión VS1 aumenta la corriente Ib1 también lo hará y por consiguiente I1 será mayor que I2. Como la IE es constante y sabemos que IE=I1+I2 si I1 ha aumentado la I2 deberá disminuir. 3

4 PARTES DE UN OPERACIONAL Fuente I constante Tiene por objeto crear una polarización fija en los transistores montados en posición diferencial: su fundamento es fijar la corriente de emisor: y por añadidura la de colector se mantendrá igualmente constante e invariable. El diodo y la resistencia R2 permite una polarización fija de la base del transistor por lo cual la corriente I3 será siempre igual. La corriente I3 viene prefijada por el valor de R2. PARTES DE UN OPERACIONAL Amplificador diferencial Observamos pues que el aumento de la tensión V1 repercute en el aumenta de la tensión de salida, y que el aumento de la tensión V2 disminuye la tensión de salida, así que podemos determinar las entradas de la siguiente forma: V 2 V V S Figura 1.1. Dibujo de las definiciones de entradas. Siendo pues la entrada V1 la no inversora y la V2 la inversora. 4

5 PARTES DE UN OPERACIONAL Etapa de potencia La base del transistor T1 está unida a la salida (Vsd) del circuito diferencial explicado anteriormente. El circuito está alimentado por dos fuentes de corriente cte. Cuando la tensión Vs aumenta, aumenta en mayor proporción la tensión colector-emisor del transistor T1, esto implica que si la tensión de salida es positiva el transistor T2 estará polarizado correctamente, aumentando la tensión a la salida Vs, si la tensión Vsd es negativa se activa el transistor T3, variando la tensión a la salida Vs. Con este circuito tenemos una ganancia de unidad pero al ser una configuración de seguidor de emisor, obtenemos una impedancia de salida baja. Características Impedancia de Entrada Ze Es la resistencia que ofrece el amplificador operacional midiéndola desde las entradas del amplificador. Lo ideal sería infinita en la realidad es de varios M. Impedancia de Salida Zs Es la resistencia que ofrece el amplificador operacional midiéndola entre la salida y masa. El valor típico se encuentra entre 100 y 200. Margen de tensiones de alimentación Son la tensión máxima y mínima entre las que un amplificador operacional funciona correctamente. Los amplificadores operacionales funcionan normalmente con fuentes de alimentación simétricas, es decir con valores de tensión de positivos y negativos expresándose en Vcc. Margen de tensiones de entrada Son las tensiones máxima y mínima que podemos aplicar a las entradas de los operacionales sin que estos se estropeen. Estas tensiones en ningún momento pueden superar la de alimentación. 5

6 Características Margen de tensiones de salida Es la tensión que podemos tener a la salida sin que se produzca una saturación del amplificador operacional. Suelen ser de uno o dos voltios menos que la alimentación (obviamente nunca podrá ser mayor que la Vcc). Corriente de polarización de entrada Es la corriente que tenemos en las entradas del amplificador operacional. Esta es muy pequeña apenas unos µa. En los cálculos que realizaremos la tomaremos como nula. Ganancia de tensión en bucle abierto ES LA GANANCIA TÍPICA DE TODOS LOS AMPLIFICADORES, ES DECIR LA RELACIÓN ENTRE LA TENSIÓN DE SALIDA Y LA TENSIÓN DE ENTRADA MIDIÉNDOLA EN LAZO ABIERTO, ES DECIR, CUANDO NO EXISTE REALIMENTACIÓN. SUELEN SER VALORES MUY ELEVADOS ALREDEDOR DE Características Tensión de offset de salida En principio en un amplificador operacional si tenemos las dos entradas a 0 voltios, la tensión a la salida deberá ser nula, pero esto no es así. Con pequeñas tensiones que se puedan generar dentro del amplificador operacional, al ser amplificadas por este nos darán a la salida tensiones no deseadas. Pero esto tiene arreglo, la mayoría de los amplificadores operacionales tienen unas patillas extra en las que con un pequeño circuito puedes estabilizar esta tensión llevándola a 0 V. Factor de rechazo en modo común Es la frecuencia en la que la ganancia del amplificador operacional en lazo abierto (sin realimentación) se reduce a la unidad, o sea la amplificación es 0. Esto se representa en una gráfica como la que sigue: Ganancia en tensión () Ganancia en bucle cerrado 60 Ganancia en bucle abierto K 10K 100K 1M 10M Frecuencia (Hz) 6

7 Tipos DE USO GENERAL Son los más utilizados. Ofrecen unas características de funcionamiento estándares para la mayoría de los circuitos industriales. Los más empleados son los siguientes: Ze M Zs Av Is ma Vs ±V CMRR GBW MHz LM ,5 MC OP02 3, ,3 Tipos DE BAJO CONSUMO Ideales para circuitos que estén alimentados por pilas (aparatos portátiles). Existen amplificadores operacionales que necesitan como mínima tensión de alimentación únicamente 1V, teniendo un consumo de corriente de microamperios. Algunos de estos son los siguientes: Ze M Zs Av Is* ma Vs ±V CMRR AD548J 10^ , LM358 10^ LF442A 10^6 0, , GBW MHz * OBSERVAR QUE CORRIENTES DE SALIDA MÁS PEQUEÑAS 7

8 Tipos DE ALTA CORRIENTE DE SALIDA Especiales para suministrar una corriente de salida elevada de hasta 10 A, cuando lo normal es menor. Se utiliza en circuitos con grandes tensiones de alimentación y pequeñas resistencias de carga. Tienen tamaño mayor de lo normal, van encapsulados en metal (para disipar mejor el calor), y tienen protección de sobrecorrientes, que limitan la corriente de salida impidiendo el sobrecalentamiento y malfuncionamiento del amplificador operacional Ze M Zs Av Is* ma Vs ±V CMRR GBW LH LM OPA501AM MHz *OBSERVAR LOS VALORES ELEVADOS DE CORRIENTE DE SALIDA. Tipos DE GRAN VELOCIDAD Utilizados para circuitos de vídeo y multiplexación de señales analógicas. Estos circuitos funcionan con frecuencias muy elevadas. Alrededor de 10Mhz. Nos ofrecen a diferencia del resto a altas frecuencias señales de salida sin distorsión alguna. Ze M Zs Av Is Ma Vs ±V CMRR GBW* OP37A AD844J LF401 10^ MHz *OBSERVAR LAS ELEVADAS FRECUENCIAS HASTA LAS QUE FUNCIONA. 8

9 Tipos DE ALTA TENSIÓN UTILIZADOS PARA CIRCUITOS CON ELEVADAS TENSIONES DE SALIDA (HASTA 150V), USADOS EN DISEÑOS INDUSTRIALES, TIENEN UN FUNCIONAMIENTO ACEPTABLE PARA ESTAS TENSIONES, SIN EMBARGO LAS CORRIENTES DE SALIDA NO SON ELEVADAS. ESTOS SERÍAN: Ze M Zs Av Is ma Vs* ±V CMRR GBW MHz MC JM 10^ LM Tipos DE INSTRUMENTACIÓN Son los más precisos y se utilizan en la realización de aparatos de instrumentación electrónica, (osciloscopios, generadores de frecuencia, polímetros etc.). Las características de éstos serán por lo tanto las más cercanas a las ideales, alta impedancia de entrada, bajísima de salida, tensión de offset muy pequeña y alta relación de rechazo en modo común. Estos serían: Ze Zs Av Is* Vs CMRR GBW M ma ±V MHz AD548J 10^ ,2 LM358 10^ ,02 LF442A 10^ ,15 9

10 APLICACIONES Amplificador inversor En el amplificador inversor, la tensión de salida está en oposición de fase con la de entrada. Teniendo en cuenta las consideraciones hechas podremos poner a partir del dibujo siguiente las siguientes igualdades: i1= - i2 Luego i1 + i2 = > i1 = Vi / R1 y también Vo= i2 * R2 Si agrupamos términos: Vo= -Vi*R2 / R1 La ganancia de tensión Av = Vo/Vi = - R2 / R1 Es evidente que el signo (-) de la expresión es solamente indicativo de un desfase de 180º entre la tensión de entrada y la de salida. La Ze vendrá dada como: Ze= Vi/i1= R1*i1 / i1 = R1 La Zs vendrá dada como: Zs= V0/i0 si Vi=0 la Zs= 0 El valor de R3= R1*R2 / R1+R2 APLICACIONES Amplificador no inversor En este caso la tensión de salida se encuentra en fase con la de entrada; la Vo genera una corriente i2 a través del R2. Como el valor de Vi se refleja en la entrada (-) del amplificador operacional, téngase en cuenta que existe un "cortocircuito virtual" luego podemos poner: i1= Vi / R1 y como i(-) = 0 i1=i2 Vo= (R1+R2) * i1 si sustituimos en la expresión inicial Vo= (R1+R2)*Vi / R1 Si tenemos en cuenta que Av= Vo/Vi Av= R1+R2/R1 R3= R1*R2/ R1+R2 10

11 APLICACIONES Sumador inversor ie= i1+i2+i3 i1= V1/R1 i2=v2/r2 i3=v3/r3 y como: ie= -io io= - (V1/R1 + V2/R2 + V3/R3) obteniendo la tensión de salida: Vo= io*r= -R (V1/R1 + V2/R2 + V3/R3) Si R1=R2=R3 entonces Vo= -(V1+V2+V3) APLICACIONES Sumador de tensión no inversor La tensión en R4 sera: Ve= R4*(i1+i2+i3) Esta tensión tambien esta aplicada a la entrada inversora del A.O ya que las dos entradas tienen virtualmente al mismo potencial: i5= Ve / R5 Al saber que es un no inversor: Vo= Ve (R6 + R5 / R5) i1= V1/R1 i2=v2/r2 i3=v3/r3 Sustituyendo en la fórmula inicial: Ve= R4(V1/R1 + V2/R2 + V3/R3) Vo= R4(V1/R1 + V2/R2 + V3/R3)* ((R6+R5)/R5) 11

12 APLICACIONES Sumador de tensión no inversor Vo= Vo1 + Vo2 Vo1= AV1 * Vi1 = ((R2+R1/R1))*Vi1 Vo2= Av2 * Vi2 = -Vi2 *(R2/R1) Vo= Vi1 ((R2+R1/R1)) - Vi2 (R2/R1) APLICACIONES Comparador de tensión Usando el A.O. en lazo abierto, como se ve en el circuito siguiente este se comporta como un comparador de tensión, en donde la salida tomará dos posibles estados. a.- Si V1 > V2 => V0 = +Vcc b.- Si V1 < V2 => V0 = - Vcc Siendo +Vcc y -Vcc la soble polaridad de la fuente de alimentación, este comportamiento resultará perfectamente comprensible, debido a la ganancia en lazo abierto de los A.O. y de esta forma, según el estado de comparación el A.O. se encontrará en saturación positiva o negativa. 12

13 APLICACIONES Detector de cruce por cero El amplificador operacional del siguiente circuito actua como un comparador. La polaridad Vo indica si Ei está arriba o abajo de Vref. La transición de Vo indica cuando Ei cruza la referencia y en qué dirección. Vo cambia de +Vcc a -Vcc => Ei pasa por 0 en dirección negativa. Vo cambia de -Vcc a +Vcc => Ei pasa por 0 en dirección positiva. Su entrada (+) compara el voltaje Ei con el voltaje de referencia Vref=0. Ei > Vref => Vo= +Vcc Ei < Vref => Vo= -Vcc 13