Temario. Tema 5. El amplificador operacional real OBJETIVOS DEL TEMA. Introducción

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1 Temario Tema Teo. Pro. 1. Amplificación 2h 1h 2. Realimentación 2.5h 1.5h 3. Amplificador operacional (AO) y sus etapas lineales 7h 4h 4. Comparadores y generadores de onda 7h 4h 5. El amplificador operacional real 3h 2h 6. Fuentes de alimentación 3.5h 1.5h Horas totales: Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 1 Tema 5. El amplificador operacional real Introducción: UA741 vs Amplificador ideal (Av Ri, Ro, BW) Errores asociados a la entrada del amplificador Impedancia de entrada. Corrientes por las entradas. Tensión de offset (VIO) Rechazo al modo común (CMRR) y a la alimentación (PSRR) Errores asociados a la salida del amplificador Slew rate Ancho de banda y tiempo de respuesta Error de ganancia Limitación de intensidad de salida:(i O ) máx Distorsión de cruce por cero y Ro Manejo de cargas capacitivas Otras no idealidades: Rangos de entradas y salida Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 2 OBJETIVOS DEL TEMA Una vez estudiado este tema deberá: Conocer las ventajas e inconvenientes de los AO. Conocer los errores asociados a la entrada del amplificador Conocer los errores asociados a la salida del amplificador Saber corregir los errores asociados a la salida del amplificador. Saber corregir los errores asociados a la entrada del amplificador. Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 3 Introducción El más común de los amplificadores diferenciales es el amplificador operacional (AO). Un AO ideal verifica las ecuaciones: v V v + V O CC = A v v O CC v ( + ) Entrada no inversora Entrada inversora Por qué son útiles los amplificadores operacionales? Son muy fáciles de utilizar. Permiten diseñar bloques analógicos simples y poco sensibles a los componentes. Permiten realizar bloques complejos con pocos componentes. Salida Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 4 v + v -

2 Introducción Amplificador operacional real Modelo simplificado del AO real: v + saturación Vamos a estudiar el ua741: AO de propósito general Hay AO de mejores prestaciones v - R i R o A ( v v ) V + saturación zona lineal v + -v - Diferencias básicas entre AO ideal y AO real (ua741): A V R i R o BW Salida hasta: AO ideal 0 alimentaciones ua MΩ 75Ω 10Hz 2V por debajo de alim. Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 5 Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 6 ua741 vs. amplificador ideal de tensión Influencia del BW no infinito El producto de la ganancia por el ancho de banda es constante. La frecuencia de transición (f T ) es la que corresponde a ganancia unidad. A BW = A BW = f ' ' V V 1 T Los valores MIN, TYP y MAX de los parámetros reflejan la dispersión de fabricación. El AO real se separa del amplificador ideal Ideal ua741 de tensión: A V La realimentación negativa reduce la influencia de A V, R i y R o R i 2MΩ mientras la ganancia de la etapa realimentada R o 0 75Ω sea mucho menor que A V. La realimentación negativa nos aumenta el BW BW 10Hz utilizable. Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 7 BW (Hz) Av , , , , , ,0 La ganancia máxima de una etapa depende del BW deseado. Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 8

3 Errores asociados a la entrada del amplificador Impedancia de entrada Impedancia de entrada. Corrientes por las entradas. Tensión de offset (VIO) Rechazo al modo común (CMRR) Rechazo a la alimentación (PSRR) Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 9 Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 10 Corrientes por las entradas Corrientes de polarización en las entradas Por las entradas del AO circula una pequeña corriente I polarizacion entrada I = I = IB I = I = I I offset entrada IO B1 B2 + I 2 B1 B2 Para el OP07: I IB =1.8nA I IO =0.8nA Para el ua741: I IB =80nA I IO =20nA I B1 I B2 = 0V Efecto de I IB : Error en continua. R 1 vi I 1 I IB R 2 v I O = R2I2 = R2( I1 I IB) 2 v R2 = R v + R 2 I O I IB 1 Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 11 Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 12

4 Tensión offset de entrada Produce un error en continua cuyo efecto es equivalente a: V IO ideal Se ha de compensar si la señal es DC y del orden del V IO Con A V =100 V O = 100 2mV = 0.2V de offset en salida. V IO Tensión offset de entrada =0V Para la compensación se pueden usar circuitos como el siguiente (hoja de características del fabricante) Tensión offset de entrada (V IO ) En general A. O. de precisión: decenas de µv. A. O. normales: 2-5 mv. Aunque se puede compensar, elegir A. O. de bajo offset porque: Menor deriva de temperatura. Se ahorra el trimmer. El ajuste empeora la deriva de temperatura y el CMRR Mejor bipolares. Menos deriva de temperatura Menos ruido Pero tienen mayor I b Conviene evitar el calentamiento con cargas >10K Seleccionar: FET para bajas corrientes de entrada y corriente de ruido y Bipolares para bajo voltaje de entrada y voltaje de ruido Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 13 Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 14 Corriente de polarización Otras fuentes de error: CMRR y PSRR Hay que tener en cuenta que: En una etapa no inversora 1nA en 1k produce un error de 1µV FET mayoritarios, Ib pequeña pero crece exponencialmente con T puede depender del voltaje V IO es grande V IO / T es + y grande. Bipolar minoritarios, Ibgrande V IO es pequeño V IO / T es - y pequeño. Se compensa haciendo R + =R - Sólo si la impedancia de la fuente es despreciable Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 15 CMRR (Common Mode Rejection Ratio) Un valor típico es 90dB Disminuye con la frecuencia A CMRR = 20log ρ = 20log A PSRR (Power Supply Rejection Ratio) Un valor típico es 30µV/V. Cuántos db supone? VIO µ V PSRR = V V CC Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 16 d c

5 Errores asociados a la salida del amplificador Slew rate Slew rate Ancho de banda y tiempo de respuesta Error de ganancia Limitación de intensidad de salida:(i O ) máx Distorsión de cruce por cero y Ro Manejo de cargas capacitivas Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 17 Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 18 Ancho de banda y tiempo de respuesta Error de ganancia Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 19 Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 20

6 Limitación de intensidad de salida:(i O ) máx Los AO tienen limitada la corriente de salida que pueden suministrar Un valor típico es de (I O ) máx 20mA P. ej., para alcanzar una de ±10V con R L = 100Ω: 10V = 100mA > ( IO) 20mA 100 2V 100Ω max vo = Ω = La máxima carga que puede alimentar es: vi R 1 10V mA = Ω Se suelen conectar cargas de más de 1K. Si se necesita más intensidad se puede utilizar la etapa clase B: Si no está protegido contra c.c. una I O > (I O ) máx puede destruir el AO: por ejemplo por conectar una carga capacitiva R 2 Distorsión de cruce por cero y R of Aparece en AO con salida en clase B Se deriva de la limitación de SR al pasar de -V be a +V be en el cruce por cero Más importante a f alta Aumenta la DHT (Distorsión Armónica Total) Es conveniente elegir AO de clase AB con DHT muy baja y bajo ruido LT1028, LT1037, LM833 (0.002%) La impedancia de salida puede no ser despreciable Aunque la realimentación la reduce a R of =R o /AB puede no ser suficiente. En especial para f alta cuando A se reduce R of Puede alcanzar más de 100Ω La I omáx también puede limitar la capacidad de la realimentación de reducir la R of. Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 21 Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 22 Manejo de cargas capacitivas Otras no idealidades: Rangos de entradas y salida Las entradas han de estar dentro de un rango Con una alimentación de ±10V Las entradas han de estar entre ±7V Algunos permiten funcionamiento unipolar Alimentados entre +Vcc y 0V, las entradas pueden llegar a 0V, e incluso bajar algunos milivoltios. Las salidas no suelen alcanzar las alimentaciones Con una alimentación de ±10V, las salidas no superarán ±5.5V. Algunos AO son rail-to-rail Las salidas pueden alcanzar ±V CC Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 23 Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 24

7 Resumen AO real (741) AO real vs. amplificador ideal de tensión f T = A V BW 1MHz Errores asociados a la salida máx V CC -2V (I O ) máx 20mA SR 0.5V/µs Errores asociados a la entrada V IO 5mV I IB 100nA, I IO << I IB CMRR y PSRR Rango de tensiones de entrada Efectos en salida: Recorte Distorsión, ruido Error de contínua Destrucción Universidad de Zaragoza, IEC. J. I. Artigas y A. Sanz El amplificador operacional real - 25