El amplificador operacional como generador de tensión diferencial -voltaje controlado

Transcripción

1 Diapositiva 1 El amplificador operacioal como geerador de tesió diferecial -voltaje cotrolado Los amplificadores operacioales so amplificadores difereciales de alto redimieto. Tiee etradas de bucle cerrado y de corriete ivertida y, ormalmete, líeas de alimetació DC. El 741 es u bue amplificador operacioal de uso geeral e ecapsulado DIP Itroducció a los amplificadores operacioales 1 Hemos visto ya que co distitos trasistores se puede hacer comutadores, osciladores, amplificadores, moduladores, etc. pero que o so muy cómodos de usar. Auque los trasistores sigue siedo las bases eseciales de la mayoría de los elemetos iteresates de los circuitos, se ha combiado e cofiguracioes y paquetes estádar que fucioa a u ivel más alto y da mayor redimieto. Evidetemete, así se obtiee ua gra variedad e icluso clases uevas de dispositivos, como la separació etre circuitos aalógicos y digitales. Uo de los ejemplos más útiles de estos dispositivos aalógicos de alto ivel co los amplificadores operacioales. Éstos so amplificadores difereciales (tiee dos etradas y el voltaje de salida es ua copia ampliada de la diferecia etre las etradas).

2 Diapositiva U modelo secillo de amplificador operacioal Etrada de bucle cerrado +s U amplificador operacioal es coducido por el desequilibrio de las dos etradas. Cuado hay tesió diferecial se satura rápidamete. salida Etrada de corriete ivertida -s Itroducció a los amplificadores operacioales Co esta aalogía os acercamos a la diámica de u amplificador operacioal. Al hacerse fiita la diferecia de fuerza etre ambas etradas, la pieza azul gira y la salida se coecta a ua de las dos tesioes de alimetació. Los caales so tales que la salida se evía rápidamete a la alimetació + o -. Cuado se restaura el equilibrio etre las etradas la salida vuelve a ser cero. Quiero dejar claro co esta aalogía que es muy difícil mateer las etradas e u estado tal que la salida esté etre +/- de la tesió de alimetació.

3 Diapositiva 3 El amplificador operacioal como geerador de tesió diferecial -voltaje cotrolado rojo azul verde s -s Itroducció a los amplificadores operacioales 3 El ejemplo del amplificador operacioal como amplificador diferecial de alta gaacia aclara que la salida es coducida muy rápidamete a las tesioes de salida. Co ua gaacia de e toro a u milló, sólo hace falta ua diferecia de uos cuatos microvoltios etre ambas etradas para llevar al amplificador a la saturació. Si la etrada + (de bucle cerrado) es mayor que la - (ivertida) el amplificador se satura a la + alimetació. Cuado la etrada de corriete ivertida se alimeta co las formas de oda dadas, la salida está fuera de fase co la etrada, y cuado es la etrada de bucle cerrado la que se alimeta co las odas, es la salida la que está e fase co la etrada.

4 Diapositiva 4 El amplificador operacioal ideal i =8 A( = ); A 10,000 La gaacia del amplificador operacioal es muy grade y su impedacia de etrada, ifiita Itroducció a los amplificadores operacioales 4 El amplificador operacioal ideal tiee ua gaacia ifiita, ua impedacia de etrada ifiita y ua impedacia de salida arbitrariamete baja. Evidetemete, ada de esto es cierto, pero se puede utilizar estos ideales para diseñar circuitos y facilitar así el proceso e gra medida. Está claro que u amplificador ideal como ese sería maravilloso, co su ifiita impedacia de etrada uca cargaría igú circuito y podría coducir cualquier carga si que deje de fucioar. Como se verá, co ua gaacia ifiita se puede usar la retroalimetació para elegir cualquier gaacia que se desee. U problema de estos amplificadores es que A o es u bue parámetro, ya que varía e cada dispositivo y depede de la temperatura y las codicioes de fucioamieto. Los bueos diseños de amplificadores operacioales evita depedecias de A.

5 Diapositiva 5 Modelo de amplificador operacioal ideal = - A( ) 0 A es del orde de 500, Itroducció a los amplificadores operacioales 5 El modelo mostrado arriba es el que se suele dar para amplificadores operacioales. Se trata de u cocepto bastate útil: la idea básica es que las dos etradas tega impedacias de etrada arbitrariamete altas y que la diferecia de voltaje etre ellas actúa como geerador de tesió idepediete, co gaacia alta. Sucede que co sólo u par de reglas secillas (como para los trasistores BJT) se puede diseñar y aalizar circuitos amplificadores operacioales de maera mucho más eficiete. Por eso o se usará el modelo, que e uestra opiió es más útil e circuitos que e electróica.

6 Diapositiva 6 Amplificadores operacioales reales i La gaacia de bucle ideal es ifiita, la real, de A ~ 10 4 a10 6. i de ~10 6 a 10 1?. de~ 10? a Flujo de potecia limitado. La corriete de etrada es muy cercaa a cero, A -> pa. Presillas e +/- s. A( = + - ) Itroducció a los amplificadores operacioales 6 - Ahora llegamos a los amplificadores operacioales reales, que so similares al ideal, pero co las limitacioes descritas e el cuadro de arriba. Además, hay que recordar que A depede de todo.

7 Diapositiva 7 Demo de A para u amplificador operacioal (741) + s 0, ~ + s s 0 ~ - s ( )? 0 =A( +- - ) Itroducció a los amp lificadores operacioales 7 U bue modo de cosiderar u amplificador operacioal es correlacioado la etrada y salida de voltaje. Dado que sólo os iteresa la tesió de etrada diferecial, el eje horizotal es ese y el vertical es la tesió de salida. El gradiete de la curva es e el cetro de A (la gaacia de bucle abierto del amplificador operacioal), y las regioes plaas es dode el amplificador se ha saturado y está reportado los raíles de voltaje o alimetacioes.. Nótese que, dado que A es grade, el gradiete de la curva es alto y por los tato los dos ejes tiee diferetes uidades: microvoltios para la etrada y voltios para la salida.

8 Diapositiva 8 Demo de A para amplificadores operacioales (741) +15 i att -80dB?? A - =10 log 80dB P P0 0 Aquí teemos impedacia costate, por tato P=???( ) A A 0 - =10 log??=0 log?? so 80dB?? 0? 0? A A = Itroducció a los amplificadores operacioales 8 Esta primera demo icluye u ateuador para reducir la escala de la salida y simplificar la medició. El del ejemplo es u ateuador de 80 db y por lo tato, reduce el voltaje por u factor de , supoiedo que la impedacia sea costate.

9 Diapositiva 9 Comparador i s - es u voltaje establecido etre s y masa. Dado que o hay retroalimetació, el amplificador se satura a +s cuado i > s, y a -s cuado e t i < set. Úsese la regla = Itroducció a los amplificadores operacioales 9 Uo de los usos de los amplificadores operacioales co ua gra gaacia de bucle abierto es como comparador. Si i es mayor que el voltaje establecido, la salida será e el riel positivo de alimetació, y de lo cotrario, e el egativo. La gaacia es ta alta que o se puede establecer la salida etre los raíles.

10 Diapositiva 10 etroalimetació egativa i i I i F I F Es fácil evitar que estos amplificadores se sature mediate retroalimetació egativa. Hay que tomar parte de la salida e iyectarla e la etrada de corriete ivertida. E el amplificador ideal la corriete que atraviesa F es igual y opuesta a la que atraviesa i. Emparejar las corrietes: ou i F t Itroducció a los amplificadores operacioales i 10 Gaacia resultate: i - - i = - = F Si embargo, e casi todas las aplicacioes de los amplificadores operacioales se ve implicada la retroalimetació egativa. E este caso, parte de la tesió de salida se retroalimeta a la etrada de corriete ivertida del amplificador. A medida que éste adquiere más gaacia, la salida crece y dado que va a parar a la etrada ivertida, la salida se ve reducida. Muy rápidamete, el amplificador halla su puto de fucioamieto. Esta es la vetaja de teer u A eorme: así el dispositivo es muy rígido y alcaza su puto de fucioamieto muy rápido. Nótese que el puto de fucioamieto o depede de A, ya que A es grade.

11 Diapositiva 11 eglas para amplificadores operacioales co retroalimetació i Cuado el amplificador ha alcazado su puto de fucioamieto: 1. Los dos voltajes de etrada so iguales.. La corriete que va a cada etrada es cero. A( = + - ) Itroducció a los amplificadores opracioales 11 - Estas so las dos reglas prometidas para amplificadores operacioales co retroalimetació. La primera afirma que la diferecia de voltaje llega a cero y por ello o hay voltaje de salida. Esto se sigue del comportamieto del amplificador operacioal ideal. La regla de la corriete se puede cosiderar como: ua corriete de etrada sumiistra u voltaje itero que el amplificador corregirá ajustado el voltaje de salida. Por lo tato, es la misma regla que la aterior, pero escrita e cuato a ua corriete efectiva e las etradas.

12 Diapositiva 1 Uso de la retroalimetació egativa? red de? retroalim. red de r etroalim. i i Para la retroalimetació egativa, el amplificador operacioal ajusta su salida de maera que el voltaje o la corriete de retroalimetació so los ecesarios para mateer igual a cero Itroducció a los amplificadores operacioales 1 Hay dos métodos secillos de utilizar la retroalimetació egativa. Por supuesto, ésta debe ir siempre a la etrada ivertida, pero el geerador puede ir tambié a la etrada ivertida (teiedo así u amplificador de iversió) o a la etrada de bucle cerrado y producir u amplificador o ivertido. La fuerza de la retroalimetació (qué parte de la salida se realimeta) determiará la gaacia del dispositivo.

13 Diapositiva 13 Amplificador seguidor de tesió o de gaacia uitaria i Para a igual a cero, etoces = i. Por tato, la gaacia es 1. ecuérdese que la impedacia de etrada de u amplificador operacioal es bastate alto, así que el acumulador itermedio sumiistra la impedacia de la trasformació y protege a i de la carga Itroducció a los amplificadores operacioales 13 Aquí, el amplificador es coducido e la etrada de bucle cotiuo co el voltaje de salida alimetado directamete a la etrada ivertida. El amplificador operacioal amplificará hasta que los voltajes de la etrada de corriete ivertida y la de bucle cerrado sea los mismos. Por supuesto, esto sólo puede ocurrir si la salida es igual a la etrada. Así, el seguidor de tesió tiee gaacia uitaria (el voltaje de salida es el mismo que de etrada). Evidetemete, la impedacia de etrada del amplificador es bastate alta y la i m pedacia de salida es baja, así que hay ua trasformació de impedacia que puede geerar gaacia de potecia. E geeral, cuado se usa ambas etradas, hay que tratar de aplicar la regla que dice que los voltajes debe ser iguales. E este caso o hay modo de usar la regla e la que las corrietes so cero (auque e esecia lo so, por ser ta alta la impedacia).

14 Diapositiva 14 i I 1 1 Amplificador iversor I Utilícese la regla e la que la corriete I - is zero. I I 1 = - i = - o u t = - 1 o ut i 1 Para evitar errores de offset pógase u = 1 a masa desde la etrada de bucle cerrado Itroducció a los amplificadores operacioales 14 El amplificador iversor tiee la etrada de bucle cerrado a masa y suma las etradas de la etrada y la salida a la etrada iversa. El modo de aalizar esto es dádose cueta de que cuado I 1 y I so iguales y opuestos la corriete o fluye a la etrada del amplificador operacioal y los dos voltajes de etrada será iguales. Es decir: e estos amplificadores, tato la trayectoria de etrada como la de retroalimetació coduce la misma resistecia itera. Por tato, si las dos corrietes so igua les pero opuestas e sigo, los voltajes que iduce a través de esta resistecia itera será tambié iguales y opuestos, y como resultado el voltaje total que pasa a la termial de iversió es cero. Las corrietes viee dadas arriba, y si se establece iguales y opuestas, se produce directamete la gaacia. E la práctica hay ua pequeña corriete de etrada e la etrada iversa, y por ello es ormal icluir ua resistecia a masa desde la etrada de bucle cerrado para dar la misma impedacia efectiva. El efecto es pequeño, pero observable.

15 Diapositiva 15 Demo de u amplificador de iversió i 1k? 10k? o ut Itroducció a los amplificadores operacioales 15 E esta demo se compara los voltajes de etrada y salida de u amplificador de iversió. Bajado la resistecia variable de retroalimetació se puede hacer que la gaacia sea muy pequeña y, e esecia, el dispositivo pasa a ser u amplificador co gaacia meor que 1 o ateuador.

16 Diapositiva 16 i Amplificador o ivertido 1 Úsese la regla e que es igual a cero Itroducció a los amplificadores operacioales = = i ou t i = ou ou i t = t Para evitar errores de offset, dispógase que fuete = 1. El amplificador o ivertido evía la etrada a la termial de bucle cerrado. Por supuesto, la retroalimetació va a la etrada ivertida. La gaacia se ajusta haciedo u muestreo del voltaje de salida a través de u divisor de potecial. Ajustado el cociete de 1 a, se puede se puede variar la fuerza de la retroalimetació, cambiado así la gaacia. Aquí se usará la regla por la que los voltajes de etrada debe ser los mismos. De uevo, el uso de la regla os da la gaacia de imediato. E este caso, para evitar u offset debido a u desajuste de corriete de etrada, se suele colocar ua serie de resistecias alieadas co la etrada de bucle cerrado y ajustarlas a la impedacia efectiva e la etrada de corriete ivertida.

17 Diapositiva 17 Demo de amplificador o ivertido i k? 10 1k? Itroducció a los amplificadores operacioales 17 Ua demo similar a las ateriores, pero ahora para la cofiguració o ivertida. Nótese que e el caso del amplificador de iversió, al variar la retroalimetació de la resistecia, la gaacia podía pasar a ser mucho meor que 1, mietras que aquí, sólo puede aproximarse a 1.

18 Diapositiva 18 Amplificador o ivertido i f i = A( ) f A = = + i ( ) +? =? -? + - -? f } or A = i - A +f?? A 0? + +f? i = 1 A Itroducció a los amplificadores operacioales 18

19 Diapositiva 19 Amplificador o ivertido (Cot.) dado que o ut i?? = A??, luego A +f 1 +A +f >>1 Así, i ~ + f Itroducció a los amplificadores opecacioales 19