Electrónica Analógica 1. Características de un Amplificador Operacional real

Transcripción

1 Universia Naional e Quilmes 1 Eletrónia nalógia 1 Caraterístias e un mplifiaor Operaional real El mplifiaor Operaional (.O.) es un ispositivo on os terminales e entraa que sensan una iferenia e potenia, y un terminal e salia que se referenia respeto a tierra. Físiamente requiere un mínimo e ino terminales. Los os terminales e entraa que se esignan omo entraa inversora () y entraa no inversora (), otros os terminales usaos para la alimentaión e ontinua y el quinto para la salia. Otros terminales aiionales, usualmente tres, permiten realizar ompensaiones e algunos esajustes tales omo tensión e offset y ompensaión e freuenia. Esquemátiamente se representa en la figura 1. La figura 2 muestra la representaión elétria equivalente y la figura 3 una isposiión típia real según el tipo e enapsulao: en línea oble o metálio. CC 2 1 CC 2 i 1 Ri Ro i Figura 1 Figura 2 Figura 3 El.O. ieal se arateriza por tener i 0,, Ri, Ro 0. Un.O. es un ispositivo on elevaa ganania e tensión, alta impeania o resistenia e entraa, baja resistenia e salia y moerao anho e bana. Cuano el ispositivo trabaja en la región lineal, la magnitu e la tensión e salia es vees la iferenia e potenial entre los terminales e entraa. La relaión entre la entraa y la salia e un.o. puee ser representaa gráfiamente por la araterístia e transferenia y matemátiamente a través el iruito equivalente, figura 4 CC región lineal saturaión i = 2 1. saturaión CC El. O. utiliza realimentaión negativa, Figura a 4 través

2 Universia Naional e Quilmes 2 e un omponente que vinula la salia on al entraa inversora. Debio a que la ganania el.o. es afetaa por los omponentes que forman al ispositivo, se prouen variaiones por temperatura, oniiones e operaión, envejeimiento, et. Por ejemplo, los transistores bipolares poseen una variaión e la tensión e base a emisor on la temperatura el oren e 2.2 m/ºc y variaiones e la ganania e orriente que prouen variaiones en la ganania el amplifiaor. Una onfiguraión e realimentaión negativa ontribuye a reuir estos efetos. Se mejora la estabilia, linealia, se reue la istorsión, eree la resistenia e salia y aumenta la resistenia e entraa. Sin embargo, el osto por estas mejoras es la reuión e la ganania enominaa e lazo abierto (, sin realimentaión) respeto a la ganania on realimentaión enominaa e lazo errao. Configuraión básia e un sistema realimentao En la figura 5 se representa una onfiguraión básia e un.o. realimentao one representa una tensión externa o perturbaión en el sistema, por ejemplo un ruio. e es la tensión e error, iferenia entre la entraa y la salia el bloque e realimentaión. F representa la re e alimentaión, formaa por omponentes isretos pasivos. e e i f F El sistema puee ser representao por las siguientes euaiones: e = i f = e f = F Operano on las euaiones anteriores resulta: F es la enominaa ganania e lazo. Si F >> 1 el sistema reue el efeto e en una antia (1F) vees. Si 0, resulta: La ganania e lazo errao es: o o Figura 5 i 1 F 1 F i 1 F i o i F 1 F F De esta forma se esensibiliza la ganania el amplifiaor y quea eterminaa por la re e omponentes externos. Estrutura básia e un.o. Parámetros i

3 Universia Naional e Quilmes 3 La figura 6 muestra las etapas básias que onstituyen un. O. on transistores bipolares. 1 Etapa iferenial e entraa Etapa e amplifiaión Etapa e salia 2 (mplifiaor iferenial) (Emisor Común) (Coletor Común) elevaa impeania e entraa baja impeania e salia elevaa ganania el. O. Figura 6 Resistenia e entraa (Ri): es la resistenia meia entre las entraas inversora y no inversora el. O. Del oren e 2 M o mayor está eterminaa por la magnitu e la orriente e entraa onsumia por el. O. uano se aplia una tensión iferenial. Resistenia e salia (Ro): es la resistenia equivalente e Thevenin meia entre el terminal e salia el. O. y tierra. Reue la tensión e salia uano se oneta una arga RL. Capaia e entraa (Ci): es la apaia equivalente meia en una e las entraas on la otra entraa onetaa a tierra. Típiamente Ci 1.4 pf, limita el tiempo e respuesta el.o. Ganania e tensión iferenial a lazo abierto (): se efine omo la relaión entre la tensión e salia y la tensión iferenial e entraa = /. alor típio 2x10 5. Freuenia para anho e bana unitario (fbw): La ganania es máxima a freuenias bajas y isminuye por efetos internos. La figura 7 muestra una respuesta en freuenia típia. proximaamente la ganania se reue on una peniente e 20 B/éaa. La ganania en funión e la freuenia puee expresarse: [B] (jf) f 1 j f es la freuenia e orte o e 3 B Si f >> f, la euaión anterior quea: f f Figura 7 fbw f (jf) f j f f jf

4 Universia Naional e Quilmes 4 La magnitu e la ganania se vuelve unitaria a una freuenia f bw = f. La freuenia fbw se enomina anho e bana unitario. Relaión e rehazo e moo omún Como el. O. es un amplifiaor iferenial, ebe amplifiar la tensión iferenia apliaa a los terminales e entraa. Cualquier señal no eseaa que apareza al mismo tiempo en ambas entraas no ebería ser amplifiaa. Las tensiones v1 y v2 apliaas a las entraas el.o. pueen iviirse en os omponentes: una tensión iferenial v y una tensión e moo omún v, efinias omo: v = v2 v1 y v = (v2 v1)/2 Entones las tensiones e entraa pueen expresarse omo: v2 = v v/2 v/2 v1= v v/2 v1 vo v/2 v2 v Figura 8 Sea 1 la ganania e tensión on una entraa en el terminal inversor y la entraa no inversora onetaa a tierra. Sea 2 la ganania e tensión on una entraa en el terminal no inversor on la entraa inversora onetaa a tierra. La tensión e salia vo puee obtenerse apliano teorema e superposiión: vo = 1 v1 2 v2 : ganania e tensión iferenial : ganania e tensión en moo omún v o 1 (v v/2) 2 (v 2 1 vo ( ) v ( 2 vo v v v o v 2) v >, ya que 1 es negativo. Si se hae muho mayor que entones: v o v (v v ) 1 /2) tensión e salia será asi inepeniente e la señal e moo omún v.

5 Universia Naional e Quilmes 5 La habilia e un.o. para rehazar la señal e moo omún se efine por un parámetro e esempeño enominao relaión e rehazo e moo omún (CMRR), que se efine omo la relaión (magnitu) e las gananias y. CMRR CMRR B 20 log [B] Iealmente CMRR. Un buen.o. tiene un valor e CMRR 100 B El amplifiaor Operaional real Tensión e offset Los esbalanes o asimetrías en los iruitos que omponen las etapas el.o., básiamente la etapa iferenial e entraa, pueen prouir una tensión e salia no nula uao se aplia una tensión iferenial nula. Si los os terminales e entraa el.o. se unen y onetan a tierra, se mie una tensión no nula aunque pequeña en la salia, figura 9. s 0 La tensión e offset e ontinua e salia (OS) es la tensión e salia a lazo abierto que se mie uano la tensión iferenial e entraa es nula. Figura 9 La salia el. O. regresará al valor ieal (0 ) si se oneta a la entraa una fuente e tensión ontinua e polaria y magnitu apropiaas. Se efine la tensión e offset e ontinua a la entraa omo la tensión e entraa iferenial (IO) que ebe apliarse en el. O. a lazo abierto para prouir una tensión e salia nula, figura 10. Se moela omo una fuente ontinua en serie on la entraa no inversora e un.o. libre e offset, figura 11. IO puee ser positiva o negativa. = 0 IO IO Figura 10 Figura 11

6 Universia Naional e Quilmes 6 Ejemplo:.O. inversor R1 = 0 R2 R2 = 100 K R1 = 10 K io = ± 6 m s = io (1 R2/R1) IO s s = ± 6m (1 100/10) = ± 66 m que apareen a la salia sin ninguna señal externa apliaa. Compensaión e la tensión e offset Los.O. suelen tener un par e terminales e ajuste e offset. Entre estos terminales se oloa un poteniómetro externo. l variar el ontato el poteniómetro la tensión e offset e salia puee ser ajustaa a ero entro e ierto intervalo, figura 12. De lo ontrario, se puee usar una re externa e ompensaión e tensión e offset, figura CC 1 CC Figura 13 Figura 12 Corrientes e polarizaión e entraa Para un. O. ieal las orrientes e polarizaión e entraa son nulas. Para un. O. real no se umple esta oniión. Por ejemplo, para una. O. bipolar la orriente e polarizaión está en el oren e los n (30n 80 n típio), figura 14 IB1 IB1 IB2 IB1 IB2 Figura 14 IB2 IQ

7 Universia Naional e Quilmes 7 Se espeifian os valores: Corriente e polarizaión e entraa (promeio e las os orrientes e entraa) I IB Corriente e offset e entraa (iferenia e las os orrientes e entraa) I B1 I 2 B2 alores típios: IIB = 100 n, IIO = 10 n Efeto e la orriente e polarizaión e entraa En el siguiente iruito se tiene IB1 = 5, R2 = 100 K entones se proue una tensión e salia e = 0.5, sin tensión apliaa a la entraa, figura 15. IB1 I IO I R2 B1 I B2 0 = IB1 R2 Figura 15 Compensaión e la orriente e polarizaión Se oloa un resistor R3 e valor aeuao omo se muestra en al figura 16. Para alular el valor e R3 se puee apliar el prinipio e superposiión: R2 R1 IB1 1 R3 IB2 2 Figura 16 1 IB2 = 0, 2 = 1 = 0, entones 1 = IB1 R2 2 IB1 = 0, 2 = IB2 R3 = 1 (por tierra virtual), 2 = 1 (1 R2/R1) = IB2 R3 (1 R2/R1) 3 T = 1 2 = IB1 R2 IB2 R3 (1 R2/R1)

8 Universia Naional e Quilmes 8 Para anular el efeto e la orrientes e polarizaión T = 0. Consierano IB1 = IB2 = IB: T = IB (R2 R3 (1 R2/R1)) = 0 e one resulta omo valor apropiao para R3: R3 = R1 // R2 Si las orrientes fueran iguales oloano R3 se eliminaría el efeto. Como las orrientes no son iguales, si efinimos: IIO = IB1 IB2, resultan: IB1 = IB IIO/2, IB2 = IB IIO/2 Reemplazano estas orrientes en la expresión e OT y operano resulta: OT = IIO R2 El efeto no se anula pero se reue notablemente, ya que quea epenieno e la iferenia e las orrientes. Ejemplo: si R1 = 10 K, R2 = 100 K, IB1 = 1.1, IB2 = 1 Sin ompensar resulta = IB1 R2 = 110 m Coloano R3 = 100 K // 10 K = 9.09 K resulta = (IB1 IB2) 100 K = 10 m Cálulo el offset total Si IO = 4 m e IIO = 150 n en el siguiente iruito: R2 R1 IB1 i R3 IB2 R1= 5 K R2= 500 K R3= 5 K ( ebio a IO) = IO (1 500 /5) = 404 m ( ebio a IIO) = IIO R2 = 75 m T = 479 m eloia e respuesta Es un fenómeno que ausa istorsión no lineal. Hay una veloia máxima e ambio a la salia e un. O. real. este máximo se lo onoe omo veloia e respuesta el. O. y se efine omo: vo SR t máx (Slew rate) Suele espeifiarse en la hoja e atos en [/s]. Si la señal e entra apliaa al iruito exige una respuesta e salia más rápia que el valor espeifiao por el SR, el. O. no

9 Universia Naional e Quilmes 9 puee satisfaer este requisito. Su salia ambiará a la máxima veloia posible, que es igual a su SR, figura 17. Figura 17 Por ejemplo, onsieremos un seguior e tensión al ual se el aplia un esalón e tensión e amplitu. La salia el.o. no poría elevarse instantáneamente al valor. En ambio, la respuesta será una rampa e peniente igual a SR. La salia entones estará limitaa por la veloia respuesta máxima el.o, figura 18. La limitaión en la respuesta se asoia a efetos apaitivos que no permiten la variaión instantánea e la tensión. vi vi Figura 18 peniente = SR t