6. Amplificadores Operacionales

Transcripción

1 9//0. Amplificadores Operacionales F. Hugo Ramírez Leyva Cubículo Instituto de Electrónica y Mecatrónica hugo@mixteco.utm.mx Octubre 0 Amplificadores Operacionales El A.O. ideal tiene: Ganancia infinita Impedancia de entrada Infinita Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero. Ancho de banda también infinito Impedancia de salida nula Tiempo de respuesta nulo Ningún ruido.

2 9//0 Amplificador Operacional 74 Es el más popular. Es barato Se consigue fácilmente Utiliza fuentes de voltaje para alimentarse Tiene 8 terminales El Offset se ajusta con un potenciómetro entre las terminales y. Producto ganancia ancho de banda de 0.9MHz Entrada negativa Entrada positiva Voltaje Negativo - + U UA74 Voltaje Positivo Salida Amplificador Operacional TL084 Bajo consumo de energía Protección contra cortos circuitos Alta impedancia de entrada (entradas JFET) Alto slew Rate o ancho de banda ( V/us) Rangos de voltaje de +8V Tiene 4 OPAM en un solo CI. 4

3 9//0 TL084 Conexión en Proteus del TL084

4 9//0 Configuraciones con operacionales Amplificador No inversor Inversor Seguidor Restador Instrumentación Sumador Filtros Pasa altas Pasa bajas Pasa banda Rechaza banda Comparadores Simples Con Histéresis Temporizadores Monoestable Astable Rectificadores De ½ onda y onda completa Integrador y Diferenciador 7 Amplificador Inversor El voltaje Ed entre + y es cero cuando Vo no está saturado. La corriente requerida por las terminales + y es despreciable. La ganancia de voltaje es negativa La impedancia de entrada es baja (igual a R) V V +.00 Volts RI k RF k - + U UA74 I i = I F + I A Volts V = - O RF R i E i 9//0 8 4

5 9//0 Amplificador no inversor La ganancia es positiva La impedancia de entrada es alta. Con resistencias se controla la ganancia. Haciendo el mismo análisis para este amplificador la ganancia esta dada por: +.00 Volts k RI V4 V RF k + - U UA Volts A LC = VO RF E = R + i i 9 Seguidor de Voltaje Impedancia de entrada alta (>MΩ) Ganancia de voltaja Av=. Es usado para cambiar la impedancia de salida a un voltaje de referencia Volts EI V - U UA Volts + V O = E i 0

6 9//0 Amplificador diferencial Sirve para restar señales. Tiene baja impedancia e entrada. Si todas las resistencias son iguales R, el voltaje a la salida es: +.00 Volts +.00 Volts E V E V R R R RF + - U UA Volts V = E - E O Sumador Sirva para sumar señales. El voltaje de salida es negativos Puede tener o no ganancia La impedancia de entrada es baja (igual a R y R) + V V V V V V R R UA74 RF - Vo - U +

7 9//0 Comparadores con OPAMS En los comparadores normales la salida no cambia con mucha velocidad. El voltaje de salida no es mayor al Vcc y el negativo no es menor a Vcc Comparadores con OPAMS 4 7

8 9//0 Comparadores con OPAMS Si hay ruido en la señal de entrada genera disparos en falso LM El LM es un circuito comparador. Su salida es a transistor. Puede tener varios voltajes de salida (diferentes a la alimentación) Esta diseñado para este fin 8

9 AM FM 9//0 LM 7 Detector de cruce por cero Es utilizado para cuando una señal senoidal pasa del ciclo positivo al negativo. + V V V V Volts R U UA Volts A B C D U UA Volts + 8 9

10 9//0 Detector de cruce por cero 9 Comparador con una referencia de voltaje (Vref) + V V V V - - U AM FM + - V V UA74 A B C D + 0 0

11 4 8 9//0 Comparador con una referencia de voltaje (Vref) Comparador con salida a transistor LM La salida es controlada por un transistor. Tien la ventaja de que puede conmutar cargas más grandes Permite manejar diferentes niveles de voltaje a la salida El LM se pude alimentar con una o fuentes de voltaje. Cuando el voltaje en + es mayor que en el transistor se satura (conduce). + - V V V V V VSINE V(+) V4 v U(-IP) + -V U 7 LM R k U(OP) V V

12 9//0 Comparador con salida a transistor LM Voltímetro de columna luminosa Con comparadores se puede realizar un multímetro con LED s. También este diseño es usado para el desplegado gráfico de los ecualizadores % RV V V V V + R0 R R R U U U UA74 UA74 UA74 D DIODE D DIODE D DIODE R R R LED LED-BIRY LED LED-BIRY LED LED-BIRY 4 - R4 - U4 UA74 D4 DIODE R4 LED4 LED-BIRY

13 9//0 Comparador con Histéresis Usando retroalimentación positiva se genera Histéresis y con ella esto se evitan disparos en falsos Retroalimentación positiva

14 9//0 Análisis Cuando la salida Vo=+Vsat Cuando la salida Vo=-Vsat 7 Ejemplo Sea un comparador con R=kΩ y R00kΩ. El voltaje de saturación es de +V y -V. Al aplicar las ecuaciones se obtiene que: = R - = - ( ) VLT Vsat 0.8V R + R R ( ) VUT = Vsat = 0.8V R + R Se simuló el circuito en Orcad y se obtuvo que VLT= - 0. y VUT= 0.4V 8 4

15 9//0 Ejemplo 9 Comparador con Histéresis 0

16 9//0 Detector no inversor de Nivel de voltaje con histéresis Voltaje de umbral superior Voltaje de umbral inferior Voltaje central Ejemplo Analizar el circuito de la figura VLT=9V VUT=-V VH=V Vdc Vcc V Vdc V Vee V+ V- Vcc U OS OUT OS ua74 Vout V Vdc V 0 Vin V R 0k R4 00k VOFF = 0 VAMPL = FREQ = khz Vee Vs 0

17 9//0 Ejemplo Temporizador con un OPAM Si se pone un circuito RC retroalimentado en la entrada negativa se consigue un temporizador La frecuencia de oscilación es función de la constante τ=rc 4 7

18 9//0 Temporizador con un OPAM Circuito Acondicionador de Señales (CAS) Hay ocasiones en las que se necesita generar una ecuación de línea recta en función del voltaje de entrada La ecuación de salida es del tipo lineal y=mx+b Donde x es el voltaje de entrada y el voltaje de salida b el nivel de offset El circuito que genera esta ecuación es: 0 Y m Add Display b 8

19 9//0 Circuito Acondicionador de Señales El circuito acondicionador de señales (CAS) se comporta como una línea recta y = mx + b Se usa para acondicionar los niveles de voltaje de un sensor: 7 9//0 Ejemplo Diseñar el circuito que genera el voltaje de la figura: y=x+ 8 9

20 9//0 Diseño de un CAS Diseñar un circuito de acondicionamiento de señales para que mida temperaturas en el rango de 0 a 0 C. El Margen de voltajes a la salida es de 0 a V. Se desea que la salida del CAS sea lineal, es decir, cuando la temperatura sea 0 C la salida del CAS sea 0V; cuando el sensor tenga 0 C la salida del CAS sea de V. Solución El sensor de temperatura a usar es el LM Suministra un voltaje en función de los K Su ecuación de salida es 0mV/ K Trabaja en el rango de -0 a 00 C 9 Diseño de un CAS 40 0

21 9//0 Diseño de un CAS Se necesita diseñar un circuito que cuando se tenga un voltaje de.7v a la salida se tenga 0V; cuando la entrada sea de.v la salida sea de V. Con estos datos, la ecuación del CAS es: Modelado a bloques V(+) V=. V.V K K K=-.0 K(OUT) V=-. K K K=-0 K(OUT) V=. OP : ADD R() V= R K K K(OUT) V=-7. V V4 K=-.7 4 Diseño de un CAS R R 00k V(+) V=. V.V R - U UA74 R4() V=-.9 R4 R 4.9k - U + UA V= U(OP) V=

22 9//0 Filtros Los filtros son circuitos que permiten el paso de una determinada frecuencia mientras atenúan todas las señales que no están dentro de esa banda. Existen tipos de filtros: Pasa bajas, Pasa altas, Pasa banda, rechaza banda y pasa todo. La frecuencia de corte fc se conoce como frecuencia o frecuencia de -db, o frecuencia de ruptura 4 Filtro pasa bajas Butterworth + C V 0n Vdc R.k Vdc V - - Vac 0Vdc 0 V R 70 R 70 C V+ V- UA TL084 OUT Vopam V 0 0n

23 9//0 Procedimiento de diseño del filtro pasa bajas Butterworth El filtro de Butterworth es uno de los filtros electrónicos más básicos, diseñado para producir la respuesta más plana que sea posible hasta la frecuencia de corte. La salida se mantiene constante casi hasta la frecuencia de corte, luego disminuye a razón de 0n db por década Definir la frecuencia de corte Definir C; elegir un valor comprendido entre 00pF y 0. uf Definir C=C Calcular Definir 4 Filtro Butterworth pasa altas Vdc + V R 70 R.k Vdc V - - Vac 0Vdc 0 V C 0n 0n C R V+ V- UA TL084 OUT Vopam V 0.k 0 + H ( s) = s s + s + RC ( RC) s = + j j s + s + RC RC 4

24 9//0 Procedimiento de diseño del filtro pasa altas Butterworth Definir la frecuencia de corte wc o fc Definir C=C=C adecuado Calcular R mediante Hacer Para reducir al mínimo el desvió, hacer: 47 Referencias de Voltaje Las referencias de voltaje integradas se utilizan cuando se requiere un voltaje muy preciso. Para definir el voltaje de referencia de un convertidor Mantienen el voltaje ante variaciones de temperatura El CI REF0 proporciona un voltaje de +V 48 4