Tema 1D Amplificadores Operacionales. Prof. A. Roldán Aranda 1º Ing. Informática

Transcripción

1 Tema D mplificaores Operacionales Prof.. olán rana º Ing. Informática

2 EL MPLIFICDO OPECIONL Los componentes electrónicos (transistores, ioos, etc) son elementos con tolerancias my elevaas, my sensibles a la temperatra, con moelos reales my complejos, etc. La realización e amplificaores con ganancias y comportamientos estables e forma irecta (bcle abierto) es ifícil por no ecir imposible: las tolerancias las corrientes e fgas e los componentes harán el sistema my poco preciso. La clave el éxito y e la precisión e los amplificaores está en consegir estrctras e ganancia my elevaa (p.e. 80 B p..) y reglar el conjnto. El amplificaor operacional esta pensao con esta filosofía: Ganancias my elevaas Pensano en reglarse. Por este métoo el sistema se hace insensible a la tolerancia e los valores (siempre qe pea consierarse la ganancia my elevaa (p.e. e a el cambio es my grane, pero en ambos casos pee consierarse my elevaa)

3 HCI EL MPLIF. OPECIONL E eferencia Consigna EO error MPLIFICDO () (Valor qe ebe tener ) Meia e ealimentación (β) ESTCT TÍPIC P N MPLIFICDO ELIMENTDO S E β Si es my grane tenemos: S E β Esta iea es la base el so el amplificaor operacional (O)

4 EL MPLIF. OPECIONL I La conexión en serie e istintas etapas (e amplificación con transistores) se conoce como MPLIFICDO OPECIONL (O). efectos prácticos poemos consierarlo n componente electrónico. CC E() E () Hoy ía para aplicaciones instriales no tiene sentio la realización e etapas amplificaoras con componentes iscretos. CC SÍMBOLO ESTÁND DEL MPLIFICDO OPECIONL El O es la base e la Electrónica nalógica en bajameiaalta frecencia. Es más, existen mltit e circitos integraos (algnos e los cales iremos vieno a lo largo e la asignatra) qe nos permiten implementar e forma sencilla mltit e aplicaciones.

5 EL MPLIF. OPECIONL II lgnos tipos e O clasificaos por prestaciones: so general: Para lta frecencia: Para Instrmentación: De precisión: Comparaores : De Ganancia programable: De potencia: De alta tensión: LM74, LM30, TL08, TL08 LM38, 75 LM3, 75 74, LM3 LM3, LM339, LM , LM LH0004 lgnos circitos integraos erivaos el O e interés práctico: LM555 Temporizaor e propósito general LM566 Oscilaor controlao por tensión D633 Mltiplicaor e bajo precio D639 Generaor e onas senoiales D630 Conversor tensiónfrecencia X5 PLL (Conversión f/v y v/f) "PLL PhaseLocke Loop" LM565 PLL (Conversión f/v y v/f)

6 EL MPLIF. OPECIONL III lgnos fabricantes relevantes: LM TL NE/SE X MC NationalSemiconctor ( Texas Instrments ( Fairchil ( Signetics ( Exar ( Motorola (ewww.motorola.com) Se sgiere la conslta e estas páginas. (p.e. la e Texas Instrments contiene mcha información sobre.o.)

7 EL.O. : Estrctra Interna I LM74 LM74 mplificaor operacional e propósito general ENCPSLDO DIP8

8 EL.O. : Estrctra Interna II TL08 TL08 y TL08 mplificaor operacional con entraa FET (*) Fijarse qe el TL08 es compatible e intercambiable con el LM74 TL08 (*) El TL08 tiene os TL08 en el mismo encapslao

9 LM74 EL.O. : Estrctra Interna III

10 EL.O. : Moelao I lgnos comentarios eben realizarse en relación con el O el cal a partir e este momento, poemos consierarlo n nevo componente. La entraa la enominaremos entraa no inversora. La entraa la enominaremos entraa inversora. CC Como elemento ieal consieraremos: CC. La impeancia e entraa es in. Es ecir, espreciaremos las corrientes por las entraas.. La impeancia e salia es ot 0. Es ecir, teóricamente pee aportar toa la corriente qe se emane. 3. La ganancia iferencial es. S ( )

11 EL.O. : Moelao II En relación con este comportamiento ieal vamos a hacer algna matización:. Las corrientes e polarización e la etapa iferencial son realmente my peqeñas (el oren e 80 n para el LM74). ún más, para los ispositivos con entraa JFET como el TL08 (el oren e 30 p).. La capacia e entregar corriente el O no es infinita. De hecho, las capaciaes e corriente e salia es el oren e m (5 m para el LM74) 3. especto a la ganancia ebemos hacer os comentarios: SIMETÍ K En general en n amplificaor iferencial se cmple: Done K y K no son necesariamente igales Si colocamos la expresión e otra forma: K ( ) K K ( ) ( K K) Ganancia iferencial ( ) Tensión iferencial Ganancia Moo común ( C ) Tensión Moo Común

12 EL.O. : Moelao Simetría III Si ientificamos términos poemos obtener: K C K fortnaamente la etapa iferencial e n O integrao es my simétrica y la ganancia en moo común es my peqeña. C P.e. para el LM74 80 B p.. C Parámetro CM: azón e rechazo e Moo común Poemos pes consierar sin error significativo qe solo tenemos. S ( )

13 EL.O. : Moelao Ganancia IV S ( ) Otra consieración es la e GNNCI P EL TL08 En la práctica es grane (más e 00 B para el TL08) a frecencia bajas. meia qe amentamos la frecencia la ganancia isminye: ª Frecencia e corte (polo) a 0 Hz ª Frecencia e corte (polo) a MHz IMPOTNTE: Fijarse qe a MHz la ganancia está entorno a ( Ya no es my grane!!)

14 EL.O. : Moelao Ganancia V l ser la ganancia my elevaa si: > entonces (a efectos prácticos CC ) < entonces (a efectos prácticos CC ) ON LINEL Se ice qe el amplificaor trabaja a satración. Solamente si consegimos qe (realimentación o reglación) poremos obtener tensiones e salia comprenias entre las alimentaciones ON LINEL CC (satrao a ) CC (satrao a )

15 EL.O. : Moelao Ganancia VI ecorano los concepto s e mplificaores y el.o.: E β β 0 β β S E β O β β β E Comportamiento con O ieal ealimentación Si >> /β entonces: S E β Si << /β entonces: S E

16 EL.O. : Moelao Ganancia VII Gráficamente tenemos: Ganancia /β O Comportamiento con realimentación f ON DE COMPOTMIENTO IDEL ES IMPOTNTE P SBE HST DONDE PODEMOS CONSIDE IDEL EL O

17 EL.O. : ealimentación I La realimentación positiva tiene aplicación en comparaores 0 β β X 0 β β X E E NEGTIV Operación estable. POSITIV Operación inestable. Si entonces entonces æ amenta X æ amenta isminye Si entonces entonces æ amenta X æ amenta æ amenta EQILIBIO CB STÁNDOSE

18 esmen CCTEÍSTICS Impeancia e entraa no infinita Impeancia e salia no nla Corriente máxima e salia limitaa Ganancia no infinita ncho e bana limitao Errores en contina Tensiones e entraa limitaas por la alimentación Excrsión e la tensión e salia limitaa por la alimentación

19 EL.O. : Ganancia Negativa I ealización e mplificaores e tensión básicos con el O E MPLIFICDO IDEL DE TENSIÓN E E L L S E MPLIFICDO DE GNNCI NEGTIV

20 e s i e i i 0 i i i e ( ) e e i i e e i s s e s s s e e 0 s > 0 0 c s e s e s e s lim e s plicaciones lineales ealimentación e tensiones en paralelo EL.O. : Ganancia Negativa II FSES

21 plicaciones lineales ealimentación e tensiones en paralelo e s i e i e 0 s > 0 0 c i s lim e s i e s e ( ) e e e 0 lim e EL.O. : Ganancia Negativa III FSES

22 EL.O. : Ganancia Positiva I ealización e mplificaores e tensión básicos con el O E L MPLIFICDO IDEL DE TENSIÓN E V E L E S MPLIFICDO DE GNNCI POSITIV MONTJE BÁSICO P ELI MPLIFICDOES DE TENSIÓN

23 EL.O. : Ganancia Positiva II ealización e mplificaores e tensión básicos con el O E E S L E E S V E L MPLIFICDO DE GNNCI POSITIV CON E y S Fijarse qe es posible añairle conensaores serie y paralelo para limitar el ancho e bana

24 EL.O. : Segior e Tensión I ealización e mplificaores e tensión básicos con el O E L E E L S E MPLIFICDO DE GNNCI NIDD (SEGIDO DE EMISO) Se peen añair igalmente E, S y las frecencias e corte qe se estimen oportnas.

25 EL.O. : mplif. Diferencial I V V V V V V V S V V V S V V V S V V V S (V V ) FSES

26 EL.O. : mplif. Diferencial II ealización e mplificaores e tensión básicos con el O L ( ) MPLIFICDO DIFEENCIL: (ESTDO NOMLIDO)

27 EL.O. : mplif. Normalizaor I ealización e mplificaores e tensión básicos con el O L MPLIFICDO NOMLIDO ( ) NOT: Este circito y el anterior son especialmente interesantes para la fnción e normalizar rangos e tensiones

28 EL.O. : mplif. Normalizaor II TEMOP B /D N ealización práctica T NOMLIDO 0 B 00 ºC 00 mv 0 V V T 0 ºC 600 mv B 0 V 4/7 V B Transformación lineal 0 B Circito normalizaor ( )

29 EL.O. : mplif. Instrmentación 0 x x L ( ) ( ) x 0 x MPLIFICDO DIFEENCIL DE INSTMENTCIÓN

30 EL.O. : mplif. Smaorestaor N N S i i SMDOESTDO NLÓGICO

31 EL.O. : mplif. Smaor No inversor B V V S B V V V V S V V V 3 V V V 3 V S B V V 3 FSES

32 EL.O. : mplif. INTEGDO En los montajes anteriores es posible cambiar las resistencias () por impeancias (s). n caso e interés es la realización e n integraor analógico C B E L 0 B/ec S ( t) Notar qe: S (0) C S t t t 0 E ( 0) C (0) ( t) t f π C epresentación el integraor en el ominio e la frecencia f INTEGDO NLÓGICO

33 Otro ejemplo my interesante srge la inclir conensaores en la re e realimentación el amplificaor inversor (tal y como se inica en la figra). Obtenemos n amplificaor e Bana ncha fácilmente configrable. E L C C C f π C f π f f f lg 0 E E L EQIVLENTE FECENCIS MEDIS ( )( ) C j C j C j ω ω ω EL.O. : mplif. De BND NCH

34 EL.O. : Conversor I/V ealización e mplificaores e tensión básicos con el O MPLIFICDO IDEL DE TNSESISTENCI I E L I E I E L I S E CONVESIÓN I/V (Notar el esfase e 80º)

35 EL.O. : Conversor I/V Ejemplo MΩ MΩ I L I L L Fotoioo BPW I [ n] 0 L[ lx] S [ mv] I 0 L[ lx] lgo parecio pee hacerse con n ioo normal para meir temperatra. (Corriente e fgas e n ioo se plica caa 0ºC)

36 EL.O. : Conversor V/I I i V V i V V E V i E v v i V i E V E V i S i E i i S i S i S V E V V La corriente e salia no epene e S i S V E FSES

37 EL.O. : Conversor V/I II MPLIFICDO DE TNSCONDCTNCI E I S E E G E I S L I S E L G E L NOTS:. E epene e L. Si se esea n valor estable se pee añair n segior e emisor. (Normalmente L << e one poemos ecir E ). Fijarse qe no epene e. Sin embargo el iseño e es crítico. No pee ser cero (realimentación positiva igal a negativa) ni emasiao grane (La salia pnto se poría satrar).