TEMA 6 AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Transcripción

1 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 TEMA 6 AMPLIFICADES PEACINALES Profesores: Germán llalba Madrd Mguel A. Zamora Izquerdo

2 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 CNTENID Introduccón El amplfcador dferencal El amplfcador operaconal deal Caracterzacón de un amplfcador operaconal no deal Almentacón del amplfcador operaconal Slew rate Excursón de la tensón de salda Errores de contnua. Cancelacón de los efectos de las correntes de polarzacón. estrccón del cortocrcuto vrtual Crcutos amplfcadores: nversor, no nversor, sumador, dferencal, ntegrador y dervador. Segudor de tensón. Anexo I.I. Conversón Dgtal Analógca (DAC) con A. 2

3 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 INTDUCCIN En la década de los cuarenta, las calculadoras analógcas utlzaban crcutos electróncos analógcos para realzar certas operacones. La complejdad que presentaban se soluconaba al tomar una parte de la señal de salda e ntroducrla en la entrada (realmentacón). El nombre de amplfcador operaconal provene precsamente de ser usado ncalmente para realzar operacones analógcas. Cuando el A se realmenta, el crcuto trabaja en bucle cerrado. Cuando no exste realmentacón, opera en condcones de lazo aberto. Por medo de redes de componentes pasvos (resstencas, condensadores, bobnas) se consgue una gran varedad de funconaldades (nversor, no nversor, segudor, sumador, ntegrador, etc.), respondendo el sstema a la confguracón adoptada y a los valores de los componentes, sn que afecten las varacones en las característcas del A. Es decr, el sstema es ndependente de la dspersón de las característcas del A debdo a los procesos de fabrcacón. 3

4 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 EL AMPLIFICAD DIFEENCIAL El Amplfcador Dferencal dspone de dos señales de entrada (aplcadas a los termnales nversor y no nversor), producendo una tensón de salda proporconal a la dferenca entre las tensones de entrada. (ver fgura). Notacón: La dferenca entre las tensones de entrada se llama tensón de entrada dferencal d. La gananca dferencal (Ad) es la gananca del amplfcador. La tensón de entrada de modo común (cm) es la meda de las tensones de entrada. 4

5 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 AMPLIFICAD PEACINAL. DEFINICIÓN DE TEMINALES Todas las dferencas de potencal son con respecto a masa. Dspone de dos termnales de entrada y uno de salda Y dos termnales para conexón de almentacón +cc y cc. El A.. solo tene dos zonas de funconamento: Lneal: la salda toma valores comprenddos entre +cc y cc. Saturacón: la tensón de salda adquere el valor de los dos valores de almentacón +cc ó cc. La operacón que sempre realza el A.. o A ) v( 2 A v n 5

6 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 AMPLIFICAD PEACINAL IDEAL Y EAL Característcas A real (u74): Z00Mhm Avo00000 Zo40 hm. W D [Hz, MHz] Zo Característcas A deal: Impedanca entrada(z) nfnta. Gananca en bucle aberto (Avo) nfnta para la entrada dferencal. Gananca nula para la señal en modo común. Impedanca de salda (Zo) nula. Ancho de banda W D nfnto. Ausenca de desvacón de característcas con la temp. Z 6

7 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 ALIMENTACIN DEL AMPLIFICAD PEACINAL Almentacón del A Al menos es necesaro aplcar una fuente de almentacón contnua, pudendo ser las dos fuentes de tensón guales pero de sgno contraro respecto a masa (almentacón smétrca), o dferentes (almentacón asmétrca). La seleccón de los valores de tensón de almentacón y el tpo de almentacón depende de la aplcacón en la que deba trabajar. Las dos almentacones representan los límtes del rango de valores posbles de la tensón de salda del amplfcador operaconal, es decr, nunca la salda podrá alcanzar el valor de tensón dado por la fuente de almentacón (ver Excursón de la Tensón de Salda). Se debe tener en cuenta que muchas veces no se muestran explíctamente las conexones con las fuentes de almentacón en los esquemas de crcutos electróncos. 7

8 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 SLEW ATE Un efecto no lneal de los A reales es que la varacón de la tensón de salda en el tempo está lmtada (SLEW-ATE: velocdad de subda). La tensón de salda no puede aumentar (o dsmnur) más rápdo que este límte. Como dato ndcatvo, decr que el ua74 y almentacón a 5 pp y con L>2k, el valor típco es 5x0 5 /s (se suele expresar como 0.5 /us). El slew-rate puede ocasonar que la forma de la onda de salda de un amplfcador real pueda ser muy dferente a la de un operaconal deal. 8

9 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 EXCUSIN DE LA TENSIN DE SALIDA Exsten varos modos de trabajo no lneal para los amplfcadores operaconales reales: La tensón de salda presenta un límte máxmo y un límte mínmo. S la señal de entrada es sufcentemente grande, la salda puede alcanzar dchos límtes, dejando así de responder y se produce un recorte. El margen de tensón antes de producrse el recorte depende del A, de la resstenca de carga y del valor de las almentacones. Por ejemplo, para el ua74 almentado a +5v y 5v, tene como límte máxmo, en unas determnadas condcones, +4v y 4v. 9

10 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 EES DE CNTINUA Los A contenen crcutos de entrada acoplados en contnua. La corrente entra o sale de los termnales de entrada del operaconal, sendo: I B+ corrente que entra en la entrada no nversora. I B- corrente que entra en la entrada nversora. I B es la meda de estas dos correntes, y se denomna corrente de polarzacón (bas current). En el caso deal (característcas de entrada smétrcas) sendo ambas correntes guales. En el caso real, las correntes de polarzacón no son guales, creando una llamada corrente de desvacón. Ioff I B+ - I B- tro error es tener una tensón de salda dferente de cero para una tensón de entrada nula (offset voltage). 0

11 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 CANCELACIN DE LS EFECTS DE LAS CIENTES DE PLAIZACIN Consste en dseñar crcutos que anulen los efectos de las dos fuentes de corrente de polarzacón. En la confguracón del nversor, s se añade una resstenca en la entrada no nversora del A, no se producen cambos de la gananca del amplfcador, pero se anulan los efectos de las fuente Ib. El valor de dcha resstenca debe ser el paralelo de las restantes resstencas ( y 2).

12 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 EALIMENTACIÓN Defncón Conectar o nyectar una señal de la salda con alguna de las entradas Una muestra de tensón o corrente en algún punto de la salda la llevamos a la entrada ealmentacón postva. Cuando la realmentacón se hace a la entrada no nversora. Crcutos nestables, rápdamente la salda se satura a los valores máxmo o mínmo (tensones de almentacón) ealmentacón negatva. Cuando la realmentacón se hace a la entrada nversora. La gananca se reduce respecto al valor en lazo aberto y el crcuto es más estable. 2

13 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 ESTICCIN DEL CTCICUIT ITUAL Aproxmando las característcas al modelo deal, se facltan los cálculos tenendo en cuenta lo sguente: La mpedanca del operaconal se consdera nfnta, por lo que las correntes de entrada al operaconal se pueden consderar nulas. S exste realmentacón negatva, se puede consderar que las dos entradas se encuentran sempre al msmo potencal (sempre que no se llegue a la zona de saturacón). Decmos que exste un cortocrcuto vrtual entre ambas entradas, ya que aunque tenen la msma tensón, entre ellas no crcula corrente. Esto se debe a que la gananca del A es tan elevada que unas décmas de mlvolto de tensón dferencal entre las entradas satura la salda; por tanto, al realmentar negatvamente, s ambas tensones se desequlbran y dejan de ser guales, la realmentacón negatva compensa esta dferenca y hace que las entradas tomen nuevamente el msmo valor. Así pues, en lazo aberto las entradas pueden tener potencales dferentes, ya que no exste nnguna realmentacón. 3

14 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 AMPLIFICAD INES La determnacón de la gananca de tensón en bucle cerrado se realzará tenendo en cuenta la restrccón del cortocrcuto vrtual (con realmentacón negatva), las leyes de Krchhoff y tenendo en cuenta que las correntes en las entradas es nula. Suponendo que en la entrada nversora está al msmo potencal que la entrada no nversora, la corrente provenente del generador de señal que crcula por tendrá que contnuar su camno por 2 hasta el termnal de salda. IN 2 IN 2 2 ; con 0voltos 4

15 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 AMPLIFICAD N INES Se trata de un amplfcador con Av > 0. La gananca vene dada por la relacón entre las resstencas de realmentacón. La mpedanca de entrada es teórcamente nfnta, pues la corrente de entrada es cero. Al ser la gananca ndependente de la carga, la tensón de salda es ndependente de la carga; por tanto, la mpedanca de salda es cero ) ( 0 A IN IN IN IN IN

16 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 SEGUID DE TENSIN Del amplfcador no nversor, se puede deducr que la gananca mínma es la undad, s 2 es cero, o s se deja en crcuto aberto. La tensón de salda sgue a la entrada (segudor). Se utlza prncpalmente como etapa de adaptacón de la entrada al sstema, proporconando una resstenca de entrada elevada. En el crcuto nferor, en la etapa preva al nversor, se dspone de un segudor para proporconar a la etapa nversora la tensón del generador de señal exhbendo además una alta mpedanca de entrada. 6

17 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 CICUITS AMPLIFICADES: INES EN CC Y ACPLAD EN CA El estudo del nversor Corresponde con lo desarrollado anterormente. En el acoplado en corrente alterna ncorpora un condensador que bloquea la contnua, con las sguentes peculardades: Para calcular bas (cancela efectos de correntes de polarzacón) solo se tenen en cuenta los efectos de 2, pues la crculacón de correntes en contnua a través de está bloqueada por el condensador. Solamente se nvertrá y amplfcará la señal varable nyectada por n (se consdera a frecuencas medas, y la reactanca capactva del condensador a dchas frecuencas es 0). 7

18 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 CICUITS AMPLIFICADES: SUMAD INES La salda es la nversa de la suma de las tensones de entrada. La entrada no nversora está a masa, por lo que al tener realmentacón negatva la entrada nversora estará vrtualmente a 0 voltos. Desde cada una de las entradas crcula una corrente haca la entrada nversora, que no tene otro camno de salda que drgrse a la salda del amplfcador a través de la resstenca de realmentacón. Aplcando la ª Ley de Krchoff, y la Ley de hm, se obtene la tensón de salda en funcón de las de entrada. A + A B A + f f B A A B + B B f ; con 0voltos 8

19 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 CICUITS AMPLIFICADES: DIFEENCIAL La tensón de salda es una constante multplcada por la señal dferencal de entrada (v-v2). La gananca para la señal de modo común es cero. Para mnmzar los efectos de la corrente de polarzacón, se deberían selecconar 24 y 3. v ( v ) 2 v2 9

20 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 CICUITS AMPLIFICADES: INTEGAD Su tensón de salda es proporconal a la ntegral en el tempo de la tensón de entrada. Es útl en nstrumentacón, por ejemplo, un acelerómetro nos devuelve una señal proporconal a la aceleracón de un objeto. Aplcada a un ntegrador, se obtene la velocdad de dcho objeto. olvendo a ntegrar se obtene la poscón. vn ( t) n ( t) tx vc ( t) n t dt C ( ) 0 v ( t) v ( t) v C ( t) C 0 tx v n ( t) dt 20

21 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 CICUITS AMPLIFICADES: DEIAD Su salda es proporconal a la dervada en el tempo de la tensón de entrada. Su análss es smlar al del nversor, úncamente que la ntensdad de entrada es la correspondente al condensador tenendo en cuenta que la dferenca de tensón a la que está sometdo es la de entrada menos la masa vrtual. dvn ( t) n ( t) C dt v ( t) ( t) v n dvn ( t) ( t) C dt 2

22 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 ANEX I.I CNESIN DIGITAL ANALGIC (DAC) CN AMPLIFICADES PEACINALES La conversón dgtal analógca consste en reconstrur una señal analógca a partr de los códgos bnaros. La señal del DAC no es exactamente la msma que la señal analógca orgnal, por los sguentes motvos: Los códgos no contenen nformacón sobre el valor de la señal entre dos muestras. La señal reconstruda es una aproxmacón escalonada de la señal orgnal. Un fltro paso bajo realza la aproxmacón (ver fgura). La señal reconstruda está retrasada en el tempo respecto a la señal orgnal. La dferenca más mportante entre la señal reconstruda y la señal orgnal es la debda al hecho de que los códgos no representan las ampltudes exactas de las muestras. Así el DAC debe aproxmar cada ampltud al valor central de la zona correspondente. La dferenca entre los valores de muestreo y las ampltudes reconstrudas se denomna error o rudo de cuantfcacón. 22

23 Tema 6 Amplfcadores peraconales ev 4 ANEX I.I CNESIN DIGITAL ANALGIC (DAC) CN AMPLIFICADES PEACINALES Un ejemplo de DAC es el mplementado a partr de una red de resstencas ponderadas y un amplfcador operaconal. Se basa en controlar los conmutadores medante los bts correspondentes del códgo de entrada. Para d el conmutador se conecta a la entrada del operaconal; s d0, se conecta a masa. La corrente que crcula por cada resstenca es ndependente del resto que estén conectadas, sendo o la suma de todas las correntes. ref 2 v f + D ref 23