AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Transcripción

1 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal 4 1 CAPÍTULO 4 AMPLIFICADO OPEACIONAL 4.1 PESENTACIÓN El amplfcador operaconal (A.O.) se puede consderar como un amplfcador unersal debdo a su gran ersatldad y a la forma smple en que puede reemplazar (funconalmente) a una gran aredad de confguracones dscretas. El uso ntenso de los A.O. s se desarrolla con la aparcón de los crcutos ntegrados, tecnología que permte lograr pequeños tamaños, bajo costo y excelentes característcas funconales. Debdo a la complejdad de la crcutería nterna de un A.O., una acabada aprecacón de sus característcas de funconamento potencaldades y lmtacones requere de un alto grado de habldad (experenca) en técncas de análss de crcutos, reconocmento de confguracones funconales típcas, técncas específcas de realmentacón, polarzacón, etc.. Sn embargo, la gran mayoría de las aplcacones pueden ser resueltas (ya sea tarea de análss o un problema de dseño) en base a consderacones smplfcadas, traducdas en un modelo deal. 4. MODELO IDEAL Entrada Inersora Entrada nonersora A.O. Salda Fgura 4.1: Modelo deal del A.O. El dsposto consta de dos entradas y una salda (además cuenta con termnales para polarzacón y, en algunos casos, para compensacones; éstos no se ncluyen para mantener una són smplfcada). Las característcas funconales que descrben su comportamento son: 1. Dsposto analógco lneal.. Gananca (de tensón) práctcamente nfnta. 3. Una entrada nersora, produce en el termnal de salda una señal en contratase (180º) respecto de la señal aplcada a la entrada. 4. Una entrada nonersora, produce en la salda una señal en fase con aquella aplcada en la entrada. 5. Impedanca de salda cas nula (cero). 6. Impedancas de entrada nfntas.

2 4 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal Las aplcacones lneales utlzan el dsposto retroalmentado en forma negata (una muestra de la señal de salda se retroalmenta haca la entrada nersora); en estas condcones el funconamento del A.O. se resume en las EGLAS DE OO : I. La salda se ajusta (automátcamente) a un alor tal que hace nula la dferenca de oltaje entre ambas entradas; en consecuenca de asumr gananca nfnta, y demostrable en base a tal consderacón. II. No crcula corrente por las entradas (equalente a la característca de mpedancas nfntas en las entradas). Justfcacón de las eglas de Oro (para lberarlas del carácter dogmátco) A f f Fgura 4.: Amplfcador elemental Fgura 4.3: Modelo de análss elacones: Sendo A la gananca del A.O. y el oltaje dferencal de entrada, 0 = A El oltaje dferencal puede ser escrto según: = ( ) 0 = 0 f ( 0 ) = f

3 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal 4 3 Así, el oltaje de salda, estará dado por S A, A, f. Ello mplca que ( ) 0 0 = A A f A 0 f = A f 0 f Además, ( ) = ( ) ( 0 ) f f f ( f ) = f ( f ) = 0 = 0

4 4 4 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal 4.3 APLICACIONES LINEALES MÁS UTILIZADAS AMPLIFICADO INVESO I f f I I Fgura 4.4: Amplfcador nersor S = 0, por regla I tambén = 0. De esta forma, I = Por regla II, I = 0, entonces, I f = I Así, = I 0 f f = I f = f La gananca de tensón será: A 0 f = = La mpedanca de entrada resulta Z I = = El dseño resultará así extremadamente smple: la eleccón de permte fjar la mpedanca de entrada; la razón f / permte ajustar la gananca.

5 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal AMPLIFICADO NOINVESO I f Fgura 4.5: Amplfcador nonersor Por regla I: 0 f 0 1 = f = Por regla II: I = Z = = 0 I Dsponendo un resstor fnto desde la entrada nonersora a terra es posble fjar la mpedanca de entrada a un alor específco.

6 4 6 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal 4.3. AMPLIFICADO DE DIFEENCIA 1 1 Fgura 4.6: Amplfcador de dferenca Dado que se trata de un dsposto operando lnealmente, es posble (y útl) aplcar el teorema de la superposcón: a) Hacendo = 0 (cortocrcuto a terra) se llega a la confguracón nersora de 4.3.1, para la cual: = = 0 0a 1 1 b) Hacendo 1 = 0, se llega a la confguracón nonersora, para la cual = = 0 1 0b 1 1 y la salda total corresponde (según T. de superposcón) a la suma de las saldas debdas a cada una de las entradas: = 0 0a 0b = Dado que no se logra la dferenca (o resta) exacta, usualmente se opta por una confguracón modfcada (er fgura 4.7).

7 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal Fgura 4.7: Amplfcador de dferenca modfcado Es posble realzar un análss por superposcón de la sguente forma: a) Hacendo = 0, b) Hacendo 1 = 0, = 0a 1 1 y fnalmente, 0b = 1 = 1 1 = 0b 1 = 0 0a 0b = 1 1 [ ]

8 4 8 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal AMPLIFICADO SUMADO (E INVESO) f f Fgura 4.8: Amplfcador sumador Por la regla I, = 0, de lo cual 1 1 = 3 1 = 3 = 3 por la regla II, = 0, de donde Así, f f ( ) = = 0 f 1 3 = f 1 3 S 1 = = 3 = = f f f sendo posble, por medo de la eleccón de los s, otorgar ponderacón dferente (nddual) a cada uno de los sumandos.

9 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal SUMAS ALGEBAICAS PONDEADAS f Fgura 4.9: Amplfcador sumas algebracas ponderadas Aplcando superposcón (una entrada a la ez): a) = 3 =0 01 = f 1 1 b) 1 = 3 = 0 c) 1 = = 0 = 1 f = 1 f sumando las saldas ndduales: 0 = = 1 f 3 f S ben es posble lograr la suma algebraca ponderada de (en este ejemplo) 3 arables, las ncomoddades o lmtacones reducen la populardad de la solucón: no es posble arar la ponderacón de una entrada posta ( o 3 ) sn alterar la de las otras entradas postas; no es posble arar la ponderacón de la señal negata ( 1 ) sn que ello afecte la de las otras entradas postas. Las opcones que permten lograr control ndependente de las ponderacones resultan en un aumento de la complejdad de la confguracón, por ejemplo:

10 4 10 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal A B Fgura 4.10: Amplfcador sumas algebracas ponderadas de dos etapas La prmera etapa corresponde a un nersor smple; la segunda corresponde a un sumadornersor cuyas entradas son y la salda de la prmera etapa = A = B B B B A 0 = 1 3 1

11 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal APLICACIONES COMO FUENTE CONTOLADA FUENTE DE TENSIÓN CONTOLADA PO TENSIÓN (VCVS: Voltaje Controlled Voltaje Source) La defncón de una fuente de tensón controlada por tensón establece: a) una tensón de salda V 0 gual a k eces (constante) el alor de la otra tensón V, de control. b) La tensón de salda es ndependente de la corrente que entrega. Ambas condcones se cumplen en las confguracones amplfcadoras smples, la de nersora cuando k es negata, y la de 4.3. no nersora para k posta. Dado que la mpedanca de salda es nula (dealmente), la tensón de salda es ndependente de la corrente en la carga FUENTE DE COIENTE CONTOLADA PO TENSIÓN (VCCS: Voltaje Controlled Current Source) La defncón de una VCCS establece: a) Una corrente de salda o carga I L gual a k eces el alor de una tensón ndependente de control, V ; en este caso la constante k tene dmensón de conductanca (Semens) y, dado que relacona arables de salda en funcón de otra en la entrada, se denomna TANSCONDUCTANCIA, g m. b) la corrente en la carga es ndependente del alor (ressto) de la carga. S la carga es FLOTANTE, esto es, no requere tener uno de sus termnales conectados a terra o referenca común con la tensón de control, es posble utlzar confguracones muy smples, nersora o nonersora:

12 4 1 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal I L I L En esta confguracón nersora: Fgura 4.11: Confguracón nersora. o I L V = I = I = gv L m donde g = 1, e I L es ndependente de L. m En la sguente fgura se exhbe la confguracón no nersora. I L I 1 L 1 Fgura 4.11: Confguracón no nersora. Por regla I: I 1 = = = 1 1 I = I = = g L 1 m 1

13 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal 4 13 S, como es frecuente, se requere que un termnal de la carga L esté conectado a la referenca común ( terra ), la confguracón resulta algo más elaborada: I 1 I L L I En esta confguracón: Fgura 4.1: Confguracón con carga conectada a terra. Así, 1 = 0 = = I I 0 = = (dsor con 's guales) (regla I) I = I I L = = De esta forma, IL = gm con gm = 1 (I L ndependente de L ).

14 4 14 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal FUENTE DE TENSIÓN CONTOLADA PO COIENTE (CCVS: Current Controlled Voltaje Source) I Fgura 4.13: Fuente de tensón controlada por corrente Debe cumplrse con: a) una tensón de salda gual a k eces el alor de una corrente ndependente de control I ; la constante k tene en este caso dmensón de mpedanca (ressta, Ohms) y como relacona arables en nodos dferentes se denomna TANSIMPEDANCIA De la fgura 4.13 se cumple, entonces, I = I (regla II) = = 0 (regla I) 0 = I = I = I y dado que la mpedanca de salda es nula, es ndependente de la carga que se conecte a ella.

15 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal FUENTE DE COIENTE CONTOLADA PO COIENTE (CCCS: Current Controlled Current Source) La defncón alternata es de un Amplfcador de Corrente ; se debe cumplr que: a) una corrente de salda I 0 gual a k eces (constante admensonal) el alor de la otra corrente, ndependente de control I. b) I 0 ndependente del alor de la carga por la cual crcula. 1 L I 1 I L I I Fgura 4.14: Fuente de corrente controlada por corrente En la fgura 4.14, I = I (regla II) = = 0 (regla I) = I = I = I Así, I 1 0 = = = I I = I I = I I = I I L IL = 1 I 1 (I L ndependente de L )

16 4 16 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal Un ejemplo de utlzacón: se desea medr una corrente desconocda I x (cuyo rango es 0 a 1[mA]) empleando un galanómetro poco sensble que requere 10[mA] para deflexón a plena escala. 1K 010mA A 9K 150Ω I x Fgura 4.15: ejemplo

17 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal AMPLIFICADO DE INSTUMENTACIÓN Aún cuando se trata de una aplcacón especalzada, resulta nteresante una descrpcón smplfcada de ella para otorgar una proyeccón sobre la dersdad de solucones posbles al emplear A.O. s. Una gran cantdad de aplcacones requere de la amplfcacón de la dferenca entre dos señales de entrada, a la ez toda componente o parte común de dchas señales debe recbr (dealmente) una atenuacón absoluta. Es normal que se requera además que ambas entradas presenten gual mpedanca, sendo esta del mayor alor posble. Para este tpo de requermentos, en el proceso de ntegracón se mplementa una confguracón con A.O. s en dsposcón más o menos característca (típca) conocda como Amplfcador de Instrumentacón. AO AO3 A AO1 1 1 Fgura 4.15: Amplfcador de Instrumentacón Nótese que la confguracón ncluye una etapa restadora (AO3) precedda de dos etapas nonersoras (AO1 y AO), las que proporconan una muy alta mpedanca de entrada. En cada una de las etapas de entrada =.

18 4 18 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal Suponendo 1 >, la corrente tendrá el sentdo ndcado y su alor será: = 1 A Dado que no crcula corrente haca las entradas de los A.O. s, la corrente crcula tambén por los resstores, generando en ellos una caída de tensón: = = A ( ) 1 se tendrá = = Las señales que son entradas para la etapa restadora: 0 = 01 0 = 1 0 = ( 1 ) 1 A lográndose así una salda proporconal a la dferenca entre las entradas, con una gananca ajustable por medo de la aracón de sólo un componente ( A ), para propóstos de calbracón. El rendmento de la confguracón (grado de cumplmento del propósto) queda condconado por la precsón y establdad de los resstores, debendo éstos ser selecconados consecuentemente.

19 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal OTAS APLICACIONES LINEALES FECUENTES INTEGACIÓN Un ntegrador electrónco corresponde a una confguracón que produce una forma de onda en su salda, cuyo alor es en cualquer nstante proporconal al área bajo la forma de onda aplcada a su entrada, hasta dcho nstante. t () () 0 t = t dt 0 t t Fgura 4.16: Integrador, el concepto Naturalmente, no es posble aplcar un nel contnuo en forma permanente como señal de entrada pues ello proocaría el crecmento de la salda hasta alcanzar alores límtes (saturacón de la salda). Suponendo un A.O. deal, la confguracón básca es: C C Fgura 4.17: Crcuto ntegrador De la fgura anteror es posble deducr que: = = 0 = C = = C C d dt 0

20 4 0 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal Además, d0 d0 1 = C = dt dt C En base a lo antes expuesto, 0 1 = () t dt C t 0

21 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal DIFEENCIACIÓN Un dferencador electrónco es una confguracón que presenta en su salda una forma de onda cuyo alor en cualquer nstante es proporconal a la elocdad de cambo que presenta en dcho nstante la forma de onda aplcada en su entrada. 0 () t ( ) d t = dt A 1 t d dt Fgura 4.18: Derador, el concepto A t Adoptando condcones dealzadas, la confguracón es: C Fgura 4.19: Esquemátco de un derador A partr de la fgura 4.19, es posble deducr que: = = 0 = Así, d = = dt 0 d = C dt d = 0 C ( ) 0 C dt

22 4 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal 4.7 OPEACIÓN NO LINEAL DEL AMPLIFICADO OPEACIONAL Todas las aplcacones descrtas en los puntos precedentes suponen operacón lneal del amplfcador operaconal, para lo cual el dsposto debe estar adecuadamente polarzado y, además, en condcón de realmentacón negata. Cuando no exste realmentacón lo que se denomna operacón en lazo aberto o cuando ésta es posta, la operacón del dsposto será no lneal; al estar en lazo aberto, debdo a la gananca muy grande ( nfnta ), cualquer señal nfntesmal presente en su entrada proocará la excursón de la salda haca límtes extremos, muy cercanos a los alores de polarzacón. S se tene una condcón de realmentacón posta, gualmente los posbles estados de operacón en la salda corresponderán a alores límtes. Dos formas resultan típcas para polarzacón: a) polarzacón doble o complementara: dos fuentes de tensón contnua smétrcas respecto a 0[V] polarzan al A.O.; esta forma es la más común para operacón lneal, pues ofrece la comoddad que tanto la entrada como la salda presentan (dealmente) nel contnuo nulo. Vcc (p. ej. 1[V]) Vcc (1[V]) b) polarzacón smple (unpolar): utlza sólo una fuente de tensón contnua, (normalmente) posta respecto a 0[V]. Exsten dspostos fabrcados para trabajar preferentemente en una de las dos formas típcas, aun cuando es posble utlzarlos en la otra. La forma b) requere para operacón lneal que la señal sea superpuesta a un nel contnuo para su aplcacón en la entrada; gualmente la señal de salda aparecerá superpuesta a otro alor contnuo. En lo que sgue se supondrá en general polarzacón doble complementara: dos fuentes smétrcas.

23 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal APLICACIONES NO LINEALES COMPAADO ELEMENTAL Vcc Vmáx () () A [()()] Vcc Vmáx =A[()()] Vmáx Vcc Fgura 4.0: Comparador elemental. La salda asume el máxmo alor posto (Vmáx) cuando la tensón en la entrada nonersora es ( nfntesmalmente ) mayor que aquella en la entrada nersora. La salda sume el máxmo alor negato (Vmáx) cuando la relacón es la opuesta, esto es, para () > (). La pendente fnta en la proxmdad del 0 del eje de abcsa se ha ntroducdo para mostrar el efecto de una mperfeccón del dsposto llamada TENSIÓN DE OFFSET EN LA ENTADA y además el carácter fnto de la tensón (aun cuando muy grande) Las formas más comunes de comparacón realzan ésta en base a una referenca, la que puede tener cualquer alor dentro del rango: Vmáx < Vref < Vmáx tanto en la confguracón nersora como nonersora.

24 4 4 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal Vcc Vcc Vref Vcc Vcc Vmáx Vmáx Vref=0 Vref < 0 Vref > 0 Fgura 4.1: Confguracones no nersoras. Vcc Vcc Vref Vcc Vcc 0 Vmáx Vmáx Vref=0 Vref < 0 Vref > 0 Fgura 4.: Confguracones nersoras. Aunque las confguracones de comparacón presentadas son realzables utlzando cualquer A.O. de propósto general, exsten dspostos fabrcados específcamente para el propósto; en ellos se optmzan algunas característcas tales como: mejor (mayor) elocdad de respuesta: menores tempos asocados a las transcones desde uno al otro estado de la salda. Posbldad de conmutar la salda entre neles o alores dferentes a los de polarzacón. Debdo a que la presenca de componentes espuras en las señales a comparar (p.ej. rudo de tpo mpulso) prooca conmutacones ndeseadas, especalmente cuando la señal se

25 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal 4 5 encuentra en las proxmdades del umbral de conmutacón (Vref), las aplcacones de comparacón ncorporan normalmente una característca de HISTEESIS COMPAADOES CON HISTÉESIS Se conocen tambén como dsparadores Schmtt o Schmtt trggers. Como concepto general, el térmno HISTEESIS denota una característca de comportamento (respuesta) que depende del sentdo en que aríe el estímulo (entrada). En un comparador electrónco, la presenca de hstéress sgnfca que la salda conmutará desde una estado A a un estado B cuando la señal de entrada crecente supere un nel dado V 1, y que la conmutacón desde B haca A se producrá cuando la señal de entrada decrecente caga por debajo de otro nel dado V. Esta forma de comportamento hstéress de comparacón se logra aplcando realmentacón posta, tanto en confguracón nersora como no nersora. COMPAADO INVESO CON HISTÉESIS Vcc V BB Vcc V V 1 1 V BB Vref Fgura 4.3: Comparador nersor con hstéress En la fgura 4.3, se ha ncludo para mayor generaldad la opcón de polarzacón asmétrca ( Vcc V BB ), ncluyendo el análss del caso smétrco; gualmente Vref puede ser cualquer alor dentro del rango V BB < Vref < Vcc, ncluyendo 0[V]. El funconamento puede ser descrto en base a las sguentes obseracones: Para una señal de entrada sufcentemente negata, por estar aplcada ala entrada nersora, la salda asumrá el alor máxmo posto, Vcc.

26 4 6 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal Este alor de la salda, Vcc, en conjunto con la tensón de referenca Vref (umbral) y el dsor de tensón formado por 1 y, establece en la entrada no nersora una tensón V 1 dada por: ( Vcc Vref ) 1 V1 = Vref 1 1 = Vcc Vref 1 1 S la señal de entrada comenza a aumentar haca alores postos, la salda se mantene en Vcc hasta que supera (o guala) el alor de V 1 anteror; en dcho nstante la salda conmutará a su alor máxmo negato, V BB. Al asumr la salda de alor V BB, con Vref y el dsor se establece en la entrada nonersora una tensón V, dada por: V ( Vref VBB ) = VBB 1 1 = VBB Vref 1 1 Se denomna hstéress del comparador a la dferenca entre ambos umbrales de conmutacón. V V = Vcc V Hstéress ( ) 1 1 BB 1

27 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal 4 7 COMPAADO NOINVESO CON HISTÉESIS Vcc Vref Vcc 1 V BB V V 1 V BB Fgura 4.4: Comparador nonersor con hstéress Para una entrada sufcentemente negata, la salda asumrá el alor V BB. Al excursonar haca alores postos, se producrá la conmutacón de la salda hasta Vcc cuando () << Vref, esto es, para una entrada = V 1 tal que: 1 ( ) V1 VBB VBB Vref 1 > V = Vref V 1 1 BB Al excursonar en sentdo negato, la conmutacón de hasta V BB se producrá cuando () < Vref, esto es, para una entrada = V, tal que: Vcc ( ) Vcc V 1 Vref V = Vref Vcc 1 1 La hstéress, defnda tal como en el caso del nersor, es: Debe cumplrse con 1 <. 1 ( ) 1 V V = Vcc V BB

28 4 8 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal ECTIFICADOES En aplcacones de rectfcacón de tensones de magntud relatamente grande, la caída de tensón en un dodo en conduccón ( oltaje de rodlla, ~0.7[V]) resulta normalmente tolerable (desprecable), pudendo utlzarse las formas presentadas en el capítulo relato a los Dodos. Cuando las señales a rectfcar son de pequeña magntud, lo que es común en aplcacones de nstrumentacón y de deteccón de señales de rado (AM), la caída de tensón en un dodo puede representar una fraccón sgnfcata de la señal, requréndose en tales casos mayor precsón en el proceso de rectfcacón. ECTIFICACIÓN DE PECISIÓN = () L 1 1 Fgura 4.5: ectfcacón de precsón. Para > 0 el dodo conduce transformando a la confguracón en un segudor de tensón, es decr, =. Para < 0 el dodo no conduce, el A.O. opera así en lazo aberto (sn retroalmentacón) y su salda (el ánodo del dodo) alcanza el alor máxmo negato, cercano a l a polarzacón negata.

29 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal 4 9 ECTIFICADO INVESO CON GANANCIA L D 1 D L / 1 Fgura 4.6: ectfcador nersor con gananca Para < 0, es posto, D 1 queda polarzado nerso (no conduce) y D queda polarzado drecto (conduce); en tal conduccón la confguracón corresponde a un amplfcador nersor, con gananca / 1. Para > 0, es negato, D 1 se polarza drecto y D se polarza nerso. D 1 polarzado drecto (conducendo) conecta la salda a (). Como () = () = 0, la tensón en la carga L = 0.

30 4 30 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal GENEACIÓN DE SEÑALES (NO SINUSOIDALES) MULTIVIBADO AESTABLE Aún cuando la teoría general de multbradores, la que ncluye el tratamento de los aestables, los monoestables y los bestables, no ha sdo presentada, es posble, a traés de un análss relatamente smple, descrbr el funconamento de una confguracón básca de multbrador aestable basada en un comparador nersor con hstéress. El térmno aestable ndca la ausenca de estados estables, esto es, de estados en que un crcuto pueda permanecer en forma ndefnda. En la búsqueda de un estado estable el crcuto osclará conmutando (derando) entre estados de equlbro rtuales, los que jamás serán alcanzados. Esta osclacón o conmutacón permanente consttuye la dsponbldad de una señal peródca, generada en forma autónoma, sn exctacón externa o ndependente. Las formas de onda obtenbles, con fuertes dscontnudades, pueden ser procesadas para obtener otras dferentes, ncluso snusodales, de gual perodcdad. Vcc C Vcc 1 Fgura 4.7: Multbrador aestable Aún cuando la descrpcón es posble para almentacón asmétrca, se presenta el caso (partcular) smétrco en pro de la smplcdad. Debdo a la realmentacón posta, a traés del dsor formado por 1 y, la salda alcanzará los alores límtes, esto es tensones de polarzacón, Vcc o Vcc, lo cual generará en la entrada no nersora una tensón dada por: a) S = Vcc, 1 () t = Vcc 1 b) S = Vcc, 1 () t = Vcc 1

31 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal 4 31 Estos dos alores consttuyen los umbrales de comparacón para la señal presente en la entrada nersora. S la tensón presente en () es mayor que la tensón en (), la salda alcanza Vcc. S la tensón presente en () es menor que la tensón en (), la salda alcanza Vcc. S la salda está en Vcc, el condensador se cargará tendendo su tensón a dcho alor. S la salda está en Vcc, el condensador se descargará a traés de, tendendo su tensón a dcho nueo alor. Vcc Vcc 1 1 Vcc 1 1 Vcc Fgura 4.8: Señales obserables multbrador. Estando la salda en Vcc, el condensador se carga a dcho alor a traés de (constante de tempo τ = C); cuando alcanza un alor Vcc 1 /( 1 ), se guala (y supera) la tensón presente en (), proocando la conmutacón de la salda hasta Vcc. Comenza entonces una descarga del condensador, desde Vcc 1 /( 1 ) haca Vcc, a traés de ; cuando alcanza el alor Vcc 1 /( 1 ), la tensón en (), msma del condensador, cae bajo el nel presente en (), proocando que la salda auemnte hasta Vcc. Estando la salda en Vcc,... (se repte el párrafo sguente a la fgura 4.8), repetcón cíclca. Dado que se conoce, para cada semperíodo, el alor de carga ncal del condensador, la constante de tempo asocada, el alor fnal haca el cual tende el proceso de carga o descarga y el alor de umbral de conmutacón correspondente, es posble ealuar el tempo que tarda dcho proceso. Se obtene, al ealuar, que el período total de osclacón estará dado por:

32 4 3 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal T T C = ln = Cln (4.8.1) S, por ejemplo, 1 = ( ) T = Cln 3 =.197C (4.8.) f = Cln 3 = C (4.8.3) ( ) sendo posble un amplo rango de frecuencas de operacón.

33 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal ESTUCTUA INTENA (VESIÓN SIMPLIFICADA) [] 5K 5K 3K3 1K Q5 0 Q1 Q Q3 Q Q6 10K Q Q K 4K7 K7 10K47 5K Fgura 4.9: Estructura nterna (smplfcada) 15[] Se muestran los alores de las tensones (en [V]) y las correntes (en [ma]) de polarzacón. S ambas entradas tenen 0[V], la salda tambén será 0[V]. Se aprecan dos etapas dferencales (Q 1 a Q 4 ), con fuentes de corrente en lugar de E (Q 7 y Q 8 ); una etapa amplfcadora conenconal (Q 5 ) almentando a un segudor emsor (Q 6 ) que es la salda, proeyendo así una baja mpedanca.

34 4 34 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal 4.10 CAACTEÍSTICAS EALES El modelo deal propuesto ncalmente satsface plenamente los requermentos de análss y de dseño en aplcacones normales, no de muy altas exgencas. El conocmento de algunas de las característcas reales más releantes (aquellas que el comportamento dfera de lo que predce el modelo deal) es mportante cuando se debe cumplr con eleados requermentos en una aplcacón específca; adconalmente, tal conocmento permte estmar rangos de alores, tanto para las señales a procesar como para los componentes externos asocados al A.O. en cualquer aplcacón. El grado de releanca de cada una de las característcas que se ndca, depende de la aplcacón en partcular COIENTE DE ENTADA I B (INPUT BIAS CUENT) La mpedanca de entrada, aun cuando es muy grande, tene carácter fnto, requréndose una corrente (pequeña) tanto para la polarzacón como para señal; esta corrente será entrante o salente dependendo del amplfcador en partcular. Se defne la corrente de entrada I B como la semsuma (promedo) de las correntes en cada entrada. Esta forma de especfcacón se adopta debdo a que las entradas presentan en general asmetría. Valores típcos se ubcan en rangos de: 1 a 100 [na] para A.O s con transstores de juntura en su etapa de entrada. 10 a 100 [pa] para A.O. s con FET s a la entrada. Esta corrente lmta el alor máxmo utlzable para los resstores de entrada y de realmentacón, pues genera caídas de tensón en ellos. Además, establece la necesdad (eentualmente sólo conenenca ) de que ambas entradas recban señal a traés de mpedancas guales entre sí.

35 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal OFFSET DE LA COIENTE DE ENTADA: I OFFSET Tal como se menconó, las entradas de un A.O. presentan normalmente algún grado de asmetría, debdo fundamentalmente a tolerancas de fabrcacón.; de tales asmetrías resulta que las correntes serán dferentes entre ambas entradas. Estas desacones respecto de la especfcacón anteror pueden alcanzar típcamente al 5%, con máxmos del orden de 40%. Aún cuando a ambas entradas se conecten mpedancas guales, la dferenca entre las correntes que crculan por ellas proocará dferentes caídas de tensón, generando así una tensón (la dferenca ) que se aplca entre ambas entradas, aparecendo en la salda fuertemente amplfcada OFFSET DE TENSIÓN DE ENTADA (INPUT OFFSET VOLTAGE) Tambén por causa de tolerancas en el proceso de fabrcacón se presenta asmetría en las tensones requerdas en cada entrada para obtener salda nula, esto es, se requere una pequeña dferenca de tensón (no nula) para lograr el balance de etapas nternas. A pesar que los alores típcos de Voffset están en el rango de undades de [mv], dos crcunstancas agraan la stuacón: Las pocas undades de [mv] en la entrada aparecerán amplfcadas en la salda por la gananca de la confguracón, El offset o dferenca presenta dera ante aracones de temperatura, reducendo la probabldad de éxto de algún ntento de compensarla, a traés de los componentes externos. Muchos A.O. s cuentan con termnales accesbles que permten ajustes de compensacón de acuerdo a conexones recomendadas por el fabrcante GANANCIA CON TENSIÓN FINITA S ben la gananca de tensón presenta alores muy altos (en el rango de , 100[dB]) éstos son fntos; lo que es más releante es la dsmnucón que esta gananca presenta para señales cuya frecuenca esté por sobre aprox. 100[Hz] (típco), dsmnucón que se hace más fuerte a medda que aumenta la frecuenca. Normalmente esta especfcacón se entrega en forma gráfca (frecuenca en la abcsa logarítmca y gananca en la ordenada, expresada en [db]). De esta gráfca puede leerse la FECUENCIA DE TANSICIÓN, que corresponde a la gananca untara (0[dB]), límte superor del rango de frecuencas en que es utlzable el A.O.

36 4 36 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal La condcón de realmentacón reduce la gananca y extende el rango plano de la respuesta en frecuenca. Para estmacón se logra buena aproxmacón al suponer que el producto gananca x ancho de banda se mantene constante para toda razón de realmentacón ( f a ) IMPEDANCIA DE SALIDA FINITA La mpedanca de salda no es nula; sendo un alor típcamente bajo, pocas decenas de Ohm, decrece aún al realmentar el A.O. Normalmente no consttuye dfcultad. Lo que sí consttuye una lmtante de consderacón en relacón a la etapa de salda es la capacdad de corrente de ésta. Normalmente se especfca como límte absoluto o corrente de cortocrcuto (en el orden de 0[mA]), o en funcón de la magntud de la tensón en la msma salda. La mayoría de los A.O. actuales ncluye la lmtacón de corrente de salda como una forma de proteccón ante cortocrcutos, pudendo así éstos ser soportados en forma ndefnda ANGO DE TENSIÓN DE ENTADA Ya sea aplcada en forma común a ambas entradas, o en forma dferencal (entre ambas entradas), la tensón máxma es algo menor que la de polarzacón ( ó 3 [V] menos que Vcc) SLEW ATE Debdo a la gran cantdad de componentes actos presentes, y a las muy pequeñas separacones físcas entre ellos que se traducen en capacdades parástas de realmentacón exste un alto resgo de nestabldad que puede resultar en osclacones autónomas. A fn de preenr tales nestabldades (osclacones), se ncorporan otras capacdades de compensacón. El resultado fnal es una lmtacón en la máxma elocdad de cambo de la señal obserable en la salda. Debe destacarse que esta lmtacón es dferente a la de respuesta en frecuenca : el slewrate se refere a la máxma pendente que puede presentar la señal de salda (la que depende tanto de la ampltud como de la frecuenca de la señal); la respuesta en frecuenca se refere a una reduccón de la gananca al aumentar la frecuenca (sn mportar la ampltud).

37 Fundamentos de Electrónca Amplfcador Operaconal OTAS LIMITACIONES DIVESAS (MENOS ELEVANTES) echazo de modo común fnto echazo de fuente (polarzacón) fnto. udo (tensón o corrente) en la entrada. No lnealdades (dstorsón armónca y de cruce). Degradacón de característcas por factores dersos.