M. H. Rashid, Microelectronics Circuits - Analysis and Design, PWS Publishing, Capítulos 6, 15 y 16. Introducción a la Electrónica

Transcripción

1 AMPLIFICADOR OPERACIONAL M. H. Rashid, Microelectronics Circuits - Analysis and Design, PWS Publishing, Capítulos 6, 15 y 16.

2 Introducción Amplificador Operacional ideal. Modelo Diferentes tipos de conexionados y características. Parámetros reales de un Amplificador Operacional. Análisis en frecuencia. Aplicaciones típicas.

3 Qué es un Amplificador Operacional? Es un amplificador diferencial de alta ganancia, que está acoplado en continua; es decir que amplifica desde DC. v o =A o v d v d =v + -v A o 10 6 (80 120dB)

4 Circuito equivalente

5 Amplificador Operacional ideal Características de un Amplificador Operacional ideal: R in = infinito R o = 0 A v = infinito I in =0 v d = V o / A v = 0 Ancho de banda infinito

6 Amplificador No Inversor v S v d v x For v d 0 v S v x ( 1 ) i 1 i f i 2 ( ) i 0 x For i i =0, we get

7 Amplificador No Inversor For i i =0, we get i 1 i f () 3 which gives v x v x v o () 4 R 1 R F Since v x = v S, Eq. (4) becomes v S v s v o () 5 R 1 R F which gives the closed-loop voltage gain as A f v o 1 v S R F () 6 R1

8 Seguidor de tensión (buffer) For R F = 0 and R 1 = infinte, Eq. (6) becomes v o A f 1 ( 7 ) v S El seguidor de tensión tiene una elevada impedancia de entrada y una muy baja impedancia de salida Actúa como un adaptador de impedancias entre una fuente con alta impedancia de salida y una carga de baja impedancia

9 Efecto de la ganancia finita Using Eq. (3), we get i 1 i f v x v x v o R 1 R F ( 8 ) which gives R 1 v x v R 1 R o F ( 9) v d v o A o ( 10)

10 Efecto de la ganancia finita Using the KVL around the loop I, we get v S v x v d ( 11 ) Substituting v x from Eq. (9) and v d from Eq. (10) into Eq. (11), we get A f v o 1 v S R F R1 1 1 x ( 12) which can be simplified to v o A f 1 v S R F ( R1 ( 1 x) ( 13) where 1 x 1 A o R F R 1 ( 14)

11 Efecto de la ganancia finita R F R F % Error x( z) R R A f 1 R F R 1 A f 80 x ( z ) 100 R F 1 z R 1 z A o z Open-Loop Op-amp Gain Observar dependencia del error con la ganancia

12 Ejemplo Diseñe un amplificador no inversor con ganancia A f =100 La frecuencia de ganancia n unidad d es f u = 10 6 Hz Sea R = R f = (A f 1) R 1 R 5 f = f s (max)= f u / A f f s (max) =

13 Amplificador Inversor Using the KCL at the inverting terminal, we get i S i f i i ( 15 ) For an ideal op-amp i i = 0 and we get i S i f ( 16)

14 Amplificador Inversor Using the KVL around the loop from the input signal source v S to the output t terminal v o, we get v S R 1 i S v d ( 17) v d R F i f v o ( 18) which, for v d = 0, give i S i f v S R 1 v o R F

15 Amplificador Inversor Therefore, for i S = i f, we get v S R 1 v o R F which h gives the closed-loop l voltage gain v o R F A f v S R1 19 ( )

16 Inversor con ganancia unitaria By making R 1 = R F, we get A f v o 1 v S 20 ( ) Thus, for R 1 = R F, the inverting amplifie becomes an unity gain inverter

17 Efectos de la ganancia finita From Eq. (17), we find i S as v o v v S v S d A o i S R 1 R ( 21) 1 From Eq. (18), we find v o as v o v d R F i f v d R F i S v o v v S o A o v o RR A o R F ( 22) 1

18 Efectos de la ganancia finita Solving Eq. (22), we get the closed-loop v gain as A f v o R F v S R x 23 ( ) Since 1/(1+x) can be approximated to as we can simplify Eq. (23) as A f v o v S R F ( 1 x) R 1 24 ( ) where x 1 1 A o R F R 1 ( 25)

19 Efectos de la ganancia finita R F R F R R R F A f R 1 A f 80 xz ( ) R F % Error z R z A o 1 Open-Loop Op-amp Gain xz ( ) z 10 5

20 Ejemplo Diseñe un amplificador inversor con ganancia A f =100 La frecuencia de ganancia unidad es f u = 10 6 Hz Sea R 1 = R f = A f R 1 R f = f s (max):= f u / A f f s (max) =

21 Estructura interna Opamp

22 Estructura interna Opamp

23 Opamp LM741

24 Parámetros de un Opamp

25 Corriente de polarización de entrada Las magnitudes comunes de las corrientes de polarización son de 10 a 100nA para transistores BJT, y de 1 a 10pA para JFET.

26 Corriente de offset de entrada Las corrientes de polarización serán iguales solo si los transistores de entrada tienen betas igual. Sin embargo, incluso transistores en circuitos integrados que, en teoría son idénticos, uno al lado del otro, exhiben diferencias.

27 Voltaje de offset de entrada El voltaje diferencial que debe aplicarse a los terminales de entrada de un amplificador para llevar la salida a cero, se conoce como voltaje de offset de entrada.

28 Deriva térmica El cambio enel voltaje de offset de entrada V OS por unidad d de cambio de temperatura se conoce como deriva térmica de voltaje.

29 Relación de rechazo de modo común (CMRR) Se define como la relación de la ganancia en voltaje diferencial respecto a la ganancia en voltaje en modo común. Valores típicos son entre 60 y 100dB

30 Resistencia de entrada La resistencia de entrada para una etapa de entrada FET esta en el intervalo de 10 9 a Ω. Sin embargo, para una etapa de entrada BJT, la resistencia i de entrada está normalmente en el intervalo de 100kΩ a 1MΩ.

31 Resistencia de salida Usualmente, la etapa de salida es un seguidor de emisor en operación clase AB, lo que da una resistencia de salida baja del orden de 40 a 100 Ω.

32 Slew rate (SR)

33 Integrador Inversor Derivador Amplificador de instrumentación Sumador Inversor Sumador no Inversor Fotodetector Conversor Tensión Corriente Superdiodo Detector de señal más positiva Detector de voltaje pico Rectificador de media onda Rectificador de onda completa Limitador de voltaje Aplicaciones

34 Integrador Inversor

35 Integrador Inversor

36 Integrador Inversor práctico En la practica, como consecuencia de sus imperfecciones (por ejemplo, deriva, corriente de offset de entrada), el amplificador operacional produce un voltaje de salida aún si la señal de entrada es cero (vs=0), ),y el capacitor se carga con la pequeña corriente que circula por él hasta que el operacional llega a su saturación. Por eso se conecta un resistor RIntroducción F en paralelo a con la Electrónica el capacitor C F.

37 Integrador - ejemplo

40 Integrador - formas de onda

41 Integrador - esquemático

42 Integrador - respuesta en frecuencia

43 Derivador

44 Derivador El circuito diferenciador sirve para producir pulsos de disparo de corta duración para excitar otros circuitos.

45 Derivador práctico Si el voltaje de entrada experimenta un cambio abrupto, aparece la señal muy amplificada en la salida, y el circuito se comporta como un amplificador de ruido. Por tanto, en la práctica se suele conectar una pequeña resistencia R 1 (<R F ) en serie con C 1 para limitar la ganancia a altas frecuencias.

46 Derivador - ejemplo

47 Derivador - esquemático

48 Derivador respuesta en frecuencia

49 Amplificador de instrumentación Es un amplificador diferencial con una impedancia de entrada extremadamente grande. Tiene una relación de rechazo de modo común grande lo cual es muy útil para recibir señales pequeñas inmersas en voltajes de offset grandes o en ruido. Por tanto, se utilizan como acondicionadores de señal.

50 Sumador no Inversor

51 Sumador Inversor

52 Convertidor tensión-corriente

53 Convertidor 4-20mA

54 Superdiodo Las aplicaciones tales como detectores de pico, rectificadores de precisión, circuitos comparadores y limitadores requieren funciones no lineales. Sin embargo, por lo general el diodo experimenta una caída de voltaje finita (V D ) de aproximadamente 0,7V.

55 Detector de señal más positiva El diodo que tenga la señal positiva más grande conduce, y dicha señal aparece a la salida del circuito. La fuente de corriente I DC mantiene constante la corriente del diodo, independientemente del valor de la señal de entrada lo que mantiene una caída de voltaje constante en el diodo.

56 Detector de voltaje pico

57 Rectificador de media onda

58 Rectificador de media onda

59 Rectificador de media onda Se puede obtener un comportamiento similar invirtiendo los diodos. No se necesita un inversor a la salida.

60 Rectificador de onda completa

61 Limitadores de voltaje

62 Limitadores de voltaje

63 Limitadores de transición abrupta La limitación abrupta también se logra conectando dos diodos zener. Los circuitos prácticos exhiben pendientes finitas i después de los puntos de corte debido a las resistencias finitas de los diodos d zener. Estas pendientes se muestran el la figura (b).

64 Comparadores Ganancia real de 3000 a Tiempo de transicion de 10ns a 1us

65 Comparador de Umbral

68 Detector de cruce por cero Problemas de oscilación ió en el cruce por cero si la señal es lenta.

69 Disparador Schmitt (Schmitt Trigger) Compara una forma de onda regular o irregular con una señal de referencia, y convierte la forma de onda en una onda cuadrada o pulso. Se conoce como circuito de conversión a onda cuadrada o multivibrador biestable. Pasará de un estado a otro cuando se le aplica una señal de disparo. Se pueden clasificar en dos tipos: Disparador de Schmitt inversor Disparador de Schmitt no inversor

70 Schmitt Trigger Inversor MAL!!!!

71 Schmitt Trigger No Inversor MAL!!!!

72 Schmitt Trigger No Inversor

73 Schmitt Trigger con voltaje de referencia

74 Efecto de la Histéresis Si no existiese i histéresis, i el voltaje de salida conmutará entre sus límites de saturación cuando la señal de entrada cruce por cero. Si la señal es ruidosa, aparecerán sobre la salida múltiples cambios de estado cerca del cruce por cero. Al agregar g histéresis, la salida solamente cambiará cuando la señal de entrada exceda los límites de voltaje especificados V Lt. yv Ht.. La elección de los umbrales es tal que garantice que el nivel de ruido se encuentre dentro de la banda de histéresis.

75 Generador de Onda Cuadrada Se conecta un RC en realimentación ió negativa para obligar al circuito a oscilar entre +Vsat y Vsat. Este generador se conoce también como multivibrador libre o astable, debido a que la salida no tiene ningún estado estable

76 Generador de Onda Triangular Se puede obtener un generador de onda triangular integrando la salida de una onda cuadrada.

77 Oscilador controlado por Tensión (VCO) Un oscilador controlado por voltaje produce una frecuencia proporcional a la tensión de entrada Las aplicaciones mas comunes son: - Modulación en frecuencia (FM). - Generación de tonos. - Manipulación de corrimiento de frecuencia (FSK módems-).

78 Oscilador controlado por Tensión

79 Timer NE555

80 Monostable

81 Astable