V d o. Electrónica Analógica II Parte 3 Slew Rate (razón o velocidad de cambio)

Transcripción

1 Electróna nalóga Parte 3 Slew Rate (razón velcidad de cambi) Otr fenómen que puede causar la distrsión n-lineal cuand señales grandes de salida están presentes, es la limitación del slew rate. El slew rate (SR) es la psible máxima razón de cambi del vltaje de salida del OP-P, y usualmente especifada en la hja de dats del OP-P en /ms. d SR = max (21) El slew rate es causad pr la carga y descarga del capacitancia interna ( 1 en el 741). Es un parámetr que inda cn cuanta rapidez varía el vltaje de salida respect al tiemp. Pr l cmún ls valres varían de 0.5 /ms a 50 /ms. De tdas las especifacines que afectan la peración de crriente alterna de un OP-P, la rapidez de respuesta (slew rate) es una de las más imprtantes prque limita la magnitud del vltaje de salida de frecuencias altas. Para entender el slew rate se tiene que analizar alg de tería bása de circuits. L cual signifa que la rapidez de cambi del vltaje es igual a la crriente de carga dividida pr la capacitancia. uant mayr sea la crriente de carga más rápid se carga el capacitr. Si pr alguna razón la crriente de carga se limita a un valr máxim, la rapidez de cambi del vltaje se limita a un valr máxim. d sal max = (24) Pr ejempl, si max =60m y =30pF, la máxima rapidez de cambi del vltaje es: d sal 60µ = = 30pF 2 µ s (25) Est signifa que el vltaje de salida en el capacitr cambia a una rapidez máxima de 2/ms. La tensión n puede cambiar más rápid que est a mens que se pueda incrementar max disminuir el. El slew rate (SR) se define cm la máxima rapidez de cambi del vltaje de salida. La crriente de carga de un capacitr esta dada pr: = d (22) dnde : es la crriente en el capacitr, : la capacitancia, y d/: la rapidez de cambi del vltaje en el capacitr. Es psible arreglar estas ecuación bása para btener: SR max = (26) Est quiere decir que el vltaje de salida n puede cambiar más rápidamente que la rapidez de max a. Para el OP-P 741 max =15m y =30pF, entnces la rapidez de respuesta de un 741 es: 15µ SR = = 30pF 05. µ s (27) d = (23) Si se sbreexcita un 741 cn una señal de entrada de escalón grande, la salida varía cm se muestra en la siguiente figura 14. mplifadres Operacinales 12 ng..r. Lind arrión

2 Electróna nalóga Parte 3 Sbreexcitacin +10 nsiderems un seguidr de ganancia unitaria cn una nda sen de entrada, dada pr: = $ ω (28) sin t 0 0 Figure 14 20µs Quiere decir que se requieren 20ms para que el vltaje de salida cambie de 0 a 10 (cn 12 de alimentación). Es impsible que la salida del 741 cambie más rápidamente. nch de banda de Ptencia. El límite de slew rate del OP-P puede causar distrsión n-lineal en frmas de nda sinusidales, cm se puede bservar en la figura 15. uand la pendiente inial de la nda senidal es menr igual a SR, n hay limitación pr el slew rate. Per cuand la pendiente inial de la nda senidal es mayr que SR, se prduce la distrsión a causa del slew rate. La salida cmienza a parecer triangular, cuant mayr sea la frecuencia mas pequeña será la salida y la frma de nda más triangular. Pr l tant este parámetr impne limitacines en la cmbinación de amplitud, cm también limitacines de frecuencia que verems a cntinuación. Salida Teóra Figure 15 Salida cuand el Op mp tiene Slew rate limitad t La razón de cambi de esta frma de nda esta dada pr: d = ω $ csω t (29) y tiene un máxim valr de ω $ 1. Este máxim curre al cruce pr cer de la entrada senidal. hra si ω $ 2 3 excede el slew rate del OP-P, la frma de nda de la salida será distrsinada en la frma mstrada en la figura 13. Observe que la salida n se mantiene firme cn la gran razón de cambi de la senide a su cruce pr cer, y el OP-P se quema. La hja de dats del OP-P usualmente especifa una frecuencia f llamada anch de banda de Ptencia. Esta frecuencia a la cual una salida senidal cn amplitud igual al vltaje de salida cnsiderad del OP-P cmienza a mstrar distrsión debid al limite del slew rate. Si dentams el ltaje de salida cnsiderad max, entnces f esta relacinad al SR cm sigue: ω m max = SR (30) así, f SR = (31) 2π max Sería bvi que salidas senidales de amplitudes menres que max mstrarán distrsión de slew rate a frecuencias mas altas que w. De hech, a una frecuencia w mas alta que w, la amplitud máxima de la salida senidal n distrsinada esta dada pr: ω = max( ) ω (32) mplifadres Operacinales 13 ng..r. Lind arrión

3 Electróna nalóga Parte 3 nsiderems el siguiente ejempl: Si un OP-P 741 tiene un max de 10 y SR=0.5/ms, la frecuencia máxima de distrsión para peración del OP-P cn señal grande es: f 05. / µ s = = 796. KHz (33) 2π ( 10 ) Pr encima de esta frecuencia se empezará a ntar la distrsión a causa del slew rate, la cual se puede apreciar en un scilscpi. Esta frecuencia máxima es el anch de banda de ptencia (también cncid cm anch de banda de señal grande). Una frma de incrementar el anch de banda de ptencia es aitiend mens vltaje de salida. n un términ medi entre amplitud y frecuencia se mejra el anch de banda de ptencia. nsiderand de nuev el OP-P 741, cn max =1 se incrementaría f a 80KHz y para 0.1 de max se incrementaría f a 800KHz. Pr tr lad, si realmente se quiere una amplitud p de 10, se necesitará usar un OP-P mejr que el 741. Relación de Rechaz en d mún (RR) La capacidad de un OP-P para rechazar señales de md cmún es especifada en términs de relación de rechaz de md cmún (RR). La relación de rechaz en md cmún de un OP-P es la relación de la ganancia en md diferencial a la ganancia en md cmún. Desde el punt de vista de las aplacines, una caracterización más signifativa es el interpretar la RR cm el cambi en el vltaje de desví de entrada ( OS ) resultante de un cambi unitari en el vltaje de entrada en md cmún. Supnga pr ejempl, que al amplifadr le aplams un vltaje cer de entrada en md cmún y a cntinuación le aplams a la entrada just el sufiente vltaje diferencial para excitar el vltaje de salida a cer. El vltaje de D que hems aplad es precisamente el vltaje de ffset de entrada OS. Si cnservams cnstante el vltaje diferencial aplad e incrementams en una cantidad D el vltaje de entrada en md cmún, el vltaje de salida cambiará en una cantidad = (34) cm fin de llevar el vltaje de salida de vuelta a cer, tendrems que mdifar el vltaje diferencial de entrada en una cantidad id cm = = (35) Pr l tant pdems interpretar el efect de una RR n infinit cm causante de un cambi en el vltaje de ffset de entrada, siempre que cambie el vltaje de entrada en md cmún. sí id RR = = = 0 cm = s s = 0 (36) Usualmente el RR es expresad en decibelis: RR = 20lg (37) cm El RR es una función de la frecuencia, decresiend mientras la frecuencia es incrementada. alres típs de RR a baja frecuencia andan en el rang de 80 a 100 db. El RR finit de ls OP-P es sin imprtancia en el cas de la cnfiguración inversra, puest que la terminal de entrada psitiva es aterrizada y pr tant la señal de entrada de md cmún es aprximadamente cer. Pr tr lad en la cnfiguración n-inversra la señal de entrada de md cmún es cercanamente igual a la señal de mplifadres Operacinales 14 ng..r. Lind arrión

4 Electróna nalóga Parte 3 entrada aplada, y así el RR finit del OP-P tendría que ser tmad en cuenta en aplacines que demandan alta precisión. La cnfiguración de laz cerrad que es más cntrariamente afectada pr el RR finit del OP-P es el amplifadr diferencial. Prblemas de D. causa de que ls OP-P sn dispsitivs directamente acplads cn grandes ganancias para D, ells están prpens a prblemas de D. Resistencias de Entrada y Salida En realidad el OP-P tiene resitencias de entrada y salida finitas. Existe una resistencia de entrada diferencial (R id ), vista entre ls ds terminales de entrada. demás si las ds terminales de entrada sn unidas y la resistencia de entrada (a tierra) es medida, el resultad es una resistencia de entrada de md cmún (R m ). En un circuit equivalente tendrems que dividir R m en ds partes iguales (2R m ), cada una cnectada entre una de las terminales y tierra. alres típs de resistencias de entrada de OP-P de prpósits generales usand transistres de unión biplar sn R id = 1Ω y R m = 100Ω. OP-Ps que utilizan JFET en la etapa de entrada tienen mucha más alta resistencias de entrada, en esencia se cnsidera infinita. Sin embarg, en general la ganancia de vltaje es l sufientemente grande para que, en cnfiguracines de retralimentación en laz cerrad, esta resistencia de entrada tenga pc efect en el rendimient del circuit. El valr de la resistencia de entrada de un circuit de laz cerrad partular dependerá de ls valres de R id y R m así cm de la cnfiguración del circuit. m se mencinó anterirmente, también existe una resistencia de salida finita (R ). Ls valres típs para laz abiert de resistencias de salida R sn 75 a 100 W, aunque existen OP- Ps cn mucha más alta resistencias de salida. De nuev, esta resistencia n afecta de frma imprtante al funcinamient en laz cerrad, except en l que crrespnde a la estabilidad baj una carga capacitiva grande, y en el cas de OP- Ps de ptencia que deben de excitar una resistencia de carga de un valr pequeñ. El primer prblema es el prblema de ltaje de Offset D ( ltaje de desví de entrada). Para cmprender este prblema cnsiderarems el siguiente experiment cnceptual: Si las ds terminales del OP-P sn unidas y cnectadas a tierra, será encntrad que un vltaje D finit existe a la salida del OP-P. De hech, si el OP-P tiene una alta ganancia D, la salida estará al nivel de saturación psitiv negativ. La salida del OP-P puede ser puesta de nuev a su valr ideal de cer cnectand una fuente de vltaje D de plaridad y magnitud aprpiada entre las ds terminales de entrada del OP-P. Esta fuente de balance externa saca el vltaje de ffset de entrada del OP-P. Est muestra que el vltaje de ffset de entrada ( OS ) debe ser igual en magnitud y de plaridad puesta al vltaje aplad externamente. El OS es de alrededr de 0.1 a 2 m para dispsitivs de entrada biplares y de 1 a 20 m para dispsitivs de entrada FET. También el OS depende de la temperatura. La hja de dats del OP-P usualmente especifa valres típs y máxims para OS a temperatura ambiente así cm cefientes de temperatura de OS (usualmente en m/ ). El segund prblema D encntrad es la crriente de plarización. Para que el OP-P pere, sus ds terminales de entradas tienen que ser suministradas cn crrientes D, llamadas crrientes de plarización. Estas ds crrientes sn representadas pr ds fuentes de crrientes, B1 y B2, cnectadas a ls terminales de entrada del OP- P. El fabrante de OP-Ps usualmente especifa el valr prmedi de B1 y B2, así cm también su diferencia esperada. mplifadres Operacinales 15 ng..r. Lind arrión

5 Electróna nalóga Parte 3 El valr prmedi de B es llamad la crriente de plarización, B = B1 + 2 B 2 (38) y la diferencia es llamada crriente de ffset de entrada ( OS ) y esta dada pr: s = B 1 B 2 (39) alres típs para la crriente de plarización sn de 10 a 100 n para dispsitivs de entrada biplares, 1 a 10 p para dispsitivs de entrada JFET y mens de p para dispsitivs de entrada OSFET. alr típ de crriente de ffset de entrada para OP-Ps de prpósits generales que usan transistres biplar es OS = 10 n. El circuit equivalente del OP-P nideal puede ser vist cm el mstrad en la figura 16. s +_ 1 + 2R cm bias s /2 id R id + _ R 3 2-2R cm (jw) id bias Figure 16 mplifadres Operacinales 16 ng..r. Lind arrión