ELECTRÓNICA ANALÓGICA

Transcripción

1 Universidad Nacional de Misiones ELECTRÓNICA ANALÓGICA Introducción a los Amplificadores Operacionales y sus principales aplicaciones 1

2 Historia 1947 Surge el transistor 1954 Primer transistor de Si 1959 Transistores y CIs en uso comercial 1961 Primer AO discrete (foto)

3 Símbolo y nomenclatura Amplificador Operacional = op-amp = AO = AmpOp Alta ganancia, entradas diferenciales (altamente conveniente para realimentación), salida simple. El dispositivo electrónico más ampliamente utilizado actualmente En todo tipo de equipamiento (para el consumidor, industrial, militar y científico) Entrada no inversora Alimentación positiva Salida Entrada inversora Alimentación negativa DIN 40900

4 Pines y encapsulado Ajuste de offset NC (Sin conexión) Entrada inversora Alimentación V+ Entrada no inversora Salida Alimentación V- Ajuste de offset DIP-8 TO-99 SOP-8

5 Esquema interno Amplificador diferencial Espejos de corriente Amplificador clase A Desplazador de nivel Etapa amplificadora de salida

6 Modelo simplificado ve Zent Av v E Zsal vs S v v A v v

7 Consideraciones ideales Resistencia/Impedancia de entrada R ent o Z ent Corriente de entrada I B 0 Ganancia de lazo abierto A v Resistencia/Impedancia de salida R sal o Z sal 0 Tensión de salida de saturación V+ o V-

8 Consideraciones ideales Ancho de banda BW Tensión de offset de entrada V OS 0 Rechazo de modo común CMRR Slew rate SR

9 Comparaciones ideales/reales Característica Ideal Real Resistencia de entrada Ω Corriente de entrada 0 10 fa 100 na Ganancia de lazo abierto Resistencia de salida kω Ancho de banda 1 MHz 1 GHz Tensión de offset 0 5 µv 5 mv Rechazo de modo común db Slew Rate 0,5 500 V/µs Ganancia de modo común 0 0,1 1

10 Alimentación 15 a +18 V 0 V 0,1 a 2 V Máxima señal de salida 15 a 18 V Modo normal de alimentación simétrica 30 a +36 V 15 a +18 V 0,1 a 2 V Máxima señal de salida 0 V Modo de alimentación simple

11 Alimentación Alimentación ±5 V 5 V 0 V 5 V Alimentación simple de +5 V 5 V 0 V AO normal AO alimentación simple AO rail-to-rail

12 Características específicas AOs universales µa 741 Antiguo LM 324 Barato AD 622 Bajo costo TL 054 Entrada FET AOs de precisión OP 177 A D = 10 7 LM 627 A D = 5*10 6 AD 620 A D = 10 4 HA 5134 A D = 2*10 6 AOs de bajo ruido OP 47 V n = 3 nv LT 1113 V n = 17 nv AD 652 V n = 4 nv HA 5147 V n = 3 nv AOs programables AOs baja cte de bias AOs alimentación simple AMP 02 A D = LH 0084 A D = 2, 5, 10, 20 AD 625 A D = ICL 7605 A D = OP 80 I B = 200 fa LMC 6062 I B = 10 fa AD 549 I B = 40 fa ICH 8500A I B = 10 fa AMP 04 LT 1213 AD 626 TLC 251 V DD > 5 V V DD > 3,3 V V DD > 2,4 V V DD > 1,4 V

13 Amplificador no inversor v E v S i 2 R 2 i 1 R 1 Partiendo de la expresión del AO ideal y considerando las suposiciones anteriores obtenga la expresión de salida para el amplificador no inversor.

14 Ejemplo práctico de National Semiconductor Proceda a buscar información de los componentes que desconoce. Indique en qué configuración está trabajando el AO. Explique con sus palabras la utilidad de este circuito. Calcule la ganancia, el valor final del preset de ajuste. Luego simule y compruebe sus cálculos.

15 Seguidor de tensión o buffer v E v S a) Partiendo de la expresión del AO ideal y considerando las suposiciones anteriores obtenga la expresión de salida para el seguidor de tensión o buffer. b) Partiendo de un circuito no inversor obtenga la misma expresión.

16 Seguidor de tensión o buffer v E Sensor Controlador 10 k 1 k v S Sensor v E 10 k Controlador v S 1 k v E 5sin t Para el control de un determinado proceso industrial se requiere disponer la señal de un sensor con la mayor independencia de su resistencia interna. Evalúe las prestaciones de los dos circuitos presentados. Calcule y simule (indique qué AO utilizó). A partir de qué valores se podrá alimentar el AO.

17 Ejemplo práctico de National Semiconductor Reemplace lo encerrado en verde por un equivalente Thevenin, en vacío calibre el preset para la tensión indicada en celeste, cargue el cursor del preset con 1 K, 10 K y 100 K. Registre la tensión de salida. Luego intercale entre el cursor y esas tres cargas el AO. Compare los resultados. Simule. Cada grupo adopta un AO diferente y comentan resultados.

18 Ejemplo práctico de National Semiconductor 1 K 5 V V 1 0,64 V Como se puede apreciar del circuito anterior, la tensión de entrada es bastante baja, los AOs podrán trabajar correctamente con alimentación simple? Ensaye el circuito indicado para los tres AOs disponibles en el simulador y verifique esto. Para ello utilice el barrido de continua. Cerciórese de que la fuente que barre es la de entrada.

19 Amplificador inversor v S i 1 R 1 v E Tierra virtual i 2 R 2 Partiendo de la expresión del AO ideal y considerando las suposiciones anteriores obtenga la expresión de salida para el amplificador inversor y su resistencia de entrada.

20 Amplificador inversor Simulación Experimente simulando circuitos sencillos como los indicados. Comente el significado del término amplificador inversor. Experimente con diferentes AOs. Modifique la amplitud de la entrada y compruebe la saturación. Incorpore una fuente de CC a la de alterna y observe la salida. Registre los resultados.

21 Amplificador inversor Simulación 12 V v S 10 k v E R 2 12 V El circuito de la figura con R2 de 10K y luego de 100K será ensayado experimentalmente en el laboratorio. Previo a tal ensayo realice los cálculos y simulaciones previas a fin de comparar los resultados. Considere la señal de entrada como siendo de un voltio pico a pico. Modifique la frecuencia de entrada para los siguientes valores: 100 Hz; 1 khz; 10 khz; 20 khz; 50 khz; 100 khz; 200 khz; 500 khz; 1 MHz; 2 MHz. Para cada una de ellas registre la amplitud de salida y la diferencia de fase entre la salida y la entrada. Incluya los resultados para cada resistor R2 y para cada frecuencia en una tabla. Grafique estos resultados. Indique cuales son las condiciones en las que puede ser considerado de comportamiento ideal al AO ensayado. Qué sucede si la señal de entrada es llevada a 3 voltios de pico a pico (ensaye solo a 1 khz).

22 Amplificador inversor Simulación 12 V 10 k v S v E R 2 12 V En lugar de utilizar VSIN para simular, utilice VAC. Solamente setee ACMAG en 1 voltio y en lugar de la punta de prueba convencional utilice del menú Markers, Mark Advanced, vdb y vphase. Ubique las dos puntas a la salida del circuito. Ingrese al menú de Setup Analysis y en AC Sweep seleccione un barrido de frecuencias por décadas (AC Sweep Type). Inicialmente adopte los valores mostrados, luego experimente con otros valores y otras opciones de esa ventana de diálogo. Compare estos resultados con los obtenidos en la actividad práctica anterior (seteos de frecuencia individual). Simule para cada valor de R2 utilizado.

23 Ejemplo práctico de National Semiconductor Proceda a buscar las hojas técnicas de cada uno de los dispositivos que desconoce. Con lo que ya vio hasta ahora intente explicar cómo funciona este circuito. Si bien no dispone de estos componentes en el simulador clásico, intente reemplazar cada uno de estos elementos por otros conocidos que cumplan una función equivalente.

24 Sumador inversor v S v Ea R 1a i 1a v Eb R 1b i 1b i 2 v Ec R 2 R 1c i 1c Partiendo de la expresión del AO ideal y considerando las suposiciones anteriores obtenga la expresión de salida para el sumador inversor.

25 Ejemplo práctico de National Semiconductor Cuál podría ser la utilidad de este circuito. Exprese la salida como una ecuación. Luego calcule el rango para los extremos del preset. Simule y compruebe.

26 Ejemplo práctico de National Semiconductor Explique la utilidad de este circuito. Intente simplificar el esquema. Guiándose por los pasos de ajuste del fabricante intente entender cómo funciona.

27 Ejemplo práctico de National Semiconductor V 10mV/ºC T 245,7 40,7 V/ºC Vout 12V 245,7 si Vout 12V Vin 0,04884V V 245,7 in a) Simule el paso 1 propuesto por el fabricante, b) Cual es la pendiente de la termocupla K considerada en este ejemplo, c) Cual sería una tensión de salida máxima considerada "segura" que no lleve a saturación al AO, en función de esta, calcule la tensión de entrada necesaria, y d) Cual será el seteo del preset para esta calibración.

28 Ejemplo práctico de National Semiconductor 25ºC Simule los pasos 2 y 3 propuestos por el fabricante.

29 Ejemplo práctico de National Semiconductor 25ºC Simule el paso 4 propuesto por el fabricante.

30 Ejemplo práctico de National Semiconductor 25ºC Simule el paso 5 propuesto por el fabricante.

31 Ejemplo práctico de National Semiconductor Realice un barrido de V13 como si la temperatura variara desde 0ºC a 1000ºC.

32 Amplificador de diferencia R 1 R 2 v E+ v S v E- R 1 R 2 Partiendo de la expresión del AO ideal y considerando las suposiciones anteriores obtenga la expresión de salida para el amplificador de diferencia.

33 Ejemplo práctico de National Semiconductor Proceda a buscar información de los componentes que desconoce. Indique en qué configuración está trabajando el AO. Explique con sus palabras la utilidad de este circuito. Calcule la ganancia, el valor final del preset de ajuste. Luego simule y compruebe sus cálculos.

34 Integrador R v S v E C Partiendo de la expresión del AO ideal y considerando las suposiciones anteriores obtenga la expresión de salida para el integrador Miller.

35 Diferenciador C v S v E R Partiendo de la expresión del AO ideal y considerando las suposiciones anteriores obtenga la expresión de salida para el diferenciador.

36 Comparador v E+ v S v E- Partiendo de la expresión del AO ideal y considerando las suposiciones anteriores obtenga la expresión de salida para el comparador.

37 Ejemplo práctico de National Semiconductor Explique el funcionamiento de este circuito. Calcule los elementos para una corriente de 5 A. Simule y compruebe.

38 Comparador de ventana Conmutación Conmut Señal a Tensión Conmuta de umbral Conmutación Conmut Señal a Tensión Conmuta de umbral Señal ruidosa provoca Conmuta conmutaciones indeseadas Conmutación Tensión Conmuta de conexión Conmut Señal a Tensión Conmuta de desconexión Conmuta Comparador de ventana con dos umbrales evita el repiqueteo

39 Comparador de ventana inversor R 2 V V V R 1 V E VR1 R R 1 2 v E v S V E- VR1 R R 1 2 v S ve v E v E ve ve ve v S

40 Comparador de ventana no inversor R 2 V V V v E R 1 V E VR R 2 1 v S V E- VR R 2 1 v S v E+ v E ve ve v E+ v E v S

41 Comparadores de ventana Partiendo de la expresión del AO ideal y considerando las suposiciones anteriores obtenga las expresiones de las tensiones de conmutación para cada tipo de comparador de ventana descrito. Experimente qué efecto tiene modificar el potencial del terminal inversor en el comparador de ventana no inversor. Ídem modificando el potencial del resistor R1 del comparador de ventana inversor.

42 Ejemplo práctico de National Semiconductor Indique en qué configuración está trabajando el AO. Explique con sus palabras la utilidad de este circuito. Calcule los puntos de conmutación. Luego simule y compruebe sus cálculos.

43 Comparador de ventana Simulación V3 es una fuente VPWL que nos permite generar una onda triangular para ensayar un comparador de ventana, programe V3 de la siguiente manera (tiempo, tensión): (0,0), (1,10), (2,0), (3,-10), hasta (9,10) a) Simule el siguiente circuito seteando Transient como se muestra, b) Compruebe con los cálculos, primero considerando que la salida va idealmente a -15 V, +15 V. Luego observando Probe con las salidas verdaderas.

44 Comparador de ventana Simulación Centro de la ventana Amplitud de la ventana Comparador inversor

45 Comparador de ventana Simulación Amplitud de la ventana Centro de la ventana Comparador inversor

46 Comparador de ventana Simulación Utilizando la misma fuente VPWL ensaye virtualmente un comparador de ventana no inversor. Experimente modificar el centro de la ventana con una VDC en la entrada inversora, y la amplitud de la ventana aumentando el valor de la resistencia de realimentación. Observe que para una determinada tensión de bias de la entrada inversora, el comparador ya no cambia de estado.

47 Comparador de ventana Simulación

50 Referencia bibliográfica Microelectronic Circuits. Sedra/Smith, Oxford. Microelectronic Circuits. Rashid, PWS. Electronic Devices. Floyd, Prentice Hall. Electrónica: Teoría de Circuitos. Boylestad/Nashelsky, Prentice Hall. OrCAD Pspice para Windows Volumen I y II. Roy W. Goody, Pearson. Pspice users guide AD.pdf Pspice Ref manual.pdf

51 Universidad Nacional de Misiones