TEMA 3 Amplificadores Operacionales

Transcripción

1 TEMA 3 Amplificadores Operacionales Simbología. Características del amplificador operacional ideal. Modelos. Análisis de circuitos con amplificadores operacionales ideales: inversor y no inversor. Aplicaciones de los amplificadores operacionales: Integrador, derivador, sumador, Amplif. Diferencial, Amplificador para instrumentación, Convertidor de impedancias, Convertidor de tensión corriente, corriente- tensión Limitación en el empleo del amplificador operacional real como ideal. El amplificador operacional en conexión diferencial. Amplificador diferencial: ganancia en modo común y ganancia en modo diferencial Diseño de circuitos con amplificadores operacionales. 1

2 AMPLIFICADOR OPERACIONAL TEMA 3 El Amplificador Operacional (AOP) es: Circuito Electrónico Integrado (CI) de bajo costo Multitud de aplicaciones Mínimo número de componentes discretos externos necesarios: Resistencias, condensadores. Es posible realizar funciones matemáticas, de ahí su nombre : Amplificador Operacional. Sumador Restador Integrador Diferenciador Aplicaciones: Cálculo analógico, Convertidores V-I e I-V, Amplificadores Instrumentación, Filtros Activos 2

3 SIMBOLOGIA TEMA 3 3

4 Aspecto físico. Circuito real de AOP 747 TEMA 3 4

5 ESTRUCTURA INTERNA. CIRCUITO REAL DE AOP 747 TEMA 3 5

6 CONEXIONES TEMA 3 En un encapsulado de 8 patas, su aspecto físico real es: En un encapsulado de 8 patas, el integrado se representa: 6

7 AMPLIFICADOR OPERACIONAL TEMA 3 El amplificador operacional se puede pensar como una caja, con sus terminales de entrada y salida, ignorando qué hay dentro de dicha caja. Se puede modelizarcomo una fuente de tensión controlada por tensión Se muestra un amplificador idealizadocomo un dispositivo de acoplamiento directo con entrada diferencial, y un único Terminal de salida. El amplificador sólo responde a la diferencia de tensión entre los dos terminales de entrada,yno a su potencial común. 7

8 CONEXIONES TEMA 3 El Amplificador Operacional es un dispositivo activo: necesita alimentación para funcionar. Según el Aop puede ser ±V cc, +V cc Observar: Todas las tensiones están referidas a una tierra común 8

9 MODELO DEL AOP TEMA 3 V o = A V i V i = V 2 - V 1 Valores del AOp ideal R in Infinita R o Nula A Infinita El amplificador sólo responde a la diferencia de tensión ( v i ) entre los dos terminales de entrada. -V cc V o +V cc 9

10 CARACTERÍSTICAS DEL AOP IDEAL TEMA 3 El AOP capta la diferencia de tensión entre sus terminales de entrada v in+ y v in-. A este valor (v i ) lo amplifica A veces y lo presenta en el terminal de salida: v O =A. v i = A.(v in+ - v in- ) Un AOP ideal tiene las siguientes características ideales: 10

11 SATURACIÓN TEMA 3 Saturación positiva: V out = +V cc Saturación negativa: V out = -V cc Regiónlineal: -V cc V out +V cc Los límites para la saturación de la salida son las tensiones de alimentación Parámetro Rango de valores Ganancia A V 10 5 a 10 8 Resistencia de entrada, R in 10 6 a Ω Valor ideal Resistencia de 10 a 100 Ω 0 salida, R O V out = A. V i 11

12 MODOS DE TRABAJO TEMA 3 Básicamente el AOP trabaja de dos formas: En aplicaciones no lineales: osciladores, comparadores En aplicaciones lineales: Amplificador, sumador, Ejemplo: Sea un AOP real con gananciaa V = alimentado con una fuente de ±12V Como: -V cc V out +V cc Entonces la máxima tensión de salida es de 12Vdepico. Como: V S =V O /A V Entonces: V S =12V/ =0,000012[V] = 12[µV] Este cálculo simple, nos muestra que si excitamos con señales mayoresa12µv seobtendráunasalidasaturada. Para que este AOP, trabaje en zona lineal es necesario excitar contensionesmenoresa12µv!!!!!!. 12

13 REALIMENTACIÓN NEGATIVA TEMA 3 Tomar una muestra de la señal de salida y reinsertar la restando a la señal de entrada. El circuito verá a la entrada, solo la tensión diferencia X S : Señal de excitación X O : Señal de salida que está siendo muestreada a través del bloque de realimentación β produciendo la señal de realimentación X f X f : Señal de realimentación X i : Señal diferencial de entrada: X i = X S -X f A: Ganancia propia del AOP (sistema a lazo abierto) β: Coeficiente de realimentación Para identificar, si un circuito está realimentado negativamente, se supone una variación en la salida y se analiza cómo afecta a la tensión diferencial de entrada v i Para el ejemplo propuesto: Cuando V o V R1 v i V o Las aplicaciones lineales utilizan el dispositivo realimentado en forma negativa 13

14 REALIMENTACION NEGATIVA TEMA 3 Suponiendo A infinita, Ri infinita, Ro cero y -V cc V out +V cc 14

15 AXIOMAS DEL AOP IDEAL TEMA 3 A partir de las características del AOideal, se puedendeducir dos propiedades adicionales: 1.-Como la ganancia en tensión es infinita, cualquier señal de salida que se desarrolle, será el resultado de una señal de entrada infinitesimalmente pequeña, y la tensión de entrada Vi es nula. En otras palabras, entre los terminales no inversor (+) e inversor (-) existe lo que se conoce como corto circuito virtual. 15

16 AXIOMAS DEL AOP IDEAL TEMA Como la resistencia de entrada es infinita, las corrientes que circula en ambos terminales de entrada son cero,osea: No existe flujo de corriente en ninguno de los terminales de entrada. O sea, al Aop no le entra ni sale corriente por sus terminales de entrada Estas dos propiedades integran el concepto de cortocircuito virtual 16

17 AXIOMAS DEL AOP IDEAL TEMA 3 Estas dos propiedades pueden considerarse como axiomas del AO. Con ellas se puede deducir el funcionamiento de casi todos los circuitos con amplificadores operacionales. Ejemplos: 17

18 AXIOMAS DEL AOP IDEAL TEMA 3 Se debe aclarar que cuando se cumplen los axiomas: los circuitos lineales con AOP son independientes de: La ganancia interna del AOP. Y dependerá únicamente de los valores de los componentes externos del AOP (resistencias, capacitores, etc) Los valores de las resistencias de entrada y de salida, Rin y Rout, del AOP 18

19 AXIOMAS DEL AOP IDEAL TEMA 3 En síntesis:un circuito con AOP tendrá comportamiento lineal y podrá ser tratado según corto circuito virtual, si y solo si se cumpleque: Está realimentado negativamente, o sea existe un camino que permite que una muestra de la señal de salida se introduzca invertida en la entrada. El valor de la tensión de salida V o, no sobrepasa los límites de la tensión de alimentación, ±Vcc ( el amplificador no satura) Caso contrario: V i 0 modo de funcionamiento no lineal No se puede aplicar el método del cortocircuito virtual 19

20 PRINCIPALES CONFIGURACIONES LINEALES TEMA 3 Los amplificadores operacionales se pueden conectar según dos circuitos amplificadores básicos: las configuraciones Inversora y No-inversora. En general, todos los circuitos con AO son variaciones estrechamente relacionadas de estas dos configuraciones, más otro circuito básico que resulta de una combinación 20 de los dos primeros: el amplificador diferencial con AO.

21 AMPLIFICADOR INVERSOR TEMA 3 Punto de partida: circuito lineal, V i =0 Análisis por corto circuito virtual Al punto A se le denomina masa virtual: nodo de tensión cero respecto a masa pero que no está puesto a masa. En lazo cerrado, la entrada (-) se iguala al potencial de la entrada (+) Esta tensión puede ser masa (como en la figura), o cualquier otro potencial. 21

22 AMPLIFICADOR INVERSOR TEMA 3 Simulación v S (t)= 0,5 Sen (2π.1000 t) [V] 22

23 AMPLIFICADOR INVERSOR TEMA 3 Gráfica de Transferencia 23

24 AMPLIFICADOR NO INVERSOR TEMA 3 Punto de partida: circuito lineal, Análisis por corto circuito virtual Con A infinito Con A finita Amplificador de ganancia positiva 1 24

25 AMPLIFICADOR NO INVERSOR TEMA 3 Gráfica de Transferencia 25

26 AMPLIFICADOR NO INVERSOR TEMA 3 Simulación v S (t)=1 sen (2π.1000 t) [V] R 1 =1KΩ R 2 =5KΩ 26

27 AMPLIFICADOR NO INVERSOR TEMA 3 Análisis a partir del modelo VER SIMULACIÓN Con A finita 27

28 RESUMEN: PRINCIPALES CONFIGURACIONES LINEALES TEMA 3 V Z 1 Z 2 S Z 1 Z V o + V o V s + Amplificador Inversor Amplificador no Inversor 28

29 RESUMEN- INVERSOR O CAMBIADOR DE SIGNO TEMA 3 V Z 1 Z 2 S - + V o Si Z 1 =Z 2 entonces: Circuito inversor, la tensión de salida está desfasada 180º respecto a la de entrada 29

30 RESUMEN- AMPLIF. INVERSOR O CAMBIADOR DE ESCALA NEGATIVO TEMA 3 V Z 1 Z 2 i Si en el circuito Z 2 = k Z 1 - V o + A v =-k es decir V 0 =-k V S 30

31 IMPEDANCIA DE ENTRADA TEMA 3 31

32 EJEMPLO DE APLICACIÓN TEMA 3 R 1 =10k V aux V Re =0,01V pp Vaux=1Vpp R e =100 Ω R 1 =10k V aux Vaux=1Vpp - + V o V Re =1V pp Re=100 Ω 32

33 IMPEDANCIA DE SALIDA TEMA 3 El AOp ideal tiene R o = 0 33

34 IMPEDANCIA DE SALIDA TEMA 3 El AOp ideal tiene R o = 0 34

35 NIVELES DE TENSIÓN DE SALIDA TEMA 3 Excursión de salida fijada por ±V CC (saturación)!!!!!! Máxima excursión de 35 salida ideal, sin distorsión: Vo= ±V CC

36 NIVELES DE TENSIÓN DE SALIDA TEMA 3 También amplifica la Continua!!!!! 36

37 NIVELES DE TENSIÓN DE SALIDA TEMA 3 Excursión de salida entre 0 y +V CC!!!!!! Amplifica solamente picos positivos Siempre hay distorsión!!!!! Máxima excursión de 37 salida ideal, picopico Vo= +V CC

38 NIVELES DE TENSIÓN DE SALIDA TEMA 3 Demuestre que: Máxima excursión de salida ideal, 38 pico-pico = V CC Excursión de salida entre 0 y +V CC (saturación)!!!!!!

39 NIVELES DE TENSIÓN DE SALIDA TEMA 3 Excursión de salida entre 0 y -V CC!!!!!! Amplifica solo picos negativos Siempre distorsiona!!!! Máxima excursión 39 de salida ideal, pico-pico = V CC

40 NIVELES DE TENSIÓN DE SALIDA TEMA 3 Máxima excursión de salida ideal, 40 pico-pico = V CC Excursión de salida entre 0 y -V CC (saturación)!!!!!!