Amplificadores Operacionales. Corrimientos

Transcripción

1 Amplificadores peracionales Corrimientos

2 En estudios previos de amplificadores operacionales asumimos muchas de sus características como ideales, sin embargo en ciertas aplicaciones los efectos de las características reales producen desplazamientos importantes en la tensión de salida que afectan la respuesta esperada. Dada nuestra intención de encarar el diseño de amplificadores operacionales de potencia, será importante conocer cuales son éstas características y comprender como pueden compensarse y /o corregirse en su origen. El desplazamiento de la tensión continua de salida obedece a la presencia de corriente de polarización en los terminales de entrada, influyendo tanto su magnitud como su diferencia, y también al desbalance de las tensiones internas de polarización de la primera etapa del amplificador. Ambos fenómenos se deben a las asimetrías en los dispositivos activos y componentes pasivos del amplificador.

3 Esquema interno típico de un amplificador CC SS Éste esquema con tecnología bipolar es solo un ejemplo, podría también construirse con FET, MSFET o tecnología híbrida

4 LM741 SNSC25C MAY 1998 RESED MARCH Absolute Maximum Ratings LM741A LM741 LM741C Supply oltage ±22 ±22 ±18 Power Dissipation 500 mw 500 mw 500 mw Differential nput oltage ±30 ±30 ±30 nput oltage ±15 ±15 ±15 utput Short Circuit Duration Continuous Continuous Continuous perating Temperature Range 55 C to 125 C 55 C to 125 C 0 C to 70 C Storage Temperature Range 65 C to 150 C 65 C to 150 C 65 C to 150 C Junction Temperature 150 C 150 C 100 C ESD Tolerance

5 Electrical Characteristics Unless otherwise specified, these specifications apply for S ±15, 55 C T A 125 C (LM741/LM741A). For the LM741C/LM741E, these specifications are limited to 0 C T A 70 C. Parameter Test Conditions LM741A LM741 LM741C Units nput ffset oltage T A 25 C Average nput ffset oltage Drift R S 10 kω R S 50Ω T AMN T A T AMAX R S 50Ω R S 10 kω Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max m m 15 μ/ C nput ffset oltage Adjustment Range T A 25 C, S ±20 ±10 ±15 ±15 m nput ffset Current T A 25 C na T AMN T A T AMAX Average nput 0.5 na/ C ffset Current Drift nput Bias Current T A 25 C na T AMN T A T AMAX μa nput Resistance T A 25 C, S ± MΩ T AMN T A T AMAX, S ± nput oltage Range T A 25 C ±12 ±13 T AMN T A T AMAX ±12 ±13 Large Signal oltage Gain T A 25 C, R L 2 kω /m S ±20, ±15 S ±15, ±10 T AMN T A T AMAX, R L 2 kω, S ±20, ±15 S ±15, ±10 S ±5, ± /m

6 Electrical Characteristics (continued) 10 Parameter Test Conditions LM741A LM741 LM741C Units Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max utput oltage Swing S ±20 R L 10 kω R L 2 kω ±16 ±15 S ±15 R L 10 kω R L 2 kω ±12 ±10 ±14 ±13 ±12 ±10 ±14 ±13 utput Short Circuit T A 25 C ma Current T AMN T A T AMAX Common-Mode T AMN T A T AMAX db Rejection Ratio R S 10 kω, CM ±12 R S 50Ω, CM ±12 Supply oltage Rejection Ratio T AMN T A T AMAX, S ±20 to S ±5 R S 50Ω R S 10 kω db Transient Response Rise Time vershoot T A 25 C, Unity Gain μs % Bandwidth (2) T A 25 C MHz Slew Rate T A 25 C, Unity Gain /μs Supply Current T A 25 C ma Power Consumption T A 25 C S ±20 S ± mw ffset Nulling Circuit

7 Tensión de salida ideal versus real C a CM C DEAL REAL a DF id id

8 Corrientes de polarización El amplificador real requiere corrientes de polarización en los terminales de entrada B1 B2 El signo de B1 e B2 dependerá de la tecnología interna del amplificador

9 Modelo de generadores de corriente Se define B como el promedio de las corrientes de polarización de entrada: B 2 B1 B2 Y la corriente offset de entrada como: S B1 B2 Notar que el signo de S es arbitrario debido a la dispersión de los dispositivos electrónicos

10 perando con las definiciones, se llega a: B1 B 2 S Redefinimos los generadores de corriente: B2 B 2 S S 2 B B

11 Ejemplo 1: Calcular el corrimiento de la tensión de salida B 1μA S 0

12 Solución: (solo en continua) SS < ˆ < CC id a 0 B R 2 0 R1 R2 B ( R //R ) BR 1μ A 1MΩ 1

13 Ejemplo 2: Compensación del corrimiento B1 a B2 Solución: Se comprobará la reducción del corrimiento para R R 3 1//R2

14 Polarización del Amplificador peracional SS < ˆ < CC id a 0 B1 B2 - a id 0 B1 R 3 B 2 ( R //R ) R R2 Si R3 R1 //R2 ( ) R 1 B1 B 2 S R1 Solo será 1 2 R 1 ( )( ) B1 B 2 R1 //R2 R2 0 si 0 Tener en cuenta! S 1 R 2 R 2

15 Tensión offset a la entrada En un amplificador real ocurre un corrimiento de la tensión de salida incluso cortocicuitando los terminales de entrada entre sí. id 0 a id 0 0

16 Se corrige el corrimiento aplicando a la entrada una tensión continua S a id S 0 Se comprueba que esa tensión resulta: S id a 0 La llamamos Tensión de offset a la entrada (offsetcorrimiento)

17 Se modeliza el amplificador operacional real como un amplificador ideal más un generador de tensión: S a Nota: en ésta representación no se consideraron las corrientes de polarización

18 Ejemplo 1: id R i a v id r G S R 1 R 2 S se considera aplicada a la entrada positiva Y las corrientes de polarización se han considerado nulas Resulta: Si es: 1 R 1 S para G R2 S 10m y R 1/R2 99 resultará 0 1

19 Ejemplo 2: id R i a v id r G S R 1 R 2 C S se considera aplicada a la entrada positiva Y las corrientes de polarización se han considerado nulas Resulta: Si es: S para G 0 S 10m resultará 10m

20 Modelo del amplificador operacional real S B S /2 B

21 Pautas para el diseño del amplificador Fundamentalmente deben estar apareados los transistores del par diferencial de entrada. Deben igualarse β y be en los TBJ a la vez que elegirlos con alto β. En los FET o MSFET deben igualarse GS e D SS. La carga del par diferencial, sea activa o pasiva, también debe diseñarse lo más simétrica posible.

22 Ejemplo 3: Calcular en t100ms C R1KΩ C1µF Considerar C 0 en t 0

23 Solución: C C C t S S /2 id R i r R a v id B B S La corriente en C se calcula como: Y la tensión de salida resulta: S C B 2 S 1 C B 2 S R S R S t

24 Ejercicio: En un Circuito integrado cuádruple se utilizan solo tres A, cuál es la manera correcta de conectar el que no se utiliza?, será alguna de las siguientes? CC CC SS SS

25 Medición de los parámetros de corrimiento Éste circuito sencillo permite obtener todos los parámetros de corrimiento de un amplificador operacional (por medición con un simple multímetro). Reproducido del libro Circuitos Electrónicos de Rashid

26 Paso 1. Ensamblar el circuito. Los valores sugeridos de los componentes y la alimentación son: CC EE 15, C 0,01 µf, R 1 R F 100 KΩ a 1MΩ. Paso 2. Cerrar los interruptores S 1 y S 2. Medir el voltaje de salida. El circuito se convierte en un seguidor de voltaje. Esto es, S. Reproducido del libro Circuitos Electrónicos de Rashid Paso 3. Abrir el interruptor S 1 y cerrar el S 2. Medir el voltaje de salida. Usar el valor de S obtenido en el paso 2 para hallar la corriente de polarización B2. Paso 4. Cerrar el interruptor S 1 y abrir el S 2. Medir el voltaje de salida. El voltaje en la terminal () es S. Usar el valor de S obtenido en el paso 2 para calcular la corriente de polarización B1. S B1 R Paso 5. Abrir los dos interruptores S 1 y S 2. Medir el voltaje de salida. Usar el valor de S obtenido en el paso 2 para calcular la corriente de offset de entrada S. También con los datos de los pasos 3 y 4. B2 S R 1 R F 1 S S ( o R ) F S B1 B2

27 Compensación del corrimiento de la Tensión de salida Ejemplo 1 Compensa S

28 Compensación del corrimiento de la Tensión de salida Ejemplo 2 La ganancia de tensión en continua es 1, la mínima posible G 0 S S R 3

29 Compensación del corrimiento de la Tensión de salida Ejemplo 3 Ajuste manual del corrimiento Notar que se ha eliminado el capacitor del realimentador, por lo que resulta efectivo desde continua

30 Compensación del corrimiento de la Tensión de salida Ejemplo 4 DC Servo Auto ajuste del corrimiento

31 Tensión de offset y relación de rechazo de modo común El amplificador debe amplificar señales (tensiones) diferenciales rechazando las señales (tensiones) comunes a ambas entradas. dealmente la ganancia de tensión diferencial es independiente de la tensión de modo común en las entradas. El esquema general es el siguiente:

32 Exitación del amplificador: d 2 1

33 Exitación equivalente: d /2 d C d /2

34 Con las siguientes definiciones d 1 2 oltaje modo diferencial 1 2 c 2 oltaje modo común De dónde: 1 c d 2 2 c d 2

35 La tensión de salida es: también: Debe ser A A >> d A c d para obtener Por lo que se define la relación de rechazo de modo común como: A A d CMRR o d CMRR 20log en [ db] c d A c Ac A d d c Ad c A A c A d d

36 Completando el circuito equivalente como: d /2 d c d /2 d c Siendo: d A d d y c A c c

37 Consideramos ahora la tensión de offset equivalente de entrada: Δ d S c 0 S 0 Aplicamos una tensión diferencial para anular la tensión de salida: d S para 0

38 Usando el siguiente esquema: Δ d Δ c Aplicamos un incremento en la tensión de modo común para obtener una tensión de salida cualquiera: donde resulta c 0 0 A c c

39 Ahora aplicamos un incremento en la tensión diferencial de modo igualar el incremento obtenido anteriormente: Ac d c Ad Ad Finalmente lo aplicamos a la definición de rechazo de modo común, resultando: CMRR A A d c c d o0 os c Un alto valor de CMRR implica mayor tolerancia a las variaciones de modo común, c grande, o una menor tensión de corrimiento, os pequeña.