Tema 4. Amplificadores operacionales Andrés Iborra García Departamento de Tecnología Electrónica Sep>embre 2012
Índice Índice 1. Amplificadores. 1.1. Concepto. 1.2. Parámetros caracterís>cos. 1.3. Tipos de amplificadores. 2. El amplificador operacional. 2.1 Concepto. 2.2 Modos de la señal de entrada. 2.3 Rechazo en modo común. 3. El amplificador ideal. 3.1 Definición. 3.2 Circuitos prácticos. 2
Índice Índice 4. El amplificador operacional real. 4.1 Modelo de amplificador operacional real. 4.2 Saturación. 4.3 Tensión de offset. 4.4 Corrientes. 4.5 Impedancias. 4.6 Slew-Rate. 4.7 Carácterística genancia-frecuencia. 5. El amplificador operacional 741. 5.1 Características eléctricas. 5.2 Carácterística ganancia-frecuencia. 3
Amplificadores Sistemas mecánico ACTUADORES Solenoides, relés, piezoeléctricos Motores de con>nua Motores paso a paso Servomotores Disposi>vos hidráulicos y neumá>cos. Interruptores Pulsadores Potenciómetros LDRs Fotocélulas Encoders SENSORES Galgas extensom Termopares Acelerómetros MEMs ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE ENTRADA E INTERFACES Circuitos discretos Amplificadores Filtros A/D VISUALIZADORES LEDs Displays LCD CRT TFT ACONDICIONADORES DE SEÑALES DE SALIDA E INTERFACES D/A Amplificadores PWM Transistores de potencia SISTEMAS DE CONTROL DIGITAL Combinacionales Secuenciales μp μc Memorias SoC Comunicaciones SoZware 4
Amplificadores Concepto de amplificación Un amplificador es un disposi>vo que magnifica una señal de entrada. La potencia que ofrece en la salida ha de ser mayor que la presente en la entrada; por lo que es necesario el uso de una fuente de energía externa. 5
Amplificadores Parámetros caracterís>cos Ganancia: Expresa la relación entre la magnitud de salida y la de entrada. A V = V Entrada V Salida A I = I Entrada I Salida Impedancia de entrada: Cuando se aplica un voltaje a la entrada de un circuito fluye una corriente. El valor de esta corriente va a depender de la impedancia de entrada que presente dicho circuito. Impedancia de salida: Es responsable de la diferencia de tensiones existentes en la salida de un amplificador dependiendo de si está o no conectado a una carga externa. 6
Amplificadores Tipos de amplificadores (I) Amplificador de tensión 7
Amplificadores Tipos de amplificadores (II) Otros >pos de amplificadores 8
El amplificador operacional Concepto u S = A d.(u 1 u 2 ) = A d.u d + _ Un amplificador operacional es un caso par>cular de amplificador diferencial de muy alta ganancia que posee alta impedancia de entrada y baja impedancia de entrada. 9
El amplificador operacional Modos de la señal de entrada (I) Entrada por un solo terminal (single- ended) V in V out = A d.v in V out + Entrada diferencial (double- ended) V in + V out = A d.v in V out 10
El amplificador operacional Modos de la señal de entrada (II) Modo común En modo común, se aplican a las dos entradas dos voltajes de señal de la misma fase, amplitud y frecuencia. V in V out + V out V in + V in En modo común, la tensión de salida debería ser teóricamente 0V. En la prác>ca no es así, y se ob>ene una pequeña señal de salida. 11
El amplificador operacional Modos de la señal de entrada (III) Modo general En general, cualquier señal que se aplique a un amplificador operacional posee componentes en modo común y modo diferencial (sensor+ruido). V d V o V c V o = A d.v d + A c.v c La A d >> A c 12
El amplificador operacional Rechazo en modo común(i) La razón de rechazo en modo común (CMRR, Common Mode Rejec>on Ra>o), indica la capacidad de un amplificador de rechazar señales en modo común. CMRR se define como: CMRR = A d A c donde A d es la ganancia de voltaje diferencial en lazo abierto y A c es la ganancia en modo común. CMRR se puede expresar también en decibelios (db):! CMRR = 20log A d # " A c $ & % 13
El amplificador operacional Rechazo en modo común(ii) Ejemplo Cuál es la CMRR, en decibelios, de un A.O. 741C mpico? El valor mpico de la ganancia diferencial de un 741C es de 200.000 y el de la ganancia en modo común es de 6,3.! CMRR = 20log A ol # " A cm $ & % = 20log 200,000 6.3 = 90dB 14
El amplificador operacional Rechazo en modo común (III) El ruido es la componente en modo común, actúa por igual en ambas entradas 15
El amplificador operacional ideal Definición (I) Definimos un amplificador operacional ideal como un amplificador diferencial que presenta las siguientes caracterís>cas: Impedancia de entrada infinita (en realidad suele ser de 10 6 a 10 12 Ω). Impedancia de salida nula (en realidad 75 a 10 3 Ω como mucho). Ganancia infinita (en realidad 10 6 a 10 12 ). 16
El amplificador operacional ideal Definición (II) De las caracterís>cas antes enunciadas es posible deducir las siguientes consecuencias: Impedancia de entrada infinita: Por las patas + y del AO ideal entrarán 0A. Impedancia de salida nula: La tensión de salida valdrá: U s = A d U d Ganancia infinita: A d = V 0 V d,paraque A d = V d = 0 V+ = V Principio de TIERRA VIRTUAL 17
El amplificador operacional ideal Circuitos prác>cos (I) Comparador Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos. " $ V out = # %$ V S+ si V+ > V V S si V+ < V 18
El amplificador operacional ideal Circuitos prác>cos (II) Seguidor V out = V in Z in = Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un disposi>vo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa). Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísima, la de salida prác>camente nula, y puede ser ú>l, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña y que no afecte apenas a la medición. 19
El amplificador operacional ideal Circuitos prác>cos (III) Amplificador inversor V out = R f R in.v in Z in =R in 20
El amplificador operacional ideal Circuitos prác>cos (IV) Amplificador no inversor V out = V in.(1+ R 1 R 2 ) Z in = 21
El amplificador operacional ideal Circuitos prác>cos (V) Amplificador sumador " V out = R f.v R 1 + R f.v 1 R 2 +...+ R % f $.V 2 R n ' # n & Las impedancias de entrada Z n =R n Si R 1 = R 2 =.= R n = R la expresión se simplifica muchísimo: " V out = R f R.V + R f 1 R.V +...+ R f 2 R.V % $ n' = R f # & R.(V + V +...+ V ) 1 2 n 22
El amplificador operacional ideal Circuitos prác>cos (VI) Amplificador inversor restador!( R 3 +R 1 )R 4 V out = V # 2 #( " R 4 +R 2 )R 1 $ & & V! 1# % " R 3 R 1 $ & % La expresión se puede simplificar con resistencias iguales. 23
El amplificador operacional ideal Circuitos prác>cos (VII) Integrador ideal V out = t 0 V in R.C dt + V inicial No se u>liza en la prác>ca por saturarse en condensador con una pequeña señal. 24
El amplificador operacional ideal Circuitos prác>cos (VIII) Derivador ideal V out = RC dv in dt No se u>liza en la prác>ca por ser inestable. 25
El amplificador operacional ideal Circuitos prác>cos (IX) Conver>dor de corriente a tensión V out = R.I in Su aplicación es en sensores, los cuales no pueden ser ac>vados, con la poca corriente que sale de algún sensor. 26
El amplificador operacional ideal Circuitos prác>cos (X) Función logarítmica y exponencial " V out = m.ln V % in $ # n.r ' & V in m V out = n.r.e 27
El amplificador operacional real Modelo 28
El amplificador operacional real Saturación Un A.O. típico no puede suministrar más tensión que a la que se alimenta, Cuando se da este valor se dice que satura, pues ya no está amplificando. 29
El amplificador operacional real Tensión de offset V OFFSET : Es el voltaje diferencial de con>nua que se requiere poner entre los terminales de entrada para forzar la salida a 0 vol>os En un amplificador ideal la V OFFSET es 0. Esta tensión puede ajustarse a cero por medio del uso de las entradas de offset (solo en algunos modelos de operacionales) en caso de querer precisión. 30
El amplificador operacional real Corrientes Hay dos corrientes que hay que considerar en los amplificadores operacionales reales: I BIAS : La corriente de polarización de entrada es la media de las dos corrientes dc necesarias para polarizar los transistores que componen el amplificador operacional. I BIAS = I + +I 2 I OFFSET : El desequilibrio de corrientes de entrada es la diferencia entre las dos corrientes de polarización de entrada. I OS = I + I 31
El amplificador operacional real Impedancias Z IN(d) : impedancia de entrada diferencial. Es la impedancia total entre las entradas + Z IN(d) Z IN(cm) : impedancia en modo común. Es la impedancia entre cada entrada y >erra. Z IN(cm) + Z out : impedancia de salida. Es la impedancia (Thévenin) vista desde la salida del circuito.. + Z out 32
El amplificador operacional real Slew- rate Slew- rate (rapidez de variación de voltaje de salida) es la máxima tasa de cambio del voltaje de salida en respuesta a un escalón de voltaje en la entrada. Ejemplo Slew Rate ΔV = Δ t out V out (V) Determine el slew- rate a par>r de la respuesta ante escalón de la figura. 13 12 Slew Rate ΔV = out = Δt ( + 12 V) ( 12 V) 4.0 µs = 6 V/ µs. 0 12 13 4.0 µ s t 33
El amplificador operacional real Caracterís>ca ganancia- frecuencia Diagrama de Bode A ol (db) 106 100 Midrange A = cte El producto de la Ganancia x el ancho de banda es constante f max A ol(mid) A v Open-loop gain 75 20 db/decade roll-off 50 Closed-loop gain A cl(mid) 25 Critical frequency Unity-gain frequency (f T ) 0 1 10 100 1k 10k 100k 1M f (Hz) 0 f c(ol) f c(cl ) f La ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000. Un amplificador con esta configuración sólo tendría un ancho de banda de unos pocos Hercios(Hz). Al realimentar nega>vamente se baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambio de tener un ancho de banda aceptable. Existen modelos de diferentes A.O. para trabajar en frecuencias superiores, en estos amplificadores prima mantener las caracterís>cas a frecuencias más altas que el resto, sacrificando a cambio un menor valor de ganancia u otro aspecto técnico. 34
El AO 741 Caracterís>cas eléctricas 35
El AO 741 Caracterís>cas eléctricas 36
El AO 741 Caracterís>ca ganancia- frecuencia 37
Dr. Andrés Iborra Universidad Politécnica de Cartagena Campus Muralla del Mar, s/n 30202 Cartagena Tel. +34 968 32 56 54 Fax. +34 968 32 53 45 E- mail andres.iborra@upct.es Twi}er @CincubatorHUB @aiborra Lista de correo cloud- incubator@upct.es Www www.cincubator.com