1.1 CONCEPTOS BASICOS

17/05/2013

1

UNIDAD I Circuitos básicos con Amplificadores

operacionales

Elaboró: Ing. Félix Gómez Sánchez 1

ANTECEDENTES HISTORICOS


ANTECEDENTES HISTORICOS DEL AMP. OPERACIONAL

El concepto de amplificador operacional se originó alrededor de 1947.

Los primeros amplificadores operacionales utilizaban tubos de vacio,

pero no fue sino hasta la introducción del circuito integrado que el

amplificador operacional comenzó a desarrollar su verdadero potencial.

En 1964 Fairchild Semiconductor desarrollo el primer amplificador

operacional de circuito integrado, llamado 702, que mas tarde fue seguido por el

709 y con el tiempo por el 741, el cual se ha convertido en el estandar de la

industria. Elaboró: Ing. Félix Gómez Sánchez 3

LEY DE OHM


LEYES DE KIRCHHOFF

En cualquier nodo, la suma de la corriente que entra

en ese nodo es igual a la suma de la corriente que

sale. De igual forma, La suma algebraica de todas las

corrientes que pasan por el nodo es igual a cero

Esta ley también es llamada ley de nodos o primera

ley de Kirchhoff y es común que se use la sigla LCK

para referirse a esta ley. La ley de corrientes de

Kirchhoff nos dice que:

Esta ley es llamada también Segunda ley de Kirchhoff,

ley de lazos de Kirchhoff y es común que se use la sigla

LVK para referirse a esta ley.

En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es

igual a la tensión total suministrada. De forma

equivalente, En toda malla la suma algebraica de las

diferencias de potencial eléctrico es igual a cero.



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cc/Diode01.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/46/SPST-Switch.svg

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:BJT_symbol_NPN.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/97/Op-amp_symbol.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/92/741_op-amp_in_TO-5_metal_can_package_close-up.jpg

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:KCL.png

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:KVL.png

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DIAGRAMA A BLOQUES DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL

BLOQUES FUNCIONALES


Amplificador Operacional Real.

Un amplificador operacional real difiere del comportamiento ideal en 2 aspectos: consume

intensidades en sus entradas, e introduce errores en la comparación de las señales de entrada. En la

siguiente figura se muestra el circuito interno de un amplificador operacional típico. En este caso se

considera el amplificador AD741:


ESTRUCTURA INTERNA DEL 741

Amplificador diferencial

El bloque delineado con azul es un amplificador diferencial. Q1 y Q2 son

seguidores de emisor de entrada y junto con el par en base común Q3 y Q4

forman la etapa diferencial de entrada. Además, Q3 y Q4 actúan como

desplazadores de nivel y proporcionan ganancia de tensión para controlar el

amplificador clase A. El amplificador diferencial formado por los cuatro

transistores Q1-Q4 controlan un espejo de corriente como carga activa

formada por los tres transistores Q5-Q7.

Etapa de ganancia clase A

El bloque delineado con magenta es la etapa de ganancia clase A. El espejo

superior derecho Q12/Q13 carga esta etapa con una corriente constante,

desde el colector de Q13, que es prácticamente independiente de la tensión

de salida. La etapa consiste en dos transistores NPN en configuración

Darlington y utiliza la salida del espejo de corriente como carga activa de alta

impedancia para obtener una elevada ganancia de tensión. El condensador

de 30 pF ofrece una realimentación negativa selectiva en frecuencia a la

etapa clase A como una forma de compensación en frecuencia para

estabilizar el amplificador en configuraciones con realimentación.


ESTRUCTURA INTERNA DEL 741

Circuito de polarización de salida

El bloque delineado con verde (basado en Q16) es un desplazador de nivel de

tensión (o multiplicador de Vbe); un tipo de fuente de tensión. En el circuito se

puede ver que Q16 suministra una caída de tensión constante entre colector y

emisor independientemente de la corriente que lo atraviesa. Esto sirve para

polarizar los dos transistores de salida ligeramente en conducción reduciendo

la distorsión "crossover". En algunos amplificadores con componentes discretos

esta función se logra con (generalmente dos en serie) diodos de silicio.

Etapa de salida

La etapa de salida (delineada con cian) es un amplificador seguidor de emisor

push-pull Clase AB (Q14, Q20) cuya polarización está fijada por el

multiplicador de Vbe Q16 y sus dos resistencias de base. Esta etapa está

controlada por los colectores de Q13 y Q19. Las variaciones en la polarización

por temperatura, o entre componentes del mismo tipo son comunes, por lo

tanto la distorsión "crossover" y la corriente de reposo puede sufrir variaciones.

El rango de salida del amplificador es aproximadamente un voltio menos que

la tensión de alimentación, debido en parte a la tensión Vbe de los transistores

de salida Q14 y Q20.


CARACTERISTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALE IDEALES

ECUACION

Vo = Av (Vi+ – V–) = Av ⋅ Vd

- AV: GANANCIA EN LAZO ABIERTO o GANANCIA

DIFERENCIAL ~ 100.000.

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

1 - Av infinita --> V+ = V- --> PRINCIPIO DE TIERRA VIRTUAL.

2 - Zent - Infinita --> I+ = I- = 0.

3 - Zsal nula --> fuente de tensión ideal.

4 - Amplificador de AC y DC.

5 - Ancho de banda infinito (BW)

ALIMENTACIONES (VDD,VSS):±3.3V,±5V,±9V,±12V,±15V,±18V,±22V

Vi+

Vi-

Vo

Vo

Vid

Vsat+ < VDD

Vsat- > VSS



AMPLIFICADOR INVERSOR

Vsal

741

3

2

4

7

6

51R

Rf

R1

VentI1

If

0V

0V

11RIVent

1

1R

VI ent

ffsal RIVV 0

ffsal RIV

f

salf

R

VI

fII 1

f

salent

R

V

R

V

1

v

f

ent

sal AR

R

V

V

1

ent

f

sal VR

RV

1

entvsal VAV

Ri = R1

Ganancia de voltaje


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e0/OpAmpTransistorLevel_Colored_Labeled.svg

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Ejemplo Amplificador Inversor ideal

Vsal

741

3

2

4

7

6

51R

Rf

R1

VentI1

If

0V

0V

Haciendo referencia a la figura

a) Calcular Afb cuando R1 = 20 kΩ y Rf = 400 kΩ

b) Calcular Rf cuando R1 = 10 kΩ y Afb = -15

c) Calcular R1 cuando Rf = 1 MΩ y Afb = 50

d) Para los incisos a, b y c calcular Vsal para un Vent = 300 mVpp

a) -20

b) 150 kΩ

c) 20 kΩ

d) -6 Vpp, -4.5 Vpp, -15 Vpp

Solución



AMPLIFICADOR NO INVERSOR

Vsal

741

3

2

4

7

6

51

Vent

Rf

R1

If

I1

Vent

1

1R

VI ent

f

entsalf

R

VVI

fII 1

entsalentf VVRVR 1

entsalentf VRVRVR 11

salfent VRRRV 11

ent

salf

V

V

R

RR

1

1

v

f

ent

sal AR

R

V

V 1

1

ent

f

sal VR

RV

1

1

entvsal VAV

Ri = ∞

Ganancia de voltaje


Ejemplo Amplificador no Inversor ideal

Vsal

741

3

2

4

7

6

51

Vent

Rf

R1

If

I1

Vent

a) Con R1 = 10 kΩ y Afb = 20 calcular Rf

b) Si Afb = 20 y Rf = 200 kΩ calcular R1

c) Para los incisos a y b calcular el voltaje de salida para una entrada de

500 mVpp

a) 190 kΩ

b) 10.5 kΩ

c) 10 V

Solución



AMPLIFICADOR SUMADOR INVERSOR

El sumador inversor hace precisamente lo que su nombre indica: sumar algebraicamente

dos valores e invertir el resultado, la forma de analizar este circuito es usar la singularidad

de tierra virtual en el nodo de suma del amplificador inversor. Para ello, este se modifica y

se configura un circuito con la propiedad de efectuar una suma lineal, como se muestra en

la figura.

Sumador inversor escalando

Si en este circuito se considera R1 =R2 = Rf

Sumador sin ganancia

si R1 = R2 = … Rn y Rf = R1 / n

Sumador promediador

n = numero de entradas


Ejemplo Amplificador Sumador Inversor escalador ideal

1. En la figura R1 = 20 kΩ, R2 = 50 kΩ, R3 = 25 kΩ y Rf = 100 kΩ.

Para V1 = 1 V, V2 = 2 V y V3 = -3 V. Encontrar Vsal.

2. Para la figura encontrar R1, R2 y R3 de manera que el circuito

tenga un Vsal = - ( 6V1 + 3V2 + 4V3). Rf = 200 kΩ.

1. 3 V

2. R1 = 33.3 kΩ, R2 = 66.6 kΩ, R3 = 50 kΩ

Solución


Ejemplo sumador inversor sin ganancia y promediador

a) Si en la figura 1 V1 = 3 V y V2 = -4 V, encontrar el Vsal

b) En la figura 1 V1 = 3 V y V2 = 2 V encontrar Vsal

solución

a) Vsal = 1 V

b) Vsal = -5 V

Diseñar el circuito de la figura 2 de manera que

Promedie las tres entradas para R1 = R2 = R3 =

200 kΩ

Solución

Rf = R1/n = 200 kΩ / 3 = 66.6 kΩ


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Ejemplo con varios opamp

Calcule el voltaje de salida Vo en el circuito de la figura

Solución

Vo = - 11.5 V


Amplificadores Operacionales Ideales

EJEMPLOS

EJEMPLO : Diseñar un amplificador con Ri =1KΩ, y Av = -50.

Solución: Se puede realizar a partir de un amplificador inversor, con R1´ = 1KΩ y Rf´ = 50

KΩ.

EJEMPLO 2: Diseñar un amplificador con Ri = ∞ , y Av = -50.

Solución: Se requiere una etapa de entrada con impedancia de entrada infinita (no

inversora). La solución comprende dos amplificadores, no inversor e inversor colocados en

cascada.

SOL1: Av1=10 , Av2 =-5 --> R1 = 1K, Rf = 9K, R1’=1K y R2’= 5K

SOL2: Av1= 1, Av2=-50 --> R1=0, Rf =oo, R1’=1K y R2’=50K


AMPLIFICADORES OPERACIONALES IDEALES

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

Vsal

741

3

2

4

7

6

51

RfR1

12 V

12 V

S2

S1

R2 R´f

V1

V2

I1 If

I2

a

b

Vd

+

-

+

-

I f

y


Ejemplo del amplificador de entrada diferencial (restador)

En la figura que se muestra sea

V1 = 0.1 V

V2 = -0.2 V

Rf = R´f = 100 kΩ

R1 = R2 = 20 k Ω

Determinar Vsal

Solución

Vsal = -1.5 V


AMPLIFICADORES OPERACIONALES IDEALES AMPLIFICADOR INTEGRADOR

R1 C

Vent

Vsal

iR ic

vi=0

IB=0

Puesto que

Resolviendo ahora para dVsal se tiene

Integrando para obtener el Vsal se tiene

+5 V

-5 V

0 V

Vent

tt1 t2 t3 t4

a) Entrada

+1.25 V

Vsal

t0 V

-1.25 V

b) Salida

t1 t2 t3 t4 t5


Ejemplo de amplificador integrador

Un circuito integrador tiene R = 10 kΩ y C = 0.1 µF. Vent es una onda cuadrada

de 1 kHz y 5 V de amplitud (10 Vpp) ¿Cuál es la amplitud y la forma de onda a

La salida?

R1 C

Vent

Vsal

iR ic

vi=0

IB=0

Se caracteriza la salida considerado

un periodo completo.

escribir la entrada como función del tiempo

Vent = 5 V t1 < t <= t2

Vent = -5 V t2 < t <= t3

+5 V

-5 V

0 V

Vent

tt1 t2 t3 t4

a) Entrada

+1.25 V

Vsal

t0 V

-1.25 V

b) Salida

t1 t2 t3 t4 t5

Solución Vsal = - 2.5 V


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AMPLIFICADORES OPERACIONALES IDEALES

AMPLIFICADOR DERIVADOR

R1

iR1

icVent

Vsal

C1

+Vp

Vent

t0 V

-Vp

a) entrada

t1 t2 t3 t4 t5

-Vp

0 V

Vsal

tt1 t2 t3 t4

b) Salida

+Vp


Comparador con Amplificador Operacional

Un comparador es un circuito basado en un amplificador operacional

especializado que compara dos voltajes de entrada y produce una salida

que siempre esta en uno de dos estados, lo que indica la relación mayor

o menor entre las entradas.

Detección de nivel cero


Detección de nivel distinto de cero

Para el inciso b)


Ejemplo de diseño de un comparador

La señal de entrada de la figura del inciso a) se aplica al comparador de

la figura b) trace la salida que muestre su relación apropiada con la señal

de entrada. Asuma que los niveles de salida máximos del comparador

son ± 14 V.


Efectos del ruido de entrada en la operación de un comparador

En muchas situaciones practicas aparece ruido (fluctuaciones de voltaje

indeseables) en la línea de entrada. Este voltaje de ruido se sobrepone al

voltaje de entrada y puede hacer que el comparador cambie de estados

de salida erráticamente.


Reducción de los efectos del ruido con histeresis

Para que el comparador sea menos sensible al ruido se usa una técnica

que incorpora realimentación positiva, llamada histéresis


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Ejemplo de diseño de un disparador de Schmitt

Determine los puntos de disparo alto y bajo para el circuito comparador

de la figura. Suponga que +Vsat = +5 V y –Vsat = -5 V.

Solución

VUTP = +2.5 V

VLTP = - 2.5 V

VH = 5 V


COMPARADOR DE VENTANA

Vent > UTP, Vent < LTP Salida alta

UTP > Vent > LTP Salida baja

UTP

LTP


Ejemplo de diseño de un comparador de ventana

Disponer un comparador de ventana como el de la figura usando el

comparador LM311. el UTP = 5.2 V y LTP = 4.8 V, Vcc = 9 V, suponer

una Id = 0.5 mA.

R1 = ?, R2 = ?, R3 = ?


Algunos Opamps modifican su salida para trabajar en saturación con mayor

eficiencia , La etapa de salida se sustituye por un único transistor

(Salidas en Colector abierto o Drenador Abierto)

AMPLIFICADOR OPERACIONAL VERSUS COMPARADOR


El uso de COMPARADORES facilita mucho el interfaz de diferentes

cargas en incluso el interfaz con sistemas digitales.

Veamos algunos ejemplos:

USO DE LOS COMPARADORES

Los transistores de las salidas en colector abierto normalmente manejan

corrientes y tensiones superiores que las salidas normales. En todo

caso, consultar los catálogos.


CARACTERISTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES REALES

Caracterización de OPAMP real: - No idealidades.

- Relación con el entorno.

Análisis de los parámetros:

- Ganancia finita (Ao).

- Ancho de banda finito (BW).

- Slew-Rate (SR).

- OFFSET (VIO).

- Corriente de polarización (IB).

- Resistencia de entrada (Zent).

- Resistencia de salida (Zsal)

- Razón de rechazo del modo común (CMRR).

- Tensiones de saturación (Vsat+, Vsat-).

Se estudiará:

- La influencia de cada parámetro por separado --> ECUACIONES.

- La relación entre ellos.


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CARACTERISTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES REALES

Vo


Amplificadores Operacionales Reales

ANCHO DE BANDA FINITO (ωb): La amplificación no es constante para todas las frecuencias

Representación frecuencial: (Diagramas de Bode).

Modelo de un solo polo: Ao = f(ω) → Ao = Ganancia a bajas frecuencias

ωb = Frecuencia de corte

Modulo de fase

Representación asintótica MODULO

Ideal

Ao

Real

Frecuencia



ANCHO DE BANDA FINITO (ωb):

Para ω >> ωb → |A| = Ao → |A| dB = 20 log Ao

Para ω << ωb → |A| = Ao* ωb/ω → |A| dB = 20 log Ao + 20 log ωb - 20 log ω

Representación asintótica

ωt Frecuencia ganancia unidad

Modulo

(dB) Ideal

Ao

se puede expresar

Real

0 * Producto ganancia X ancho de banda = cte.

ωb ωt frec. (ω) (suministrado por el fabricante)

* Error de la aproximación: 3 dB

* Modelo de dos polos



SLEW-RATE (SR): Máxima velocidad de respuesta de la salida del OPAMP.

- Se puede caracterizar la máxima frecuencia posible para una señal senoidal: fM

- Vso - Amplitud de la señal senoidal de entrada.

+

-Vi

VodVo /dt |máxima

[SR] ~ Voltios / µs



PROBLEMAS DE CONTINUA: - OFFSET (VIO) - Simetría, temperatura, envejecimiento, ..

- CORRIENTES DE POLARIZACION (IB). simetría, etapa de entrada,..

OFFSET --> Tensión de salida no nula, cuando las entradas son cero. Vi+ = Vi- = 0 --> Vo |= 0

Vo = 0+

-

VIO

MODELADO

+

-

VIO

R2

R1

Vi = 0I = 0

Efecto

(Amplificador Inversor)

* Tensión de offset a

la salida para Vi = 0

* Enmascara la señal

de entrada



OFFSET (VIO)--> Técnicas de ELIMINACION / COMPENSACION.

1 .- Selección del OPAMP adecuado

2.- Utilizando las técnicas de compensación que tiene el OPAMP - terminales específicos.

3.- Mediante técnicas de circuito - Sumador.

EFECTO DE LA TEMPERATURA

o SOLUCION:

1.- Buscar el pero caso: CALENTAMIENTO.

2.- Compensación mediante sumador.

Requiere CALIBRACIÓN PERIÓDICA.


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PROBLEMAS DE CONTINUA:

CORRIENTES DE POLARIZACIÓN (IB, Ioffset) --> Corriente de entrada en los terminales + y -: I+ |=0 e

Corriente de offset:

Datos del fabricante

Corriente de polarización:

CORRECCIÓN EN AC: Condensador de desacoplo --> Alta impedancia de entrada.

I- (IB2)

I+ (IB1)

Vo = 0MODELADO

* Depende de la etapa diferencial de

entrada (BJT o MOS).

* µA -- pA

Vo

R1

R2

Vi

NO-INVERSOR

C1

R >> 1

Vo

R1

R2

Vi

INVERSOR

C1

R >> 1



Inversor

No inversor

Vo = IB2R2 ~ G → Puede generar problemas para

ganancias elevadas

Si



MODELADO: Ri+, Ri-

Influencia despreciable

Resistencia de entrada (Rin): valor finito de la resistencia de entrada



EFECTO: Amplificador Inversor

Influencia despreciable


Amplificadores Operacionales Reales Razón de Rechazo del Modo Común (CMRR)- Carácter diferencial de los amplificadores.

Ad: Ganancia Diferencial

Acm: Ganancia en Modo Común


Amplificadores Operacionales Reales Razón de Rechazo del Modo Común (CMRR)- Amplificador Diferencial.

Acm: ERROR A ELIMINAR O REDUCIR

EFECTO:

Amplificador no inversor


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TENSIONES DE SATURACION (Vsat+, Vsat-) : Limitan el rango de tensiones de salida.


1.1 CONCEPTOS BASICOS

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