A Operacionales v2

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    AMPLIFICADOR OPERACIONAL

    IDEAL. APLICACIONES.

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    Fundamentos de Electrónica - Amplificador Operacional Ideal. Aplicaciones. 2

    INDICE

    1. INTRODUCCIÓN AL AMPLIFICADOR OPERACIONAL.

    2. ASPECTOS GENERALES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL.

    2.1 Notación y terminología.2.2 Circuito eléctrico equivalente.

    2.3 Alimentación.

    2.4 Funcionamiento en lazo abierto.

    2.5 Funcionamiento con realimentación negativa.

    2.6 Error en la tensión de salida (tensión offset).

    3. ENCAPSULADO DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL.

    4. CARACTERÍSTICAS DEL A.O. IDEAL Y DEL A.O. REAL.

    5. APLICACIONES LINEALES DEL A.O.

    6. APLICACIONES NO LINEALES DEL A.O. 6.1 Circuitos detectores de tensión o comparadores.

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    1. INTRODUCCIÓN AL A.O.

    - Funcionamiento en lazo abierto. Ganancia de tensión muy elevada (AV = A > 10

    5)

     Aplicaciones no lineales (comparadores, generadores de onda, …)

    - Funcionamiento con realimentación.

    Ganancia de tensión limitada por las resistencias externas.

     Aplicaciones lineales (operaciones matemáticas: inversión de signo, suma, resta, integración,

    derivación, ...)

    • AMPLIFICADOR OPERACIONAL.

    - Está constituido por varias etapas amplificadoras.

    - Doble entrada (entrada diferencial) y salida única (salida asimétrica).

    - Circuito integrado analógico muy versátil y de amplia aplicación.

    • MODOS DE FUNCIONAMIENTO.

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    1. INTRODUCCIÓN AL A.O.

    • ESTRUCTURA INTERNA.

    ETAPA DE

    SALIDA

    ETAPAS

    INTERMEDIAS

    ETAPA DE

    ENTRADA

    V 1

    V 2

    V o

     AMPLIFICADOR OPERACIONAL

    ENTRADA

    DIFERENCIAL

    SALIDA

     ASIMÉTRICA

    - Etapas intermedias.

     Aportan una elevada ganancia de tensión en lazo abierto, AV ↑↑.

    - Etapa de salida.

    Estructura con transistores en colector común que permiten amplificar corriente.

    Confiere al amplificador una reducida impedancia de salida, Zout ↓↓ (Ω).

     Amplificador diferencial. Amplifica la diferencia de las tensiones de entrada, V d

    = (V 1  – V

    2 ).

    Confiere al amplificador una elevada impedancia de entrada, Zin ↑↑ (MΩ). Por ello las corrientes de entrada serán muy reducidas, considerándose despreciables.

    - Etapa de entrada.

    Zin ↑↑ Zout ↓↓Vo = A (V1 – V2)

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    V 2

    V 1

    V o

    +

    -

    +

    -

    +

    -

    2. ASPECTOS GENERALES DEL A.O.

    2.1 Notación y terminología.

    • ENTRADA NO INVERSORA (+) → Señal aplicada a esta entrada aparece en la salida con la misma

    fase o sin invertir. Tensión de entrada Vy .

    • ENTRADA INVERSORA (-)   → Señal aplicada a esta entrada aparece en la salida con la fase

    opuesta o invertida. Tensión de entrada Vx .

    • SEÑALES DE ENTRADA (V1 Y V2) Y SEÑAL DE SALIDA (Vo), REFERIDAS A MASA.

    Inversora   V x

    No inversora

    V y

    V o

    V 2

    V 1

     A

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    2. ASPECTOS GENERALES DEL A.O.

    2.2 Circuito eléctrico equivalente.

    • ENTRADA DIFERENCIAL → IMPEDANCIA DE ENTRADA Zin↑↑ (MΩ).

    • SALIDA ASIMÉTRICA → IMPEDANCIA DE SALIDA Zout   ↓↓ (Ω).

    → FUENTE DE TENSIÓN DEPENDIENTE.

    - A: Ganancia en lazo abierto ↑↑ (>105).

    - Vd: Tensión diferencial de entrada (Vy – Vx).

    V o

    Vx

    V y

     A Zin

    V x

    V y

    V d

     AV d

    +

    -

    Zout V o

    +

    -

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    2. ASPECTOS GENERALES DEL A.O. 2.3 Alimentación.

    • FUENTE DOBLE SIMÉTRICA CON TOMA INTERMEDIA (MASA).

    - Entradas y salidas referidas a masa.

    - Valores máximos teóricos de la salida Vo  → (+V) ó (-V). Se habla de salidas saturadas (+Vsat.) ó (-Vsat.).

     A

    -V EE

    +V CC

    V

    V

    V o

    V 2

    V 1

     AVd

    V x

    V y

    -

    +

    2.4 Funcionamiento en lazo abierto.

    • TENSIÓN DE SALIDA →

    Vo = A Vd = A (Vy – Vx)

    - Al ser la ganancia “A” muy elevada (>105), aunque Vd tome valores

    muy reducidos la salida tiende a saturación (+Vsat. ó -Vsat.). Por ello,

    en lazo abierto, el A.O. se emplea básicamente como comparador.

    Vd=(Vy-Vx)

    V o

    -V sat.

    0

    +Vsat.

    pte.=V o /V

    d =A

    CARACTERÍSTICA DE

    TRANSFERENCIA

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    2. ASPECTOS GENERALES DEL A.O. 2.5 Funcionamiento con realimentación negativa.

    - La ganancia de tensión del montaje depende ahora de las

    resistencias empleadas, siendo en general mucho menor que

    en lazo abierto. En el ejemplo, V o /V

    i = -R

    2 /R

    1 .

    - Aumenta la impedancia de entrada del A.O.( Zi >> Zin), por lo

    que se considera nula la corriente de cada entrada.

    - Disminuye la impedancia de salida del A.O. ( Zo

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    2. ASPECTOS GENERALES DEL A.O. 2.6 Error en la tensión de salida (tensión offset).

    - Se origina en la etapa diferencial de entrada del A.O. y se amplifica en las etapas intermedias.

    - Consiste en la presencia de una tensión en la salida con tensiones de entrada nulas. Al aplicar las tensiones

    de entrada, la salida acumulará esta tensión, dando un valor erróneo.

    - Afecta principalmente a los montajes con realimentación negativa funcionando en zona lineal.

    V i

    V o+V

    sat.

    -V sat.

    0

    zona lineal

    Tensión offset

    de salida

    R 1

    R 2

    Vi

    V o A

    R 3

    - Los A.O. disponen de terminales especiales para compensar la tensión offset y evitar el error en la salida.

    CARACTERÍSTICA DE

    TRANSFERENCIA

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    3. ENCAPSULADO DEL A.O.

    • ENCAPSULADO DE VIDRIO-METAL, TIPO TO99. - Forma de sombrero con 8 patillas.

    • ENCAPSULADO DE DOBLE LÍNEA.

    - Forma de “cucaracha” con 8, 14 o 16 patillas.

    - Fabricación cerámica o plástica.

    • ENCAPSULADO PLANO.

    - Forma cuadrada con 10 o 14 patillas.

    1

    5 6

    10

    1

    7 8

    14

    2

    1

    3 4

    5

    6 7

    8

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    3. ENCAPSULADO DEL A.O.

     A

    2

    3

    1

    5

    6

    -V CC

    V = 0

    R 1

    R 2

    R 3

    Vo

    V i

    • ENCAPSULADO DEL A741 (empleado en el laboratorio).

    2

    1

    3

    4 5

    6

    7

    8

    +  A

    1 - Ajuste de Offset.

    2 - Entrada inversora (-).

    3 - Entrada no inversora (+).

    4 - Alimentación negativa (-V).

    5 - Ajuste de Offset.

    6 - Salida.

    7 - Alimentación positiva (+V).

    8 - No conectada.

    • AJUSTE DE OFFSET EN EL A741. (Circuitos con realimentación negativa).

    - Situar un potenciómetro de 10 kΩ entre las patillas 1 y 5 del

     A.O., con el cursor conectado a la alimentación -VCC.

    - Montado el circuito y alimentado adecuadamente (±VCC), conectar las entradas a masa. Si Vi = 0, debería ser Vo = 0.

    - Medir la tensión de salida y ajustar con el potenciómetro

    hasta que sea cero.

    Í

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    4. CARACTERÍSTICAS DEL A.O IDEAL Y DEL  A.O. REAL.

    • AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL.

    - Ganancia en lazo abierto (A) infinita.

    - Impedancia de entrada (Zin) infinita.

    - Impedancia de salida (Zout) cero.

    - Error en la tensión de salida (tensión offset) nulo.

    - Desajuste de la salida con el tiempo y la temperatura (derivas) nulo.

    • AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL.

    - Ganancia en lazo abierto (A) muy alta (>105).

    - Impedancia de entrada (Zin) muy elevada (MΩ).

    - Impedancia de salida (Zout) muy pequeña (Ω).

    - Tensión offset muy pequeña.

    - De