A Operacionales v2

8/17/2019 A Operacionales v2

1/21

AMPLIFICADOR OPERACIONAL

IDEAL. APLICACIONES.


2/21

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.


3/21


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.


4/21


1. INTRODUCCIÓN AL A.O.

• ESTRUCTURA INTERNA.

ETAPA DE

SALIDA

ETAPAS

INTERMEDIAS

ETAPA DE

ENTRADA

V1

V2

Vo

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, Vd

= (V1 – V

2).

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

- Etapa de entrada.

Zin ↑↑ Zout ↓↓Vo = A (V1 – V2)


5/21


V2

V1

Vo

+

-

+

-

+

-

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 Vx

No inversora

Vy

Vo

V2

V1

A


6/21


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).

Vo

Vx

Vy

A Zin

Vx

Vy

Vd

AVd

+

-

ZoutVo

+

-


7/21


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

-VEE

+VCC

V

V

Vo

V2

V1

AVd

Vx

Vy

-

+

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)

Vo

-Vsat.

0

+Vsat.

pte.=Vo/V

d=A

CARACTERÍSTICA DE

TRANSFERENCIA


8/21


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, Vo/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


9/21


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.

Vi

Vo+V

sat.

-Vsat.

0

zona lineal

Tensión offset

de salida

R1

R2

Vi

Vo A

R3

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

CARACTERÍSTICA DE

TRANSFERENCIA


10/21


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

34

5

67

8


11/21


3. ENCAPSULADO DEL A.O.

A

2

3

1

5

6

-VCC

V = 0

R1

R2

R3

Vo

Vi

• 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


12/21


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.

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


13/21



* CIRCUITO INVERSOR.

R1

R2

R3

= R1

|| R2

Vi

Vo

+ A

• La señal de salida tiene fase opuesta (está invertida) respecto a la señal de entrada.

Vx

Vy

I2

I1

21yx II ; 0VV ===

1

i

1

xi1 R

V R

V-V I ==

2

o

2

ox2 R

V-

R

V-V I == ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ =

1

2

R

R-GANANCIA

2

o

1

i

RV-

RV =

1

2io RRV-V =

Vi

Vo

+Vsat.

-Vsat.

0Si Vi = 4 V → Vo = -8 V

Si Vi = 10 V → Vo = -20 V

Para Vi = 10 V → Vo = -Vsat. ≈ -VCC = -15 V

• CIRCUITOS CON REALIMENTACIÓN NEGATIVA. La salida es una función lineal de la entrada.

CARACTERÍSTICA DETRANSFERENCIA

• EJEMPLO: R1 = 10 k ; R2 = 20 k ; VCC = ±15 V

Ganancia = (-R2/R1) = -2


14/21


5. APLICACIONES LINEALES DEL A.O.* CIRCUITO NO INVERSOR.

R1

R2

Vi

Vo

+ A

• La señal de salida tiene la misma fase (signo) que la señal de entrada.

21iyx II ; VVV ===

2

io

2

xo2 R

V-V

R

V-V I ==

1

i

1

x

1 R

V

R

V I ==

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +=

1

21

R

RR GANANCIA

2

io

1

i

R

V-V

R

V=

1

21

io R

RRVV +

=Vx

Vy

I2

I1

* CIRCUITO SEPARADOR (BUFFER).

• La señal de salida es igual a la de entrada.

Vo

+ A

Vi

iyoxyxVV ; VV ; VV ===

io VV =

- Se consigue una elevada impedancia de entrada⇒

Aislamiento entre la entrada y la salida.

Vx

Vy


15/21


5. APLICACIONES LINEALES DEL A.O.* SUMADOR INVERSOR.

213yx III ; 0VV +===

2

i2

1

i1

3

o

R

V

R

V

R

V-+= ⇒

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +=

23i2

13i1o RRVRRV-V

R2

R3

R4 = R

1 || R

2 || R

3

Vi2

Vo

+

A

R1

Vi1

1

i1

1

xi11 R

V

R

V-V I ==

2

i2

2

xi22 R

V R

V-V I ==

3

o

3

ox3 R

V-

R

V-V I ==

Si R1 = R2 = R3

* SUMADOR NO INVERSOR.

R1

R2

Vo

+ AR3

R4

Vi1

Vi2

4321yx II ; II ; VV ===

1

x1 RV I =

2

xo2 R

V-V I =

Vx

Vy

I3

I2

I1

2

xo

1

x

R

V-V

R

V=

1

21xo R

RRVV +

=

Vx

Vy

I2

I1

I3

I4

( )i2i1o VV-V +=


16/21



3

yi13 R

V-V I =

4

i2y4

R

V-V I =

R1

R2

Vo

Vx

Vy

+ A

I2

I1

R3

R4

I3

I4

Vi1

Vi2

4

i2y

3

yi1

R

V-V

R

V-V=

43

3i24i1y RR

RVRV V

+

+=

1

21xo R

RRVV +

=1

21

43

3i24i1o R

RR

RR

RVRV V

+

+

+=

Si R1 || R2 = R3 || R4 ⇒43

43

21

21

RR

RR

RR

RR

+=

+ 43

2

143

21

RR

R

RR(R

RR=

+

+

)⇒

4323i24i1o RRR)RVR(VV += 4

2i232i1o RRVRRVV +=

43 II =

Si R1 = R2 = R3 = R4 i2i1o VVV +=

APLICACIONES LINEALES DEL A O


17/21



* RESTADOR SIMPLE.

4321yx II ; II ; VV ===

R1

R2

Vo

+ A

R3

R4

Vi1

Vi2

1

xi11 R

V-V I =

2ox2 R V-V I =

3

yi23 R

V-V I =

4

y4 R

V I =

4

y

3

yi2

R

V

R

V-V=

43

4i2y

RR

RVV

+

=

1

2i1

1

21

43

4i2o

R

RV-

R

RR

RR

RVV

+

+

=

Si R1 = R3 y R2 = R4 ⇒R1 + R2 = R3 + R41

2i1i2o R

R)V-(VV =

1

2i1

1

4i2o R

RV-

R

RVV =

Vx

Vy

I2

I1

I3

I4

2

ox

1

xi1

R

V-V

R

V-V= ⇒

1

2i1

1

21xo R

RV-

R

RRVV +

=

Si R1 = R2 = R3 = R4)V-(VV

i1i2o =

5 APLICACIONES LINEALES DEL A O


18/21



* INTEGRADOR INVERSOR.

C1yx II ; 0VV ===

R

V

R

V-V I ixi1 ==

dt

dV

C-dt

V-d(V

CIoox

C ==

)

dt

dVC-

R

V oi = ⇒

dtVRC

1-dV io =

∫= dtVRC1

-V io

• EJEMPLOS:

- Vi = 10cosωt Ktsen

RC

10-dtt10cos

RC

1-Vo +ω

ω=ω= ∫

tsenRC

10-Vo ω

ω=

- Vi

= 10 V K

RC

10t-dt10

RC

1-Vo +==

∫⇒

RC

10t-Vo =

ViVo

+ A

R

C

R

Vx

Vy

I1

IC

⇒

V5RC

10t-Vo +=

CONDICIONES INICIALES

Si en t = 0 , Vo = 0 V → K = 0 V

Si en t = 0 , Vo = 5 V → K = 5 V

Si en t = 0 , Vo = 0 V → K = 0 V

5 APLICACIONES LINEALES DEL A O


19/21



Si en t = 0 , Vo = 5 V → K = 5 V ⇒ V5RC10t

-Vo +=

Rd S

S

Vi

Vo+

A

R

C

R

KRC10t-Vo +=

⇒

RC10t-Vo =Si en t = 0 , Vo = 0 V → K = 0 V

- CONDICIONES INICIALES (ejemplos anteriores con Vi = 10 V).

Vo

0

-Vsat.

t

KRC

10t-Vo +=

Vi

Vo

+ A

R

C

R

Vo

0

-Vsat.

t

5 V

S

S

Rc

V1 = 5 V

• Condensador descargado

• Abrir “S” en t = 0 →

• Condensador cargado a +5 V

• Abrir “S” en t = 0 →

6 APLICACIONES NO LINEALES DEL A O


20/21


6. APLICACIONES NO LINEALES DEL A.O.

-Vsat.

+Vsat.

Vi

Vo

0 Vref.

• Comparan la señal de entrada con una de referencia.

• Determinan cuando la señal de entrada alcanza o supera un valor establecido.

• No emplean realimentación negativa y suelen trabajar en lazo abierto ⇒ Vx ≠ Vy

- Con Vy < Vx ⇒ Vo = -Vsat. ≈ -VCC (SATURACIÓN NEGATIVA)

Vi

Vo

+ A

Vref.

ref.yix VV ; VV ==

)V- A(VV xyo =

Vo = +Vsat.- Si Vi < Vref.

Vo = -Vsat.- Si Vi > Vref.

- Con Vy > Vx ⇒ Vo = +Vsat. ≈ +VCC (SATURACIÓN POSITIVA)

* COMPARADOR SIMPLE (SATURACIÓN-SATURACIÓN).

)V- A(VV iref.o =Vx

Vy

Vo = A(Vy - Vx)

A: Ganancia en lazo abierto (↑↑)

6.1 Circuitos detectores de tensión o comparadores.

6 APLICACIONES NO LINEALES DEL A O


21/21


Vu

6. APLICACIONES NO LINEALES DEL A.O.* COMPARADORES CON SALIDA CERO-SATURACIÓN.

• Son comparadores como el anterior, en los que se limita una de las salidas.

- Si Vo → +Vsat. ( )0VV ref.i =<

- Si Vo → -Vsat. ( )0VV ref.i => ⇒ D CONDUCE Vo = -Vu

⇒ D NO CONDUCE Vo = +Vsat.R

R

Vo

Vx

Vy

+ A

Vi

Vref.

= 0

D

Vi

Vo

0

+Vsat.

Vref. = 0

-Vsat.

Vi

Vo

0

+Vsat.

Vu

-Vsat.

Vref. = 0

D

- CARACTERÍSTICAS DE TRANSFERENCIA.

D

-Vu

A Operacionales v2

Documents

Transcript of A Operacionales v2