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1 María Jesús Martín Martínez : [email protected] TEMA 3. AMPLIFICADORES TEMA 3. AMPLIFICADORES IEEE 125 Aniversary: http://www.flickr.com/photos/ieee125/with/2809342254/ http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg

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1María Jesús Martín Martínez : [email protected]

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES

IEEE 125 Aniversary: http://www.flickr.com/photos/ieee125/with/2809342254/

http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg

2María Jesús Martín Martínez : [email protected]

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES

1.1. IntroducciIntroduccióónn

2.2. AmplificadoresAmplificadores..

3. Amplificadores bAmplificadores báásicos con sicos con BJT.BJT.

4.4. Amplificadores bAmplificadores báásicos con MOSFET.sicos con MOSFET.

5.5. Circuitos integrados (TecnologCircuitos integrados (Tecnologíía).a).

6.6. Amplificador Operacional (AO).Amplificador Operacional (AO).

7.7. Osciladores.Osciladores.

8.8. Problemas propuestos.Problemas propuestos.

3María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Un Circuito Integrado es un circuito electrónico fabricado completamente sobre la cara superior de una delgada pieza rectangular de semiconductor al que suele denominarse como “chip”.

Un CI contiene un gran número de transistores que realizan varias operaciones:

Es difícil asignar una operación o función a un solo transistor.

Es útil considerar que un CI está formado por subcircuitos (con más de un transistor) que realizan funciones específicas.

INDICE:

Inicialmente, vamos a estudiar las propiedades de los circuitos más sencillos con UN SOLO TRANSISTOR

Después vamos a estudiar como se fabrican los CIs

A continuación, analizaremos el AMPLIFICADOR OPERACIONAL

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.1. INTRODUCCI3.1. INTRODUCCIÓÓNN

http://www.profesormolina.com.ar/electronica/componentes/int/sist_digit/image020.jpg

4María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Los circuitos electrónicos están diseñados para una operación dinámica (con corrientes y tensiones en alterna):

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.1. INTRODUCCI3.1. INTRODUCCIÓÓNN

Circuito equivalente de pequeña señal:

B

)(tvi

BR CR

πrci

+

bev

bi

bF i⋅β

E

C

BR

CR

CCV

BBV

)(tvi

)(tVBE

)(tVCE

)(tIC

)(tIB

BC

E

Para realizar el estudio el transistor o el circuito electrónico se sustituye por un modelo circuital (Modelo equivalente de pequeña señal)

Previamente al estudio en pequeña señal, debe estudiarse siempre la operación estática (con corrientes y tensiones de continua): la polarización de los transistores y la obtención de sus POE.

PARA DISTINGUIR SEÑALES ac y dc convenio:

Señales DC: Símbolo y subíndice en MAYUSCULA

Señales AC: Símbolo y subíndice en minúscula

Valor total de la señal (ac + dc): Símbolo minúscula y subíndice en mayúscula.

BI

bBB iIi +=

bi

Hoy en día los circuitos equivalentes son muy complejos, y requieren de herramientas como SPICE (Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis).

Sedra/Smith 2004

5María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Antes de proceder al estudio de amplificadores concretos, vamos a estudiar con carácter general, lo que entendemos por amplificador y sus diferentes tipos.

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.2. AMPLIFICADORES3.2. AMPLIFICADORES

iI iKi =0

Un amplificador establece una relación (generalmente lineal) entre una señal de entrada y una señal de salida.

En la Figura se muestran las 4 configuraciones básicas de amplificadores ideales.

Amplificador de corriente ideal: (a)(Fuente de corriente controlada por corriente).

La condición de transferencia es

(siendo KI la ganancia en corriente del amplificador)

Ejemplo BJT

Amplificador de transresistencia ideal (b)(Fuente de tensión controlada por corriente).

La condición de transferencia es

(siendo KR la transresistencia del amplificador)

iR iKv =0

D. Pardo, et al. 1999

D. Pardo, et al. 1999

6María Jesús Martín Martínez : [email protected]

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.2. AMPLIFICADORES3.2. AMPLIFICADORES

iV vKv =0

Amplificador de tensión ideal: (c)(Fuente de tensión controlada por tensión).

La condición de transferencia es

(siendo KV la ganancia en tensión del amplificador)

Amplificador de transconductancia ideal (d)(Fuente de corriente controlada por tensión).

La condición de transferencia es

(siendo KG la transconductancia del amplificador)

Ejemplo MOSFET

iG vKi =0

D. Pardo, et al. 1999

D. Pardo, et al. 1999

7María Jesús Martín Martínez : [email protected]

BJT en emisor común

BJT en colector común BJT en base común

BJT en emisor común con resistencia de emisor

3 .Amplificadores básicos con BJTs

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

4 .Amplificadores básicos con MOSFETs

MOSFET en fuente común

MOSFET en fuente común con carga de realce

8María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Un Circuito Integrado es un circuito electrónico fabricado completamente sobre la cara superior de una delgada pieza rectangular de semiconductor al que suele denominarse como “chip”.

La fabricación de un CI completo lleva consigo una secuenciade muchas etapas (entre 3 y 20) de procesos tecnológicos:

Crecimiento del lingote Oxidación Difusión y/o implantación de impurezas Litografía Metalización

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES

5 .Tecnología de Fabricación de CIs

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Todos estos pasos se realizan simultáneamente para un gran número (cientos o miles) de circuitos en la misma oblea de semiconductor.

Posteriormente cada circuito se somete a una prueba automática de test en la que se examinan de forma individual los circuitos Se desechan los defectuosos o los que no cumplen las especificaciones Los que cumplen las características Encapsulado

http://www.nist.gov/public_affairs/images/ChipScaleClock2_HR.jpg

9María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Sala blanca: Las operaciones de fabricación de un dispositivo se realizan mediante

sistemas robóticos controlados por ordenador en “salas blancas” (miles de veces más limpias que los quirófanos de hospitales).

Los trabajadores están vestidos con trajes especiales que cubren a cada persona de la cabeza a los pies.

El aire se filtra continuamente y se hace recircular para mantener el nivel de partículas de polvo en un mínimo absoluto.

La temperatura, la presión barométrica y la humedad se controlan de modo que los circuitos microscópicos totalmente protegidos.

Una única partícula de humo podría destruir un proceso de crecimiento de un “chip”.

Entrando en una sala blanca

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Tecnología de Fabricación de CIs

http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom

http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom

http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom

10María Jesús Martín Martínez : [email protected]

P r o c e s o s d e f a b r i c a c i ó n d e u n c h i p

S ec c ió n t r an s v ers a l d e u n H B T d e IB M en u n p ro c es o B iC M O S

La estructura de un ch ip es com ple ja (en su superfic ie y en su com posic ión in te rna trid im ensiona l).

E l ch ip se fabrica m ed iante m uchas capas, c ad a u n a d e las c u á les es d is eñ ad a d e m an era d eta l lad a. Por e jem plo :

P odem os crecer una capa fina de S i02 (m ateria l a is lan te) en la superficie de la ob lea .

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Tecnología de Fabricación de CIs

Paul, D. J. (1999), Silicon-Germanium Strained Layer Materials in Microelectronics. Advanced Materials, 11: 191–204

11María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Como imprimir un libro en miniatura

Los diseños son creados en las capas de Si02 utilizando una técnica de impresión denominada “fotolitografía”.

Una capa fina de polímero sensible a la iluminación (llamado resina) se aplica sobre el Si02.

Se proyecta luz ultravioleta a través de una mascara de cristal tan fina que se proyecta la imagen de la máscara sobre la resina.

La resina que no ha sido expuesta a la luz se puede lavar mediante disolventes. También se elimina el Si02 protector mediante diferentes técnicas de grabadopara prepararlo para el siguiente paso en el proceso.

Grabado y litografía

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Tecnología de Fabricación de CIs

http://www.semiconductor-technology.com/projects/philips/images/image_3.jpg

12María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Fotografía SEM de una matriz de líneas de metalización (rosas, verdes blancas y amarillas ) que realizan las interconexiones en una memoria RAM (varias celdas de memoria). El óxido aislante ha sido retirado. Gris (bajo metalizaciones es el Si).(Cortesia de IBM)

Metalizaciones: Autopistas minúsculas Finalmente, se añaden las delgadas capas metálicas y de polisilicio

(interconexiones entre los transistores individuales y entre otros dispositivos). Algunos chips contienen más de seis capas de cables de interconexión uniendo mas de 4 millones de circuitos.

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Tecnología de Fabricación de CIs

13María Jesús Martín Martínez : [email protected]

En cada uno de los pasos del proceso, las obleas son minuciosamente examinadas con un equipo diseñado especialmente y controlado por ordenador, algunas de las medidas tienen lugar a escala atómica.

Cuando se completa el proceso de metalización, todos los chips de la oblea son de nuevo analizados.

Pruebas de test

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Tecnología de Fabricación de CIs

http://www.a-m-c.com/successes/industry_highlight/semiconductor/semi_wafer_probe.jpg

http://www.plyojump.com/classes/images/hardware/wafer_dicing.jpg

14María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Los chips que pasan los rigurosos test eléctricos son entonces cortados de la oblea mediante sierras especiales de diamante y montados en empaquetadosmetálicos o plásticos especiales denominados “módulos”. Estos módulos son de nuevo comprobados.

Materiales del substrato. Montaje del chip sobre la estructura: leadframe Conexiones eléctricas. Tipos de empaquetado. Circuitos híbridos y placas de circuitos impresos.

Montaje y empaquetado

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Tecnología de Fabricación de CIs

15María Jesús Martín Martínez : [email protected]

1. Crecimiento del lingote del semiconductor: oblea

http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo

jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

16María Jesús Martín Martínez : [email protected]

2. Crecimiento del lingote del semiconductor: oblea

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo

jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

17María Jesús Martín Martínez : [email protected]

3. Crecimiento de una capa nativa de Si02 para la posterior aplicación de máscaras litográficas (para la realización del dopaje de la región p en una zona selectiva del material)

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo

jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

18María Jesús Martín Martínez : [email protected]

4. Se aplica sobre la superficie del óxido un material denominado “resina”. Su aplicación servirá para aplicar un proceso fotolitográfico en el que se abrirá una “ventana” en el

semiconductor a través de la cuál se realizará la posterior difusión de la región p. Seguidamente, tiene lugar un calentamiento de la oblea de modo que la resina se solidifica.

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo

jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

19María Jesús Martín Martínez : [email protected]

5. Posteriormente se aplica el proceso fotolitográfico (se proyecta luz ultravioleta, UV, a través de una máscara).

La luz UV endurece la región de resina expuesta a ella. Las regiones cubiertas por la máscara se eliminan mediante grabado químico.

mask

UV light

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo

jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

20María Jesús Martín Martínez : [email protected]

6. Se realiza el grabado o eliminación de la resina fotoreactiva mediante la aplicación de un ácido.

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo

jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

21María Jesús Martín Martínez : [email protected]

7. A través de la ventana abierta mediante el proceso fotolitográfico tiene lugar la difusión o la implantación iónica de impurezas (para realizar el dopaje) de boro (impureza tipo p para el Silicio). De este modo se forma la región p de la unión p-n.

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo

jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

22María Jesús Martín Martínez : [email protected]

8. Se realiza la deposición del aluminio (mediante sputtering) para la realización del contacto a ambos lados de la oblea.

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo

jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

23María Jesús Martín Martínez : [email protected]

9. Se realiza un nuevo paso fotolitográfico (no se muestra) utilizando de nuevo una resina para modificar la forma del aluminio y obtener la forma de la metalización final.

Finalmente se lleva a cabo la pasivación de la superficie que proporciona protección mecánica y eléctrica.

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo

jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

24María Jesús Martín Martínez : [email protected]

10. Los chips finales en la oblea tienen el aspecto que muestran las figuras (visión transversal a la izquierda y visión superior a la derecha).

Posteriormente cada uno de ellos se separa de la oblea (se corta) y se miden sus propiedades eléctricas (caracterización).

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo

jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

25María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Adaptadores o acondicionadores de señal

Convierten una señal (eléctrica o no) en una señal eléctrica de características especiales

Amplificadores: necesarios paraprocesar o presentar las señales

con la instrumentación estándar (osciloscopios, ordenadores, etc.)

Adaptación del rango

Las señales pueden tener ruido (asociado por ejemplo a la red eléctrica: 50 Hz) que puede eliminarse utilizando: FILTROS o INTEGRANDO la señal

Conversores A/D, D/A, etc.

La mayoría de estos circuitos están basados en : Amplificador Operacional

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

A v0=Avi

vi

+Vcc

Esquema general de un amplificador

de ganancia en tensión A

D. Pardo, et al. 1999

26María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Características del AO Ideal/Real

Amplificador: circuito que a la salida proporciona más potencia de la que toma de la señal entrada El Amplificador Operacional Ideal/Real:

Se representa como un triángulo

Entrada diferencial y salida simple

Ganancia en tensión infinita:

G= ∞∞∞∞ v1=v2 (105-1010)

Desde el punto de vista de impedancias:

Impedancia de entrada infinita: (Rin = ∞∞∞∞) : 1 MΩ-100 MΩ toma poca corriente Impedancia de salida nula: (Rout=0): 10-50Ω proporciona mucha corriente a la salida

Sus características no dependen de la frecuencia o la temperatura

En él no se produce ni distorsión ni ruido

A v0=Avi

vi

v1

v2

+Vcc

-Vcc

ivAvvAv =−= )( 210

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

D. Pardo, et al. 1999

27María Jesús Martín Martínez : [email protected]

El Amplificador Operacional Real

El más utilizado es el µA 741

Viene en una gran variedad de empaquetados, la mas usual es la de 8 pins duales en línea: Pin nº 4: - Vcc = -10 Voltios y Pin nº 7 + Vcc = +10 V de alimentación continua

Pin nº 2: Entrada inversora, Pin nº 3: Entrada inversora

Pin nº 6: Salida del AO

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

J. Turner, et al. 1999

28María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Estructura del Amplificador Operacional Real

VCC

VCC

VCC

-VEE

12 9 138

14

19

18

15

21

23

20

2224

1 2

34

5

7

6

1011

16

17

R5

R4

R1 R2

R8 R9

R10

39K

5K

1K 1K

50K

vi1 vi2CC

50K 100Ω 50K

40K

R6

R7

22Ω

22Ω

Ajuste externo de offset

vo

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

D. Pardo, et al. 1999

29María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Entrada

inversora

Entrada no

inversora

v1

v2

Salida

Etapas de

amplificación

Etapa de salidaEtapa diferencial

El Amplificador Operacional Real: El diseño de un AO real está encaminado a que sus propiedades se aproximen a las del

ideal

Los límites de amplificación vienen dados por la alimentación dc: Vcc

Constitución interna genérica (en bloques) de un amplificador operacional real y sus características de transferencia

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

D. Pardo, et al. 1999

30María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Generalmente, el AO se utiliza bajo realimentación: REALIMENTACION NEGATIVA

A es la ganancia en lazo abierto

Como la ganancia A del AO es muy elevada: la salida no depende de la ganancia A sino que sólo depende de la ββββ de la red de realimentación

La ganancia en lazo cerrado:

Amplificador

A

Entrada

vi v0

Salida

Amplificador

A

Bloque de

realimentación

β

Entrada

vi v vr

v0

Salida

ivAv =0

0

0

vv

vvv

vAv

r

ri

β=

−=

=

ivA

Av

β+=1

0 ivvβ

10 =

β

10 =iv

v

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

D. Pardo, et al. 1999

31María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Reglas que han de cumplirse en prácticamente todos los circuitos de AO “ideales” con realimentación externa:

Regla nº 1= Dado que la ganancia G= ∞∞∞∞ asumir que no hay diferencia de voltaje entre los dos terminales de entrada

El AO ajusta v0

de modo que la realimentación sea capaz de hacer que (v1-v2) sea lo más próxima a cero.

En caso contrario la salida v0

tomaría el valor de saturación: +VCC

o - VCC

Regla nº 2= Debe asumirse que la

impedancia de entrada Rin= ∞∞∞∞

No entra corriente a ninguna delas dos entradas del operacional:

21 vv =

v2

vx

v0

R1 R2

vy

R1 R2

v1 i1

i2 0

0

2

1

=

=

i

i

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

D. Pardo, et al. 1999

32María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Ejemplo nº 1: Circuito Amplificador NO INVERSOR

Aplicando las reglas

Podemos plantear

De donde, obtenemos la ganancia: 1

20

R

R

v

v

i

−=

21 vv =0

0

2

1

=

=

i

i vi v0

R1 R2

1

20 1R

R

v

v

i

+=Montar en el Laboratorio

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

Ejemplo nº 2: Circuito Amplificador INVERSOR

Se plantea:

Obtenemos la ganancia:

Si elegimos R1=R2 (es sólo INVERSOR: ganancia = - 1)

vi

v0

R1 R2

Montar en el Laboratorio

2

0

1

0

R

vv

R

v ii −=

2

0

1

00

R

v

R

vi −=

1

20

R

R

v

v

i

−=

D. Pardo, et al. 1999

D. Pardo, et al. 1999

33María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Ejemplo nº 3: Circuito SUMADOR

Podemos plantear:

De donde

La salida es (con signo menos) la suma ponderada de todas las entradas (cada entrada va ponderada por su resistencia)

Si se verifica que

1

20 1R

R

v

v

i

+=

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

v0

RF

v1

R1

v2

R2

vn Rn

Fn

n

R

v

R

v

R

v

R

v 0

2

2

1

1 ... −=+++

RRRR n ==== .....21

0

2

2

1

1 ... vR

v

R

v

R

vR

n

nF =

+++−

RRF =

( )nvvvv +++−= ....210

D. Pardo, et al. 1999

34María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Ejemplo nº 4: Circuito RESTADOR

Podemos plantear:

Como se cumple:

Este circuito es restador de dos señales

21

2

R

v

R

vv ++

=−

v+

v1

v0

R 1 R 2

v2

R 1 R 2

v - i1

i2

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

( )yx vvR

Rv −=

1

20

2

0

1

1

R

vv

R

vv −=

− −−

−+ = vv1

2

2

0

1

1

R

v

R

v

R

v=+

D. Pardo, et al. 1999

35María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Ejemplo nº 5: Circuito con DIODO

Podemos plantear:

De donde

Este circuito nos da en la salida una señal proporcional al logaritmo de la entrada.

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

vi

v0

R iD

1

0

R

vi iR

−=

TV

v

D eIi

00

0

=

TVvi eIR

v /

0

1

0−=T

i VvIR

v/ln 0

0

−=

−=

0

0 lnIR

vVv iT

D. Pardo, et al. 1999

36María Jesús Martín Martínez : [email protected]

vi

v0

C ic

i

R

Ejemplo nº 6: Circuito INTEGRADOR:

Este circuito es idéntico al Amplificador Inversor en el que la resistencia R2 ha sido sustituida por un condensador

Podemos plantear

Teniendo en cuenta que en un condensador la corriente que lo atraviesa y la diferencia de potencial entre sus terminales cumplen:

Obtenemos, para este caso concreto:

Igualando

iR

vi =− 0

CdtvCR

v i +−= ∫1

0

La señal a la salida, a la salida, vvvv0000, es la integral de la entrada , es la integral de la entrada vvvviiii y y ademademáás ests estáá invertida (signo invertida (signo -- ))

Montar en el Laboratorio

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

dt

dvC

dt

dv

dv

dQ

dt

dQi cc

c

c ===

dt

vdCic

)0( 0−=

R

v

dt

vdC i=

− )0( 0

D. Pardo, et al. 1999

37María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Ejemplo nº 7: Circuito DIFERENCIADOR:

Este circuito es idéntico al Amplificador Inversor en el que la resistencia R1 ha sido sustituida por un condensador

Podemos plantear

Igual que en el caso anterior:

Obtenemos, para este caso concreto:

De donde

iR

v=

− 00

dt

dvCRv i−=0

Montar en el Laboratorio

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

dt

dvCi c

c =

dt

vdCi i

c

)0( −=

R

v

dt

vdC i 0)0(

−=−

vi

v0

R ic

C

i

La señal a la salida, a la salida, vvvv0000, es la derivada de la entrada , es la derivada de la entrada vvvviiii y y ademademáás ests estáá invertida (signo invertida (signo -- ))

D. Pardo, et al. 1999

38María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Generadores de funciones:

Fuentes de señal calibrada y estable.

Para transmitir, recibir o procesar información:necesitamos de señales eléctricas de formasy frecuencias prefijadas.

Generadores de señales temporales:

Senoidales: sus parámetros son : Frecuencia Amplitud de oscilación

Rectangulares: adoptan dos valores de tensión diferentes Ondas cuadradas : t1= t2 Impulsos de ondas rectangulares

Triangulares: pueden ser simétricas Simétricas: pendiente ascendente = descendente No simétricas…diente de sierra

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

E. Mandado, et al. 1995

E. Mandado, et al. 1995

E. Mandado, et al. 1995

39María Jesús Martín Martínez : [email protected]

AO se utiliza bajo : REALIMENTACION POSITIVA

Amplificador

A

Entrada

vi v0

Salida

Amplificador

A

Bloque de

realimentación

β

Entrada

vi v vr

v0

Salida

ivAv =0

0

0

vv

vvv

vAv

r

ri

β=

+=

=

ivA

Av

β−=1

0

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

)( 00 vvAv i β+=

D. Pardo, et al. 1999

40María Jesús Martín Martínez : [email protected]

En el amplificador con realimentación positiva se cumple:

Osciladores lineal: circuito electrónico cuya función es producir una onda de salida senoidal sin aplicar excitación de entrada:

Si conseguimos Iguales en módulo Fases diferentes

La ganancia tiende a infinito Podríamos eliminar vS

y la señal de salida se mantendría sin entrada

Únicamente habrá una frecuencia en la que aparecerá una señal donde se cumplen las condiciones anteriores.

Condición de oscilación

ivA

Av

β−=1

0

Amplificador

A

Bloque de

realimentación β

vr v0

Salida

0

0

vv

vAv

r

r

β=

=

1=Aβ

1=Aβ

º0=∠ Aβ

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

Amplificador

A

Bloque de

realimentación

β

Entrada

vi v vr

v0

Salida

D. Pardo, et al. 1999

D. Pardo, et al. 1999

41María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Oscilador de puente de Wien: genera señal senoidal

Un circuito oscilante que utiliza un puente

equilibrado como red de realimentación

Elemento activo Ampl. OperacionalGanancia muy elevada: GV

Resistencia de salida: R0 =0

Resistencia de entrada Ri = ∞

Para encontrar la ganancia del lazo:

Se rompe el lazo de realimentación en el punto 3

Se aplica una tensión externa V’0 entre terminales 3 y 4

A vi v0

Z1

Z2

2

3

1

4

R1

R2

R

R

C

C

iAvv =0 Av

v

v

vA i

'

0

'

0

0 ==β'

0

'

0 v

vv

v

vi−+ −

==β

−+ −= vvvi

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

D. Pardo, et al. 1999

42María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Igualando la fase de Z1 y Z2 (arctg:Im/Re) se obtiene la frecuencia

Para esa frecuencia además se cumple:

A vi

v0

Z1

Z2

2

3

1

4

R1

R2

R

C

R

C

Oscilador de puente de Wien: genera señal senoidal (continuación)

( )−+ −= vvAv0

2

210

Z

ZZvv

+= +

2

210

R

RRvv

+= −

C

jRCZ

ω

ω −=1

( )2222

1

1

CR

RCjRZ

ω

ω

+

−=

)( jRZ −= 11

( )jRZ −= 1

22

32

21

2

21 =+

=+

Z

ZZ

R

RR

21 2RR =

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

ωωωω0=1/RC

D. Pardo, et al. 1999

43María Jesús Martín Martínez : [email protected]

A v i

v0

Z1

Z2

2

3

1

4

R1

R2

R

C

R

C

Oscilador de puente de Wien: genera señal senoidal (continuación II)

Circuito a montar en el laboratorio

Utilizar los siguientes valores

R= 5.6 KΩ

C= 10 nF

R1= 10 KΩ

R2= 5 KΩOscilación 21 2RR =

ω0=2 π f0ωωωω0=1/RC

f0=2842 Hz

Utilizar un potenciómetro o resistencia variable

10 KΩ

10 kΩ

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

D. Pardo, et al. 1999

44María Jesús Martín Martínez : [email protected]

VCC

V

t

-VCC T

Realimentaciónnegativa:el circuito oscila con v0 en

saturación

VCC

V

t

-VCC T

Oscilador de puente de Wien: genera señal senoidal (continuación III)

R2 muy elevada: aumenta v-

R2 muy baja: disminuye v-

Gvi

v0

Z1

Z2

2

3

1

4

R1

R2

R

C

R

C

Realimentación

positiva:

O OSCILA

VCC

V

t

-VCC T

Oscilación R2 =R1/2

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

f0=2842 Hz

D. Pardo, et al. 1999

45María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Circuito generador de onda cuadrada

La realimentación positiva siempresigue a la salida: v+=ββββ v0

En la salida el AO da los valores de saturación: +VCC, -VCC

Si v0=+VCC v+= ββββ VCC

La corriente I tiende a cargar el condensador C

Si v0=-VCC v+= - ββββ VCC

La corriente I tiende a descargar el condensador C

Dependiendo de la carga y descarga del condensador C: la corriente I circula en uno u otro sentido se genera una onda cuadrada

Gvi

v0

R

C R1

R2

I

21

2

RR

R

+=β

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

D. Pardo, et al. 1999

46María Jesús Martín Martínez : [email protected]

VCC

V0

t

-VCC T

ββββVCC

v+

t

-ββββVCC

ββββVCCv-

t

-ββββVCC

Gvi

v0

R

C R1

R2

I

Circuito generador de onda cuadrada (continuación )

+=

1

2212R

RRCT ln

f0=4550 Hz

2

1

21

2 =+

=RR

En el laboratorio

R1=R2=10KΩ

R= 10 K

C= 10 nF El periodo de la oscilación:

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

T=0.22 ms

D. Pardo, et al. 1999

47María Jesús Martín Martínez : [email protected]

Agradecimientos Daniel Pardo Collantes. Departamento de Física Aplicada. Universidad de Salamanca.

Figuras cortesía de: Pardo Collantes, Daniel; Bailón Vega, Luís A., Elementos de Electrónica. Universidad de

Valladolid. Secretariado de Publicaciones e Intercambio Editorial.1999. E. Mandado, P. Mariño y A. Lago, Instrumentación Electrónica. Marcombo. 1995. Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith. Copyright 2004 by Oxford University

Press, Inc.

J. Turner, M. Hill. “Instrumentation for Engineers and Scientists”. Oxford UniversityPress.1999.

http://www.semiconductor-technology.com/projects/philips/images/image_3.jpg http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg http://www.plyojump.com/classes/images/hardware/wafer_dicing.jpg http://www.profesormolina.com.ar/electronica/componentes/int/sist_digit/image020.jpg http://www.nist.gov/public_affairs/images/ChipScaleClock2_HR.jpg Paul, D. J. (1999), Silicon-Germanium Strained Layer Materials in Microelectronics.

Advanced Materials, 11: 191–204

TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES