Tema 2. Amplificadores Operacionales - Academia Madrid ... · Disparador Schmitt (Schmitt Trigger)....

Electrónica, 2007 Joaquín Vaquero López 1

Tema 2.

Amplificadores Operacionales

Joaquín Vaquero López


Amplificadores Operacionales (AO): Índice

2.1) Introducción a los AO

2.2) Modelo simplificado. Modelo Ideal

2.3) Circuitos Lineales con AO

2.4.1) Amplificador No Inversor

2.4.2) Amplificador Inversor

2.4.3) Seguidor de tensión

2.4.4) Amplificador diferencial

2.4.5) Integrador

2.4.6) Diferenciador

2.5) Circuitos No Lineales: Comparador y Disparador Schimtt

2.6) AO No Ideal.

Apéndice. Realimentación Negativa.


Introducción a los Amplificadores Operacionales

Es un Circuito Electrónico Integrado (CI)

Es un componente no lineal, aunque se puede utilizar en aplicaciones lineales.

Es un componente de ganancia muy alta.

Numerosas aplicaciones en electrónica analógica (amplificación, filtrado

analógico, acoplamiento, rectificación, detección de umbrales y conmutación digital.

-Vcc

Ao(V+-V-)

+Vcc


vpos

rsvs

v+ (no inversora)

vneg

re

v- (inversora)

Entradas Salida

Modelo Simplificado del Amplificador Operacional

Símbolo del AO:

)(0 vvAVs

Ganancia interna del AO

vs

v+

v-

+vcc

-vcc

Modelo simplificado:

¡¡Todas las tensiones referidas

a una tierra común!!

100

610

610410 0

Sre

r

A

Valores típicos:


El AO es un dispositivo electrónico con dos entradas a las cuales se conectan una señal

llamada fuente (source) y produce una señal de salida proporcional, ganancia (gain),

a la señal de entrada. Esta señal de salida se conecta normalmente a otro circuito o

elemento, llamado carga (load).

rs

re V0=A0·(v+-v-)

Amplificador

rg

Vg RC

Generador Carga

Ve

v+

v-

Vs

Cs

C

ge

e

g

s

Rr

RA

rr

r

V

V

·· 0 0A

V

V

g

s idealmente

Modelo Simplificado del Amplificador Operacional


Los límites para la saturación de la salida son

las tensions de alimentación (Vpos y Vneg)

Ganancia muy alta A0

re muy alta

rs muy baja

Zona Lineal

(pendiente A0)

v+-v-

vs

Vneg

Vpos

Saturación positiva

Saturación negativa

v+

v- vs=Ao (v+-v-)

i+=0

I-=0

Modelo Ideal del Amplificador Operacional

negVvvAnegVov

posVvvAposVov

posVvvAnegVvvAoV

)(

)(

)()(

0

0

00

si

si

si

vvA

vvv ;

0

0)(

0vvs

0 ii


Consideraciones de partida:

1) El Amplificador Operacional (AO) es ideal

2) El OA trabaja en lazo cerrado (realimentaión negativa)

3) Se verá que las carácterísticas en lazo cerrado dependen de los componentes

externos del circuito en el que se encuentra el AO.

4) La precisión del circuito no depende tanto de la calidad de lo componentes sino de

su relación entre ellos (p.e. la deriva de temperatura)

Los circuitos lineales con AO son independientes de la

ganancia interna del AO (A0), de re y de rs

Circuitos Lineales con Amplificadores Operacionales

);0;( 0vviivv s


Amplificador no inversor

2

120

1;

R

RR

v

vA

e

s

R1

R2

vsve +

-

i+=0

i-=0

Función de transferencia (modelo simplificado)

Impedancia de entrada

e

ee

i

vR

¡¡Corriente de entrada 0!!, la salida no carga la entrada

21

200 );()·(

RR

RvvAvvAv ses

·

11

11

0A

v

v

e

s

Función de transferencia (modelo ideal)



Seguidor de tensión (o de emisor)

1e

s

v

vve

vs+

-

i+=0

i-=0

Función de transferencia:

21 0 RR ycon inversora No

Impedancia de entrada:

No es un amplificador, es un desacoplador de

impedancias.


¡¡Corriente de entrada 0!!, la salida no carga la entrada

e

ee

i

vR


Amplificador Inversor

1

2

R

R

v

v

e

s

1Ri

vR

e

ee

La corriente de entrada depende de R1,

La salida puede cargar la entrada.

R2

R1

i1

i1

Vin

Vout

-

+

(Para formas de onda senoidales, produce

una inversión de fase o un desfase de 180º)

El concepto de “Cortocircuito virtual”

simplifica el análisis


Función de transferencia (modelo ideal)

Impedancia de entrada:


n

nrs

R

v

R

v

R

vRv ...

2

2

1

1

Función de transferencia

Amplificador sumador

v1

Rr

vs-

+

R1i1

ir

v2R2

vn Rn

i2

in

.

.

.

Amplificador restador

12

1

2

3

4

1

2 ; vvR

Rv

R

R

R

Rs Si

R3

vs

v2

+

-

v1R2R1

R4

Utilizado en mezcla de audio

1

1

22

43

4

1

21 vR

Rv

RR

R

R

Rvs

Puente equilbrado Amplificador de instrumentación


Función de transferencia


Integrador

01

ses vdtvRC

v

Diferenciador

dt

dvRCv e

s

R

vs-

+ve

C

RCjv

v

e

s

1

vs-

+

R

ve

C

CRjv

v

e

s

Usado en generadores de funciones, filtros activos,

CAD y control analógico


Función de transferencia Función de transferencia


• Un AO sin realimentación se satura circuitos no lineales

• El AO trabaja en la zona no lineal excepto en las transiciones de Vpos a Vneg

• Los circuitos no lineales tienen muchas aplicaciones en procesamiento de señal.

posse VVv 0Ve

Vout-

+

Vpos

Vneg

Circuitos No Lineales con AO

negse VVv 0


Comparador en Lazo Abierto y Detector de Polaridad

Si ve > vr (ve- vr) > 0 vs = Vpos

Si ve < vr (ve- vr) < 0 vs = Vneg


vs

+

_ve

vr

Tensión a la

salida

Tensión a la

entradaVr

Vst

t

Ve

Vpos

Vneg


Fluctuaciones de la salida (sin histéresis)

Disparador Schmitt (Schmitt Trigger). Realimentación positiva

Tensión a la

salida

Tensión a la

entrada

Vr

Vst

t

Ve

Vpos

Vneg



vs-

+

R2

R1

veVs

Ve

Función de transferencia con histéresis

21

1

RR

RVneg

21

1

RR

RVpos

posV

negV


21

1

RR

RVpos


21

1

21

1

21

1

·0)( Si

0)(·

Si

·

RR

RVvVvvvvv

VvvvRR

RVvVv

RR

Rvv

neg

negse

poss

pos

poss

s

Vs conmuta a Vpos si Ve se hace más negativa que v+, por tanto si

Disparador Schmitt (Realimentación positiva)

Para Ve = 0 Vs puede ser Vpos o Vneg:


21

1·

RR

RVV

neg

e


Sin fluctuaciones de la salida (con histéresis)


Ve

Vs

Vpos

Vneg

21

1

RR

RVneg

21

1

RR

RVpos


El AO real tiene no idelidades A0 finita

re finita

rs no nula

1) Saturación de la tensión de salida

2) Desviación (Offset) de la

tensión de entrada Tensiones de Offset

3) Desviación (Offset) de la

tensión de salida

4) Corriente de polarización de entrada (Bias Current)

5) Corriente de salida limitada

Vsat pos< Vpos

Vsat neg> Vneg

Vs = A0 (ve-v10)

Vs(0) = -A0v10

Ipol = (I++ I-)/2vneg

(v+-v-)

vs

v10

vpos

actual

Amplificador Operacional No Ideal


0

00

1

)(

j

AjA 0 es la frecuencia de corte, que es la

frecuencia a la cual el módulo de A0 ha caído

hasta un70%

log (A0)

log 0

6) Respuesta en frecuencia del AO: Ancho de banda (Bandwith) finito

Amplificador Operacional No Ideal


Sistema en Lazo Abierto (sin realimentación):

Ganancia en Lazo Abierto (A)

AVe

Vs

es vAv ·

Apéndice. Realimentación Negativa


Sistema en Lazo Cerrado (con realimentación):

Af = Ganancia en Lazo Cerrado

= Realimentación (>0, realimentación negativa, <0 realimentación positiva)

Ver= Señal de error

A

A

A

AA

vA

Av

f

f

es

11

11

1

1AVe

Vs

Σ

Vo

Ver = Ve - Vs

+

-



Sistema en Lazo Cerrado (con realimentación):

A·β = Ganancia de Lazo

1/β = Ganancia Ideal en Lazo Cerrado (error de ganancia)

1+1/(A·β) = Término de error

Posibles escenarios: Dependen de la realimentación:

1- > 0 Realimentación negativa, Af < A, sistema más estable.

Caso más inteesante: ·Vs restado de Ve.

2- < 0 Realimentación positiva, Af > A, pero sistema inestable.

3- A· = -1 Af , máxima inestabilidad



Justificación de la relimentación negativa (Insensibilidad a la Ganancia)

Una perturbación que cause un cambio en A (A) en el sistema en Lazo

Abierto ¿Qué cambio produce en Af ( Af) en el sistema en Lazo Cerrado?:

A

A

A

AA

A

AA

AA

AA

A

A

A

A f

ff

ff

)1()1()1(

1

)1(

)1(222

Por tanto:

A

A

AA

A

f

f

)1(

1

Si < 0, Af > A Sistema más inestable

Si > 0, Af < A Sistema más estable



Justificación de la relimentación negativa

Usando un AO ideal: A >> 1:

1

1

1

)1( 1

fAff A

A

AA

AA

La amplificación en Lazo Cerrado Af sólo depende del circuito externo () y es

independiente de las propiedades internas del AO (A0, re, rs....), como ya sabíamos.


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