2010 tema 07 síndrome de malabsorción [modo de compatibilidad]
TEMA-2 [Modo de Compatibilidad]
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TEMA 2
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 1
Amplificación.
Amplificadores Integrados
Amplificadores Operacionales
• INTRODUCCIÓN(guión):– Introducción de la idea de amplificador.
– Tipos de Amplificadores: V, I y P.
– Concepto de Ganancia.
– Modelo básico de un amplificador de tensión.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 2
– Ganancia logarítmica.
– Amplificadores en cascada. Ganancia, etapas de AC y Efectos del desacoplo.
– Rendimiento.
– Amplificadores diferenciales.
Amplificadores Operacionales
• AMPLIFICADORES OPERACIONALES(guión):– Introducción al Op-Amp. Parámetros.
– Amplificador inversor.
– Amplificador No inversor.
– Sumador inversor.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 3
– Sumador inversor.
– Sumador no inversor.
– Consideraciones prácticas: excursión de salida, slew-rate, ancho de banda.
– Consideraciones de diseño: resistores, ancho de banda, características de catálogo.
– Bibliografía.
Amplificadores: conceptos básicos
• Idea que ya poseemos de amplificador:– Amplificador de audio.
EntradaAltavoces
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 4
Amplificador Audio Energía
Amplificadores: conceptos básicos
• Idea que ya poseemos de amplificador: – amplificador de antena.
Antena
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 5Amplificador R.F. Energía
Amplificadores: conceptos básicos
• Un amplificador es un circuito cuadripolo que ante la aplicación en su entrada de una tensión o corriente es capaz de entregar una señal de salida similar a la de entrada, pero de proporciones mayores.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 6
mayores.
• En general, pueden ser amplificadores de tensión, de corriente o de potencia.
× G SalidaEntrada
Amplificadores de Tensión
• Un amplificador de tensión actúa como circuito que entrega la tensión de entrada afectada de una determinada cte. denominada “ganancia”.
Entrada Salida
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 7
• Si G es constante, el amplificador es lineal e independiente de la frecuencia si vi(t) es una señal.
× GVi Vo = G×Vi
Amplificadores de Señal (alterna)• Si el amplificador posee una respuesta lo suficiente-
mente rápida, puede amplificar señales alternasaplica-das a su entrada.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 8
V0(t) = Av•Vi(t)
Amplificadores de Corriente
• Un amplificador de corriente actúa amplificando la corriente que pasa por su entrada de baja impedancia:
EnergíaI in Iout
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 9
I in Iout
Amplificadores de Potencia
• Además de tensión, son capaces de dirigir la carga con suficiente corriente.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 10
Amplificadores de Potencia• Además de tensión, son capaces de dirigir la carga con
suficiente corriente.
12 VRMS
t
12 VRMS
t
Salida: Tensión y corriente = POTENCIA
+Vcc
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 11
t t
Entrada:
generalmente tensión
-Vcc
El modelo del amplificador de tensión
• Como dipolo, es independiente de la tecnología con la que sea construido:
VentradaVsalida
VsalidaV
1.- Amp. a transistores
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 12
VsalidaVentrada
VsalidaVentrada
2.- Amp. a válvulas
3.- Amp. integrado
El modelo del amplificador de tensión
• Posee una impedancia de entrada (idealmente
infinita), una resistencia de salida (idealmente nula) y una fuente de tensión controlada que atiende a los cambios de tensión en la entrada:
A : Ganancia en Ro: Res. de salida
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 13
Avo: Ganancia en circuito abierto
Ri: Res. de entrada
Ganancia• La ganancia especifica la cantidad en que el
amplificador magnifica la señal de entrada:
• a) de Tensión:
• b) de Corriente: i
oV
V
VA =
Entre la salida y entrada del amplificador, con carga.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 14
• b) de Corriente:
• c) de Potencia:
LiVIL
iV
ii
Lo
i
oI RRsiAA
R
RA
RV
RV
I
IA ==⇒⋅=== ,
//
( )L
iVIV
ii
Oo
i
o
R
RAAA
IV
IV
P
PG ⋅=⋅=
⋅⋅== 2
Ejemplos.- R.F.: 50Ω, Telf.: 600Ω
EJEMPLO (ejemplo1.1 Hambley, pag.22)
• Calcular la ganancia en tensión, de corriente y de potencia del circuito de la figura:
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 15
1MΩΩΩΩ 2MΩΩΩΩ 2ΩΩΩΩ 8ΩΩΩΩ
1mVRMS104·Vi
Guía de Solución ejemplo anterior:
• Pasos a seguir:– Determinar Vi para concluir en Vo.
– Observar que Vi está afectada por el divisor de tensiónformado por Ri y Rs.
– También, la salida de la fuente controlada se
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 16
– También, la salida de la fuente controlada se merma por el divisor RL y Ro y Vo es menor.
– Conocida AV, calcular AI y G por las expresiones anteriores.
Amplificadores en Cascada
• En una cadena de amplificación, la ganancia total es el producto de las ganancias individuales (si no hay divisores de tensión importantes entre etapas).
AAA ⋅=
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 17
21 VVV AAA ⋅=
Ejemplo:Amplificadores en Cascada.
• Calcular las ganancia de tensión, corriente y potencia de cada una de las etapas y de la conexión en cascada de ambas.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 18
Guía de Solución ejemplo anterior:
• Observar que la segunda etapa amplificadora actúa como “carga” de la primera, por lo que el efecto divisor de tensión es entre Ro1 y la Ri2.
• Calcular las ganancias individuales en bucle
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 19
• Calcular las ganancias individuales en bucle cerrado y a partir de estas, las de corriente y potencia en cada caso por las expresiones ya conocidas.
Notación de la ganancia en Decibelios
• Para expresar magnitudes grandes o de respuesta en frecuencia es preferible utilizar unidades expresadas logarítmicamente.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 20
• Para la ganancia en potencia se utiliza el Belio y su submúltiplo “DECIBELIO”(dB) :
Pi
PoGdB log10⋅=
Notación de la ganancia en Decibelios
• En el caso de la tensión, dada la relación P=V2/R, es:
ii
oodB
RV
RV
Pi
PoG
//
log10log10 2
2
⋅=⋅=
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 21
• y si Ro ≈Ri se llega a:
ii RVPi /
i
o
i
o
i
odB
V
V
V
V
V
VG log20log10log10
2
2
2
⋅=
⋅=⋅=
EJEMPLO: Notación en Decibelios
• Un regulador de tensión rechaza 100 Hz de rizado con 60dB. ¿Cual es la atenuación en una escala lineal?.
dBV
Go
dB 60log20 =⋅=
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 22
• Luego la relación de rechazo es:
dBV
Gi
dB 60log20 =⋅=
( ) 000.11020
60log 31 ==
= −
i
o
V
V
Amplificadores en Cascada de Corriente Alterna
• Para limitar el paso de corriente continua, es necesario el “desacoplo” en alterna mediante la adición de un condensador:
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 23
Condensador desacoplo
Ci
Impedan-cia de entrada
Amplificadores en Cascada de Corriente Alterna
• La adición de capacidades en serie junto con las impedancias de entrada de cada etapa generarán estructuras de tipo “paso alto” y limitarán el ancho de banda del amplificador.
G(f)
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 24
f
G(f)RC diferenciador
Ri RiC1 C2 C2
Amplificadores en Cascada de Corriente Alterna
• Cálculo de la frecuencia de corte diferenciador:
bandafrecuenciaimoCR
fc __min2
1 ≤⋅⋅⋅
=π
G(f)Mínimo Banda de paso
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 25
Donde Ri representa la impedancia de entrada de la etapa amplificadora, -o de la carga en su caso-, y C, el condensador a AÑADIR para implementar el DESACOPLO en AC. “fc” debe se tal que limite por la zona inferior la banda de paso deseada del amplificador.
fRC diferenciador
fc
Fuentes de Alimentación y Rendimiento
• La energía que se disipa en la carga debe obtenerse de la fuente de alimentación.
• Sin embargo, parte de la energía se disipa dentro del amplificador en forma de calor en los semiconductores de salida y en polarizaciones de
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 26
semiconductores de salida y en polarizaciones de los transistores para fijarlos en su punto de trabajo.
• Aparece así un concepto de RENDIMIENTO:
disipadaac
ac
fuente
ac
PP
P
P
P
+==
arg
argargη
Fuentes de Alimentación y Rendimiento
• Distribución de corrientes:+Vcc
CALOR
- El rendimiento típico suele estar entre el 80% y 95%.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 27
t
t
Polarizaciones:-Vcc
Fuentes de Alimentación y Rendimiento
t
t
CALOREtapa con refrigeración forzada por ventilador
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 28
Etapas con refrigeración pasiva por convección.
Amplificadores Operacionales• Internamente puede contener un diseño basado en
una veintena de transistores de distintas tecnologías.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 29
LM3140
Amplificadores Operacionales• Se comercializa integrado en formato de 1, 2 o
4 amplificadores dentro de un mismo chip.
LM3140
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 30
Características de la serie TL7xx.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 31
Amplificadores Operacionales
• Amplificador operacional ideal:– Ganancia bucle abierto, K → ∞– Ganancia Modo Común, K’ → 0– Ancho de Banda, BW → ∞– Ri → ∞ Ω
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 32
– Ri → ∞ Ω– Ro → 0 Ω
ViVo
RiRo
K@Vi
Amplificador Inversor
• La señal entra a través de R1 por el terminal Inversor. La salida está desfasada 180º.
VRMS
t
VRMS
t
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 33
Análisis del Amplificador Inversor
• Masa Virtual: Ri es tan grande que la corriente que lo atraviesa es casi nula, y por tanto, la caída nula también:
V = -i · R
Siendo i1 ≡ i2
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 34
MASA VIRTUAL
V0 = -i2 · R2
Conclusión para el Amplificador Inversor
• Se concluye:– 1.- Impedancia de entrada: Ri
– 2.- Impedancia de salida: << R0 (prácticamente nula).
– 3.- Ganancia: G = - R2 / R1,• donde “-” significa que “invierte la fase”.
– 4.- Puede Amplificar y Atenuar, según la relación R/ R .
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 35
– 4.- Puede Amplificar y Atenuar, según la relación R2 / R1.
MASA VIRTUAL
1
2
R
RAvG
−==
1RZi ≡Ω↓≈≈ 0RoZo
AoBPCH GRR
Rf
+=
21
1
Conclusión para el Amplificador Inversor
• Ancho de Banda del operacional (ejemplo TL081):
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 36
4MHz
Conclusión para el Amplificador Inversor
• Producto Ancho de Banda Unidad (BPw):– Máximo de la banda de paso cuando la ganancia YA ES
“G = 1” (es decir, 0dB)
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 37
AoBPCH GRR
Rf
+=
21
1Para el montaje, depende de la ganancia que se pretende obtener de la etapa.
EJEMPLO: Diseño basado en Amplificador Inversor
• Diseñar un amplificador inversor de alterna para un micrófono de impedancia de salida 600Ω y que obtenga una de ganancia 30 dB.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 38
obtenga una de ganancia 30 dB.• (Op-Amp con producto ancho de banda –unidad 3 MHz)
VoVi
R3
R2
R1
21
213
RR
RRR
+×=
Nota:
R3 compensa Ibias, siendo:
EJEMPLO: Diseño basado en Amplificador Inversor
• Datos para la solución:
• 1.- Si es para un micro de 600Ω, la adaptación de impedancias exige que Zi= 600Ω, es decir, R1= 600Ω.
• 2.- Recordemos que:
– luego G = V/V = inv log (30 / 20 ) = 31,62 ⇒ Av = R / R = 31,62.
dBV
VG
i
odB 30log20 =⋅=
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 39
– luego G = Vo/V i= inv log (30 / 20 ) = 31,62 ⇒ Av = R2 / R1 = 31,62.
• 3.- Si es en alterna, se exige un condensador de desacoplo a la entrada del montaje inversor.
1
2
R
RAvG ==
RiZi ≡R3
EJEMPLO: Diseño basado en Amplificador Inversor
• Datos para la solución:• 4.- Siendo R1= 600Ω, debe ser enonces R2 = 18.972 Ω• 5.- Valores comerciales en serie R2= 18KΩ + 820 Ω + 150 Ω.
o bien 3 resistores de 56 KΩ (18667 Ω) en paralelo • 6.- Ancho de banda (para BPw=3MHz) de :• fCH= (600/(600+18972))*3MHz = 92KHz.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 40
• fCH= (600/(600+18972))*3MHz = 92KHz.
AoBPCH GRR
Rf
+=
21
1
Ω≈ 0Zo R3
EJEMPLO: Diseño basado en Amplificador Inversor
• Datos para la solución:• 7.- Cálculo de R3
R3
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 41
I-
I+
EJEMPLO: Diseño basado en Amplificador Inversor
• Datos para la solución:
• 8.- R3 = (600 * 18972)/(600+18972) = 581 Ω(comercial, 560 Ω aproximadamente).
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 42
R3
21
213
RR
RRR
+×=
Amplificador Inversor de alta ganancia
• Como G=-R2/R1, para conseguir gran ganancia hay que elegir R2 bastante grande, lo que puede conllevar inestabilidad.
• Una solución es la topología de la figura:
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 43
topología de la figura:
++−=3
2
1
4
1
4
1
2
R
R
R
R
R
R
R
RAv
Amplificador No Inversor
• La señal entra ahora por el terminal no Inversor del operacional. La salida está en fase con la entrada.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 44
VRMS
tVRMS
t
Análisis del Amplificador No Inversor
• Aplicando el concepto de masa virtual, vi≈0V, por lo que V1 ≈ V in. También, i1 ≈ 0A.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 45
Cortocircuito Virtual:
v1 ≈≈≈≈ vinoV
RR
RV ⋅
+=
21
11
Divisor:
Conclusión del Amplificador No Inversor
• Se concluye:– 1.- Impedancia de entrada: muy alta (infinita en caso ideal).
– 2.- Impedancia de salida: << R0 (casi nula).
– 3.- Ganancia: G = 1 + ( R2 / R1 ),
– 4.- No puede Atenuar (G ≥ 1 por la relación 1 + R2 / R1).
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 46
1
21
R
RAvG +==
Ω↓≈≈ 0RoZo
AoBPCH GRR
Rf
+=
21
1
Recomendación para el Amplificador No Inversor
• Dado que en la topología No Inversora, Zi ≈ ∞, en el caso de desacoplar con un condensador, Ci, el tiempo de carga (ι = R⋅C) sería también infinito.
• La solución es colocar una resistencia adicional Re, que
R2
Vi
R1
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 47
adicional Re, que impone un valor finitode impedancia de entrada.
Vi
Vo
Re
Vi
Ci
ndacuencia_baminimo_freRe2
1 ≤⋅⋅⋅
=Ci
fc π
Límite para el Amplificador No Inversor
• Como la ganancia del montaje No Inversor es:
1
21
R
RAvG +==
• en el límite cuando R2→0 (corto) y R1→ ∞ (abierto) se llega a la topología de Vo
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 48
se llega a la topología de “buffer”: amplificador ganancia unidad, alta impedancia de entrada (∞o fijada por Re) y casi nula de salida. Es un adaptador de impedancias.
ViVo
Re
“Buffer” ( G = 1 )
Amplificador No Inversor alta ganancia
• La propiedad G = 1 + R2 / R1 exige grandes valores óhmicos de R2 para obtener ganancias elevadas. Ello puede llevar al circuito a inestabilidad.
• La figura presenta una solución donde
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 49
una solución donde se eleva la ganancia por la red de R1 y R2. Ahora es:
2
1
2
1
231
+⋅+=R
R
R
RG
Amplificador Sumador Inversor
• Si se analiza el circuito de la figura mediante la técnica de “superposición” y “ masa virtual”se llega a que la salida es:
+−=⋅−⋅−=B
B
A
Af
B
fB
A
fAo
R
v
R
vR
R
Rv
R
Rvv
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 50
BABA RRRR
Amplificador Sumador Inversor
• Las propiedades son: – Impedancia entrada RA para Va , y RB para Vb.
– Impedancia de salida aproximadamente Ro.
• Aplicaciones:
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 51
– Mezclador de audio,
– Composición de señales.
– Off-set.
Amplificador Sumador No Inversor
• Igualmente, la topología de la figura consigue sumar señales sin invertirlas.
R2
RrRe• Igualmente, mediante superposición y
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 52
R2
R1
V2
R3
V1 Vo
⋅+
+⋅+
⋅
+= 221
11
212
Re1 V
RR
RV
RR
RRrVo
superposición y para R3 >> R1 y R2
, puede aproximarse a:
Consideraciones Prácticas
• Alimentación del operacional y excursión de salida. +Vcc
Vo = G * Vi
Vo = G * Vi ; Vo
Caída Colector-Emisor: (VCEsat)
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 53
VRMS
t
Entrada:
generalmente tensión -Vcc
Vo = G * Vi ; Vo ≤ Vcc - VCE
Consideraciones Prácticas
• Ejemplo: el LM358
Caída Colector-Emisor:
(VCEsat)
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 54
Consideraciones Prácticas
• Ejemplo: LM358 y del LM741.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 55
Consideraciones Prácticas
• Producto Ancho de Banda x Ganancia:– La ganancia del operacional es casi infinita, pero
con un ancho de banda “Muy Limitado”.
• Para obtener mayor
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 56
• Para obtener mayor ancho de banda hay que limitar la ganancia.
• Para una G particular, puede ser necesario una cascada de amplificadores.
BW•G = 1
Consideraciones Prácticas• Ejemplo, el uA741:
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 57
Consideraciones Prácticas
• Velocidad de Subida(Slew-Rate) (V/ µ s )
+Vcc
Capacidades Parásitas
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 58-Vcc
Consideraciones Prácticas
• Velocidad de Subida(Slew-Rate)
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 59
del uA741
Consideraciones Prácticas• Velocidad de Subida(Slew-Rate)
50m
V/d
iv
5V/d
iv
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 60
del LF356
50m
V/d
iv
5V/d
iv
Consideraciones Prácticas
• Cancelación de los efectos de la corriente de polarización(Ibias).:– Se recomienda colocar R = R2 // R1.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 61
Consideraciones de Diseño• Valores resistivos, impedancia de entrada,
corriente de salida.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 62
Consideraciones de Diseño
• Ancho de banda y ganancia. Slew-rate.• Compensación de capacidades parásitas para
alta velocidad.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 63
Consideraciones de Diseño
• Tensión de alimentación.
• Nº de operacionales por encapsulado.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 64TLV2241 de Texas
Bibliografía• A. R. Hambley, “ Electrónica “, 2ª Ed., Prentice Hall, 2.001.
• Norbert R. Malik, “ Circuitos Electrónicos: Análisis, Simulación y Diseño “, Prentice Hall, 1.996.
• J.M. Jacob, “Applications and Design with Analog Integrated Circuits “, 2nd Ed., Prentice Hall, 1.993.
J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 65
• Boylestad Nashelsky, “ Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos “, 8ª ed., Pearson, Prentice-Hall, 2.003.
• E. Malvino, “ Principios de Electrónica “, 5ª Ed., McGraw-Hill, 1.993.