Amplificadores Operacionales
Corrimientos
El desplazamiento de la tensión continua de salida obedece a lapresencia de corriente de polarización en los terminales deentrada, influyendo tanto su magnitud como su diferencia, ytambién al desbalance de las tensiones internas de polarización dela primera etapa del amplificador. Ambos fenómenos se deben alas asimetrías en los dispositivos activos y componentes pasivos delamplificador.
Esquema interno típico de un amplificador
VO
+
−
VCC
VSSÉste esquema con tecnología bipolar es solo un ejemplo, podría también construirse con FET, MOSFET o tecnología híbrida
LM741 SNOSC25C –MAY 1998–REVISED MARCH 2013 www.ti.com
Absolute Maximum RatingsLM741A LM741 LM741C
Supply Voltage ±22V ±22V ±18VPower Dissipation 500 mW 500 mW 500 mWDifferential Input Voltage ±30V ±30V ±30VInput Voltage ±15V ±15V ±15VOutput Short Circuit Duration Continuous Continuous ContinuousOperating Temperature Range −55°C to +125°C −55°C to +125°C 0°C to +70°CStorage Temperature Range −65°C to +150°C −65°C to +150°C −65°C to +150°CJunction Temperature 150°C 150°C 100°CESD Tolerance 400V 400V 400V
Parameter Test Conditions LM741A LM741 LM741C UnitsMin Typ Max Min Typ Max Min Typ Max
Input Offset Voltage TA = 25°C RS ≤ 10 kΩ RS ≤ 50Ω
0.8 3.0 1.0 5.0 2.0 6.0 mV
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
RS ≤ 50Ω
RS ≤ 10 kΩ
4.0 6.0 7.5 mV
Average Input OffsetVoltage Drift
15 μV/°C
Input OffsetVoltage AdjustmentRange
TA = 25°C, VS = ±20V ±10 ±15 ±15 mV
Input Offset Current TA = 25°C 3.0 30 20 200 20 200 nATAMIN ≤ TA ≤ TAMAX 70 85 500 300
Average InputOffset Current Drift
0.5 nA/°C
Input Bias Current TA = 25°C 30 80 80 500 80 500 nATAMIN ≤ TA ≤ TAMAX 0.210 1.5 0.8 μA
Input Resistance TA = 25°C, VS = ±20V 1.0 6.0 0.3 2.0 0.3 2.0 MΩTAMIN ≤ TA ≤ TAMAX, VS = ±20V 0.5
Input Voltage Range TA = 25°C ±12 ±13 VTAMIN ≤ TA ≤ TAMAX ±12 ±13
Large Signal Voltage Gain TA = 25°C, RL ≥ 2 kΩ VS = ±20V, VO = ±15V VS = ±15V, VO = ±10V
50 50 200 20 200 V/mV
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX, RL ≥ 2 kΩ,VS = ±20V, VO = ±15VVS = ±15V, VO = ±10VVS = ±5V, VO = ±2V
32
10
25 15 V/mV
Electrical Characteristics
Unless otherwise specified, these specifications apply for VS = ±15V, −55°C ≤ TA ≤ +125°C(LM741/LM741A). For the LM741C/LM741E, these specifications are limited to 0°C ≤ TA ≤ +70°C.
IB
IOS
VOS
Parameter Test Conditions LM741A LM741 LM741C UnitsMin Typ Max Min Typ Max Min Typ Max
Output Voltage Swing VS = ±20V RL ≥ 10 kΩ
RL ≥ 2 kΩ
±16±15
V
VS = ±15V RL ≥ 10 kΩ
RL ≥ 2 kΩ
±12±10
±14±13
±12±10
±14±13
V
Output Short Circuit Current
TA = 25°CTAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
1010
25 3540
25 25 mA
Common-Mode Rejection Ratio
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
RS ≤ 10 kΩ, VCM = ±12VRS ≤ 50Ω, VCM = ±12V
80 95 70 90 70 90 dB
Supply Voltage Rejection Ratio
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX, VS
= ±20V to VS = ±5V RS
≤ 50Ω
RS ≤ 10 kΩ
86 96 77 96 77 96 dB
Transient Response Rise Time Overshoot
TA = 25°C, Unity Gain 0.256.0
0.820
0.35
0.35
μs%
Bandwidth (2) TA = 25°C 0.437 1.5 MHzSlew Rate TA = 25°C, Unity Gain 0.3 0.7 0.5 0.5 V/μsSupply Current TA = 25°C 1.7 2.8 1.7 2.8 mAPower Consumption TA = 25°C
VS = ±20VVS = ±15V
80 150 50 85 50 85 mW
Electrical Characteristics (continued)
Offset Nulling Circuit
Tensión de salida ideal versus real
IDEAL REAL
VC VC
VO VO
VO VO
Vid Vid
aDIF
aCOM
Corrientes de polarización• El amplificador real requiere corrientes de
polarización en los terminales de entrada
• El signo de IB1 e IB2 dependerá de la tecnología interna del amplificador
IB2IB1
−
+
VO
Modelo de generadores de corriente
• Se define IB como el promedio de las corrientes de polarización de entrada:
• Y la corriente offset de entrada como:
• Notar que el signo de IOS es arbitrario debido a la dispersión de los dispositivos electrónicos
221 BB
BIII +
=
21 BBOS III −=
• Operando con las definiciones, se llega a:
• Redefinimos los generadores de corriente:
IBIB
2IOS
−
+
VO
2III OS
BB2 −=2
III OSBB1 +=
Ejemplo 1:Calcular el corrimiento de la tensión de salida
0IOS =μA1IB =
Solución:(solo en continua)
BI
1V1MΩA1μRIV 1BO =•==
0aVVVCCVVSS
V
OidO ≅=⇒<< ˆ
( )21B21
2O //RRI
RRRV0 −+
=
Ejemplo 2: Compensación del corrimiento
3 1 2R = R / / R 3 1R = R
1K 1K10K10K
909 10K
O OS 1VG=0V = I R
IB1
IB2
IB1
IB2
O OSVG=0Solo será V =0 si I = 0
Tensión offset a la entrada• En un amplificador real ocurre un corrimiento
de la tensión de salida incluso cortocicuitandolos terminales de entrada entre sí.
−
+
00≠=idVOV
0=idV aV
−
+VOS
+−
0== OSid VVOV
a
VV idVO
OS0=
=
Se corrige el corrimiento aplicando a la entrada una tensión continua
Se comprueba que esa tensión resulta:
La llamamos “Tensión de offset a la entrada” (offset=corrimiento)
aV
aV
−
+VOS
+−
Se modeliza el amplificador operacional real como un amplificador ideal más un generador de tensión:
+
−
Nota: en ésta representación no se consideraron las corrientes de polarización
• VOS se considera aplicada a la entrada positiva• Y las corrientes de polarización se han considerado nulas • Resulta:
• Si es:
Ejemplo 1:
−VOS
+
VO
Ri
avVid
rO
R2
Vid
−
+
R1
VG
012
1 =
+= GOSO Vpara
RRVV
1VVresultará99/RRy10mVV OOS === 21
• VOS se considera aplicada a la entrada positiva• Y las corrientes de polarización se han considerado nulas • Resulta:• Si es:
Ejemplo 2:
−VOS
+
VO
Ri
avVid
rO
R2
Vid
−
+
R1
VG
0== GOSO VparaVV10mVVresultará10mVV OOS ==
C
Modelo del amplificador operacional real
VOS
+
VO
+−
IOS/2IB
IB
−
V+
V−
Pautas para el diseño del amplificador
• Fundamentalmente deben estar apareados los transistores del par diferencial de entrada.Deben igualarse β y Vbe en los TBJ a la vez que elegirlos con alto β.En los FET o MOSFET deben igualarse VGS e IDSS .
• La carga del par diferencial, sea activa o pasiva, también debe diseñarse lo más simétrica posible.
Ejemplo 3:Calcular VO en t=5s
Considerar VC = 0 en t = 0
−
+VO
C=1µFR=10KΩ
VC
741
SIMULACIÓN
Solución:
VOS
−
+VO
RirO
C
Vid
−
+
R
VOS
+
IC
−
IOS/2
IB IB
La corriente en C se calcula como:
Y la tensión de salida resulta:
RVIII OSOS
BC ++=2
tR
VIIC
VV OSOSBOSO
+++=
21
avVid
VC
t
Ejercicio:En un Circuito integrado cuádruple se utilizan solo tres AO, ¿cuál es la manera correcta de conectar el que no se utiliza?, ¿será alguna de las siguientes?
VCC
VSS
VCC
VSSVO VO VO VO
VOVOVO
VOVO VO
Medición de los parámetros de corrimiento
• Éste circuito sencillo permite obtener todos los parámetros de corrimiento de un amplificador operacional (por medición con un simple multímetro).
Reproducido del libro “Circuitos Electrónicos” de Rashid
Paso 1. Ensamblar el circuito. Los valores sugeridos de los componentes y laalimentación son: VCC = VEE = 15 V, C = 0,01 µF, R1 = RF = 100 KΩ a 1MΩ.
Paso 2. Cerrar los interruptores S1 y S2 . Medir el voltaje de salida VO . El circuito seconvierte en un seguidor de voltaje. Esto es, VOS = VO .
Paso 3. Abrir el interruptor S1 y cerrar el S2 . Medir el voltaje de salida VO . Usar elvalor de VOS obtenido en el paso 2 para hallar la corriente de polarización IB2 .
Paso 4. Cerrar el interruptor S1 y abrir el S2 . Medir el voltaje de salida VO . El voltajeen la terminal (+) es VO – VOS . Usar el valor de VOS obtenido en el paso 2 para calcularla corriente de polarización IB1 .
Paso 5. Abrir los dos interruptores S1 y S2. Medir el voltaje de salida VO . Usar el valorde VOS obtenido en el paso 2 para calcular la corriente de offset de entrada IOS .
También con los datos de los pasos 3 y 4.
F
OSOB2 R
VVI −=−
1
OSOB1 R
VVI −=
)( F1
OSOOS RoR
VVI −=
B2B1OS III −=
Repr
oduc
ido
del l
ibro
“Ci
rcui
tos E
lect
róni
cos”
de
Rash
id
Ejemplo 1Compensación del corrimiento de la Tensión de salida
Compensa VOS
Ejemplo 2
3OSOS0VO RIVVG
+==
Compensación del corrimiento de la Tensión de salida
La ganancia de tensión en continua es “1”, la mínima posible
Ejemplo 3Ajuste manual del corrimiento
Notar que se ha eliminado el capacitor del realimentador, por lo que resulta efectivo desde continua
Compensación del corrimiento de la Tensión de salida
Ejemplo 4
DC ServoAuto ajuste del corrimiento
Compensación del corrimiento de la Tensión de salida
Amplificadores de instrumentación
Un amplificador de instrumentación es un tipo particular de amplificador diferencial que fueprovisto de buffers de entrada, eliminando la necesidad de equiparar impedancias, lo cual lohace un amplificador adecuado para mediciones y testeo de equipos. Posee comocaracterísticas adicionales tener muy bajo offset de DC, baja variación de sus parámetroscon la temperatura, bajo ruido, muy alta ganancia a lazo abierto, muy alta relación derechazo de modo común, y muy altas impedancias de entrada. Los amplificadores deinstrumentación son utilizados en aplicaciones en las que se requiere gran precisión yestabilidad a corto y largo plazo.
Solución al problema de transmisión de señales a distancia
VMIC
V1 = VMIC V1+VR
V2+VR
R R
R R
R R
V2 = −VMIC
V1+VR − (V2+VR) = V1 − V2 = 2VMIC
Cables largos (varios metros)
DIAGRAMA ESQUEMÁTICO Y PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTOSe puede dividir el esquemático en dos etapas. La primera formada por un buffer con ganancia y la segunda es un circuito restador.
vo
Ejercicio 1Calcular la impedancia que ve V1 para V2=0 y V3=0
Etapa 1: Buffer de entrada
Si aquí definimos que las resistencias R1 son iguales obtenemos el valor final:
Si definimos Vod = Va - Vb yVid = V1 - V2 el valor de Avd1:
Ganancia Modo Común
Se puede ver que si se aplica la mismatensión a ambos terminales de entrada, elresistor RG estará a una diferencia depotencial cero. Luego no puede circularcorriente por él, generando que no puedahaber corrientes en los resistores R1. Conlo cual la tensión de entrada se traslada alas salidas dando una ganancia de modocomún unitaria.
Ganancia de Modo Diferencial
𝐴𝐴𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 = 1
Va
Vb
Ganancia Modo Común
Ganancia de Modo Diferencial
𝐴𝐴𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 = 0
Relación de Rechazo de Modo Común
Dado que la ganancia de modo común de la primera etapa es unitaria la relación será simplemente:
Es por esta relación que se elige dar toda la ganancia a la primera etapa para maximizar el rechazo total
Va
VbSi R2A=R2B y R3A=R3B
( Si R2A=R2B=R2 y R3A=R3B=R3 )
⇒
Ganancia diferencial total
𝐴𝐴𝑣𝑣𝑣𝑣 = 𝐴𝐴𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣𝐴𝐴𝑣𝑣𝑣𝑣𝑣 = −𝑅𝑅3𝑅𝑅𝑣
1 +2𝑅𝑅𝑣𝑅𝑅𝐺𝐺
Etapa 2: Amplificador restador
Notar que el signo − o +dependerá de como se tome la entrada diferencial, o sea, V1-V2 o V2-V1, respectivamente.
Tensiones de Offset
Este amplificador está diseñado para amplificar tensiones continuas. Si se le da esta utilidad, hay que tener en cuenta las tensiones de offset que aparecerán sumadas por cada operacional. Se pueden modelar como sigue:
Sabiendo los valores de ganancia diferencial se puede obtener el efecto del offset a la salida:
Siendo que toda la ganancia se coloca en la primera etapa el offset del segundo operacional es despreciable y luego:
vo
Voff 1AVoff 2
Voff 1B
Circuito simplificado de un amplificador de instrumentación típico
Circuito simplificado de un canal electrocardiográfico
Adaptador de “no balanceado” a “balanceado”
Ejercicio 2Calcular la ganancia VO/VSCalcular la impedancia que ve VS
VO = V1 - V2
V2
V1
Adaptador de “no balanceado” a “balanceado” NO INVERSOR
Ejercicio 3Calcular la ganancia VO/VINCalcular la impedancia que ve VIN(Todas la resistencias de 10KΩ)
VO = VOUT+ VOUT−
Libros de lectura recomendadas:• Todos los capítulos sobre amplificadores operacionales ya señalados en la
clase anterior• Capítulo 6 “Amplificadores operacionales” del libro Análisis y diseño de
Circuitos Integrados, autores Gray-Meyer-Hurst-Lewis
Completar el tema “Corrimientos” con las diapositivas de clase:“Tensión de offset y relación de rechazo de modo común”(disponbles a partir de la diapositiva siguiente a esta)
Tensión de offset y relación de rechazode modo común
• El amplificador debe “amplificar” señales(tensiones) diferenciales rechazando lasseñales (tensiones) comunes a ambasentradas. Idealmente la ganancia de tensióndiferencial es independiente de la tensión demodo común en las entradas.
• El esquema general es el siguiente:
+
• Exitación del amplificador:
+
−
+
V1V2
Vd
VO
• Exitación equivalente:
+
−+
+Vd/2VC
Vd
VO
Vd/2
+
• Con las siguientes definiciones
• De dónde:
21 VVVd −=
221 VVVc
+=
Voltaje modo diferencial
Voltaje modo común
21d
cVVV +=
22d
cVVV −=
• La tensión de salida es:
• O también:
• Debe ser para obtener• Por lo que se define la relación de rechazo de modo
común como:
o
ccddO VAVAV +=
+= c
d
cddO V
AAVAV
cd AA >> ddO VAV ≅
c
d
AACMRR = [ ]dBen
AACMRR
c
dlog20=
• Completando el circuito equivalente como:
• Siendo: yddOd VAV =
+
−+
+Vd/2
Vd
VO
Vd/2
+
ccOc VAV =
VOd
VOc
Vc
• Consideramos ahora la tensión de offset equivalente de entrada:
Aplicamos una tensión diferencial para anular la tensión de salida:
0==∆ OOSd VparaVV
+
−
+VOS
ΔVd=VOS
VO=0+
Vc=0
+
• Usando el siguiente esquema:
Aplicamos un incremento en la tensión de modo común para obtener una tensión de salida cualquiera:
donde resulta
00 ≠∆⇒≠∆ Oc VV
+
−
+
ΔVd
VO+
ΔVc
ccO VAV ∆=∆
• Ahora aplicamos un incremento en la tensión diferencial de modo igualar el incremento obtenido anteriormente:
• Finalmente lo aplicamos a la definición de rechazo de modo común, resultando:
• Un alto valor de CMRR implica mayor tolerancia a las variaciones de modo común, ∆Vc grande, o una menor tensión de corrimiento, Vos pequeña.
os
c
Vod
c
c
d
VV
VV
AACMRR ∆
=∆∆
===0
cd
c
d
Od V
AA
AVV ∆=
∆=∆