1
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 1
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
SENSORES Y ACONDICIONADORES
TEMA 13
AMPLIFICADORES PARA EL ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES
Profesores: Enrique Mandado PérezAntonio Murillo Roldan
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 2
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Departamento de Tecnología Electrónica
INTRODUCCIÓN
Numerosos sensores proporcionan variaciones porcent uales muy pequeñas de un parámetro eléctrico en función de un a variable física de entrada.Ejemplo: Las galgas extensométricas
Es más fácil medir tensiones pequeñas que tener una gran resolución en la medida de tensiones grandes.
La mayoría de los sensores proporcionan señales con tinuas que pueden permanecer en un determinado nivel durante u n tiempo indefinido.
Consideraciones generales
2
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 3
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Departamento de Tecnología Electrónica
Características [PERE pagina 41]
Ad = ∞
Zi = ∞
Zo = 0
Anchura de banda = ∞
Relación de rechazo de modo común CMRR ( Common Mode RejectionRatio ) infinita
c
dAC
AMRR =
-
+
IB1
IB2
)v(-v(-)v
A od +
=
c
oc V
VA =
Con V(-) - V(+) = 0
-
+Vc
+
-
Con V c = 0-
+
+-
-+
Vd /2
Vd /2Vo
Vo
CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
Amplificador operacional (AO) ideal
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 4
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DIAGRAMA DE BLOQUES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Q1 Q2
Q3 Q4
Q7
Q5 Q6Q 1 0
Q9Q8
Q 1 1
Q1 3
Q 1 2
Q1 5
Q1 4
Q1 6
Q1 7
Q 1 8
Q1 9
Q
Q2 1
Q2 2
Q 2 3
Q 2 4R2 R3 R4
R5 R6
R1
R7
R8R9
R 1 0
R 1 1
C1
I+
I-
+ V cc
V o
-V ee
T erm in a les d e a ju ste d e o f fset
Q1 Q2
Q3 Q4
Q7
Q5 Q6
Q9Q8 Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q 2 0
Q
R2 R3 R4
R5 R6
R1
R7
R8R9
R
R
C1
I+
I-
+ V cc
V o
-V ee
T erm in a les d e a ju ste d e o f fset
E tap a d een trad a E tap a d e salid a
E tap ain term ed ia
+
-IN V .
V o
+ V cc
-Vee
N OIN V .
O F F S E T
+-
(a)
Ejemplo: AO 741
Etapadiferencial
Etapaintermedia
Etapade salida
3
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 5
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AO ideal
[PERE pagina 41]
Como consecuencia de las características antes cita das:
Las corrientes a través de los dos terminales de en trada del AO,denominadas corrientes de polarización ( Bias currents ), son nulas.
El AO no carga al circuito que se conecta a cualquie ra de sus entradas.
La tensión de salida del AO no se modifica al conec tar una carga a la salida, independientemente del valor de la misma.
El AO no atenúa ninguna señal de entrada independien temente de su frecuencia.
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 6
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CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
+
-
R 2
R 1
v i
v o
NO
MB
RE
CIR
CU
ITO
AP
LIC
AC
ION
ES
YC
OM
EN
TA
RIO
S
Amplificador que invierte la señal de entrada.
Amplificador inversor
Amplificador que no invierte la señal de entrada. Su ganancia es siempre superior a la unidad.
Amplificador no inversor
Amplificador sumador/restador.
Amplificador genérico
+
-
R 2
R 1
v i
v o +
-R 1
v 1
v o
R 2R 1
R 2R 1
R 1
v 2
v 3
v 4
i1
2o v
R
Rv −= i
1
21o v
R
RRv
+= ( )12431
2o vvvv
R
Rv −−+=
AO ideal (operadores analógicos básicos) [PERE pagin a 50]
4
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 7
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AO ideal (operadores analógicos básicos)
+
-
v i
v o
NO
MB
RE
CIR
CU
ITO
AP
LIC
AC
ION
ES
YC
OM
EN
TA
RIO
S Circuito adaptador de impedancias. Posee una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida.
Seguidor de tensión
Amplificador utilizado para restar. Es el elemento básico de los amplificadores de instrumentación (AI).
Amplificador de modo diferencial o restador
Circuito básico que proporciona una tensión de salida a partir de una corriente de entrada.
Convertidor corriente-tensión
+
-R 1
v o
R 2
R 2
R 1
v 1
v 2
io vv = iR⋅−=ov( )121
2o vv
R
Rv −=
+
-
R
i
Vo
CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 8
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NO
MB
RE
CIR
CU
ITO
AP
LIC
AC
ION
ES
YC
OM
EN
TA
RIO
S
Circuito básico que genera una corriente a partir de una tensión.
Convertidor tensión-corriente
Circuito que calcula la integral de una tensión de entrada.
Integrador
Circuito que calcula la derivada de una tensión de entrada.
Derivador
+
-CR
v i
v o
+
-
C
R
v i
v o
1
io R
vi =
dt)t(dv
CRv io ⋅−=∫⋅
= dtt)(vCR
1v io
+
-
R 2
R 1
v i
R 2
R 1
I o
R
CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALESAO ideal (operadores analógicos básicos)
5
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 9
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+
-
R 1
R 1
v i
R 2
R 2 / 2
+
-
R 2
v o
NO
MB
RE
CIR
CU
ITO
AP
LIC
AC
ION
ES
YC
OM
EN
TA
RIO
S
Circuito que rectifica la tensión de entrada y elimina la influencia de la caída de tensión en el diodo.
Rectificador de precisión
io vv =
CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
AO ideal (operadores analógicos básicos)
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 10
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AO ideal (Comparadores)
Como el anterior pero la histéresis se introduce alrededor de la tensión de referencia V ref ≠0
Comparador con histéresis
Circuito que compara la tensión Vi con el nivel cero e introduce una histéresis para evitar la conmutación de la salida cuando Vi varía alrededor de cero
Comparador con histéresis
Circuito que compara una tensión de entrada con una tensión de referencia.
Comparador básico
CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
+
-
Vi
VrefVo
+Vcc
-Vcc
+Vcc
-VccVref
+
-
R1
V1
R2
Vo
Vcc
-VccH
2 R2 Vcc
R1+R2H=
+
-
R1
V1
R2
Vo
Vref
Vcc
-VccH
2 R2 Vcc
R1+R2H=
Vref
6
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 11
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IMPERFECCIONES ESTÁTICAS [PERE página 55]DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Influencia de la ganancia diferencial en bucle abie rto A d
(Open Loop Gain)
i
21
1d
do v
RRR
A1
Av
++
=Vo
+
-R1
R2
Vi
Vd
i+
i -
i+= 0
i-= 0
si A d = ∞, resulta: i1
2o v
R
R1v +=
En la práctica la ganancia A d no es infinita. Los AO de aplicación general como e l AO-741 tienen una ganancia típica (A d) del orden de 100 dB (10 5).
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 12
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La resistencia de entrada es de algunas centenas de KΩ en los AO cuya etapa de entrada utiliza transistores bipolares y a lcanza los 10 6 MΩ en los AO con etapa de entrada implementada con transistor es de efecto de campo (FET).
( )id
1d
2
1
dio
rR
1A1RR
Avv
+++−=
VO
+
-
R2
Vi
R1
ii
+ AdVd
Vd r id
a
b
Vo
Ad(-Vb)
Vi
R1
Vb
Vo
R2
(a) (b) (c)
si A d = r id = ∞, resulta:
Efecto de la resistencia de entrada en un circuito i nversor
i1
2o v
R
Rv −=
IMPERFECCIONES ESTÁTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Influencia de la resistencia de entrada ( Input Resistance)
7
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 13
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Su influencia en V o es pequeña
i
L
o
21
o
21
1d
21
o
21
2d
o v
Rr
RRr
RRR
A1
RRr
RRR
Av
++
++
+
++
+−
−=si r o = 0 y Ad = ∞, resulta: i
1
2o v
R
Rv −=
(a)(b)
Ad(-Vb)
ViR1
Vo
R2
RL
R0
(c)
VO
Vi
R1
RL
+
-
R2
Vd
ii
+AdVd
Vd
a
b
Vo
ro
IMPERFECCIONES ESTÁTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Influencia de la resistencia de salida r o (Output Resistance)
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 14
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Nivel de la tensión que hay que aplicar entre ambas entradas cuando la tensión externa es nula, para que lo sea también la tensión de salida.
Su influencia es mayor cuanto menor es el nivel de l a señal a amplificar.
(a) (b)
1
21iood1 R
RRvv
+=
Tensión de asimetría (desviación o desequilibrio) d e entrada
(Input Offset Voltage ) [V io/Vos]
Vd
a
b
Vo
+
-Vx
Vio
R1
+
-
R2
|Vod1|Vio
IMPERFECCIONES ESTÁTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
8
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 15
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Corrientes i B1 e iB2 que circulan a través de los dos terminales de entr ada.
VdVo
RTH+
RTH-
+
-
i b1
i b2
AMPLIFICADOR “REAL”
AMPLIFICADOR IDEALLas corrientes i B1 e iB2 generan una tensión diferencial de entrada:
Los fabricantes proporcionan:
b2Thb1Thd iRiRv −+ −=
2ii
i B2B1B
+= B2B1io iii −=
Corrientes de polarización I B1 e IB2 (Input Bias Currents )
Corriente de asimetría (desviación o desequilibrio) de entrada (I nput Offset Current )
Diferencia entre i B1 e iB2.
IMPERFECCIONES ESTÁTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 16
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Influencia de las corrientes de polarización
o
+
-R1
R2
V
Vi
R1//R2
(Rcomp )
+
-R1
R2
Vo
Vi
R1//R2(Rcomp )
+
-
R
Vo
R
i
(Rcomp )
+
-
R
Vo
Vi
R
C
(Rcomp )
+
-R
Vo
Vi
R
C
(Rcomp )
Para disminuir la influencia de las I B se utiliza R comp que iguala las resistencias equivalentes conectadas a ambas entrad as.
Para disminuir la influencia de I io no se deben utilizar resistencias de valores elevados (superiores a algunos K Ω).
No se puede eliminar de esta forma el efecto de la corriente de asimetría de entrada.
IMPERFECCIONES ESTÁTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
9
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 17
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Departamento de Tecnología Electrónica
CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
AMPLIFICADOR 741
Corrientes depolarización
Q3
Q10
R4
Q1 Q2
Q4
Q11
Q6Q5
R2R3
Q7Q7Q7
I+
I-
R 1
I B1
I B2
Q9Q8
~ 2,6 mV
Ajuste de offset(potenciómetroexterno)
Vo
Tensión dedesviaciónde entrada
Corrientesde entrada
Imperfecciones estáticas del AO 741
Imáxima = 20mA
+Vcc
-Vee
Vo
Q13
Q15
Q14
Q17
Q20
Q21
Q24
R6
R7
R8R9 R11
C1
Q18
Q19
Q16 Q22
Q23
Margen de Vo
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 18
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(b)
+
-V o
+V cc
-V ee
741
Offset nullpins
Afecta negativamente al ancho de banda
(a)
+
-V o
+V cc
-V ee+V cc -V ee
Compensanción de la tensión de asimetría ( Offset ) de salida
La tensión de salida debida a la tensión de asimetr ía de entrada y a la diferencia entre las dos corrientes de polarización de entrada recibe el nombre de tensión de asimetría de salida.Algunos AO poseen terminales para anular la tensión de asimetría de salida ( offset
null pins/ Vos TRIM) mediante un potenciómetro. Si el AO no posee dichos terminales,
el ajuste se puede realizar a través de la entrada no inversora.
IMPERFECCIONES ESTÁTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
10
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 19
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Departamento de Tecnología Electrónica
Además de tener una ganancia diferencial A d, los AO reales amplifican la señal aplicada simultáneamente a ambas entradas y l a multiplican por un factor A c
dBA
log20CMRRc
d
= A
ccddv vAvAo +=
-
+
V2
+
-
V1
+
-
Vo
-
+
+-
-+
Vd /2
Vd /2
Vc
+
-
Vo
2/vvv;2/vvv;vvv dc1dc212d −=+=−=
Se define la relación de rechazo de modo común CMRR como:
Relación de rechazo de modo común CMRR (Common Mode Rejection Ratio)
IMPERFECCIONES ESTÁTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 20
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Departamento de Tecnología Electrónica
Amplificador en modo diferencial o restador
Si se considera:
se tiene:
Esta expresión indica que la salida del amplificador de modo diferencial es igual al valor ideal más un término que es tanto mayor cuanto menor es el CMRR.
CMRRv
RR
)v(vRR
v 2
1
212
1
2o +−=
Vo
+
-R1
R2
V1
R1
R2
V2
Vd
V+
V-
AdVd
AcVc
1
21cd R
RR2
AA
++>>
IMPERFECCIONES ESTÁTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Relación de rechazo de modo común CMRR (Common Mode Rejection Ratio)
11
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 21
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Departamento de Tecnología Electrónica
Resumen (I)
iv
RR
R
21
1d
do
A1
Av
++
=
Parámetro Influencia Cuándo hay que tenerlo en cuenta y otras considera ciones
-Vomax+Vomax
• Siempre es una limitación
• Importante si la tensión de alimentación es baja (equipos portátiles)
• En los AO de punta a punta ( rail-to-rail)
Vomax es casi igual a V CC
Rango de la tensión de salida(Output Voltage Swing )
omaxoomax vvv- +≤≤
EFECTOS DE LAS IMPERFECCIONES ESTÁTICAS SOBRE EL AO EN CONFIGURACIÓN NO INVERSORA
A d
• Con ganancias elevadas (R 2 grande en relación con R 1)
• Con valores bajos de A d
• Cuando se tengan en cuenta la mayoría de los demás parámetros
Ganancia diferencial en bucle abierto(Open Loop Gain )
r id • Con valores altos de resistencias R 1 y R2
• Cuando la fuente de tensión de entrada tiene alta resistencia de salidaResistencia de entrada
(Input Resistance )
ro• Con niveles de carga en la salida elevados
• Es un parámetro poco importante en generalResistencia de salida(Output Resistance )
iv
RR
R
21
1d
do
A1
Av
++
=
i
id
v
RR
R
r
RR
21
1d
21
do
A//
1
Av
+++
=
io
L
o
v
RR
R
RR
r
R
r
21
1d
21
do
A1
Av
++
+++
=
IMPERFECCIONES ESTÁTICASDEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 22
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Departamento de Tecnología Electrónica
Resumen (II)
iv
RR
R
21
1d
do
A1
Av
++
=
Parámetro Influencia Cuándo hay que tenerlo en cuenta y otras consideraciones
Vio (Vso)• Cuando las entradas tienen un nivel de CC.
• Cuando la tensión de entrada es pequeña.
• Puede ser preciso realizar ajustes.
• Es uno de los parámetros más importantes al seleccionar el AO.
• Hay que evitar la saturación debida a la tensión de asimetría de salida en casos de ganancia alta.
Tensión de asimetría(Input Offset Voltage)
(expresión válida para la configuración inversora y para la diferencial)
EFECTOS DE LAS IMPERFECCIONES ESTÁTICAS SOBRE EL AM PLIFICADOR NO INVERSOR
I BIio
• Igual que en el caso de la tensión de asimetría.
• IB se puede eliminar pero a veces no es necesario.
• Con valores altos de las resistencias R 1 y R2Corrientes de polarización y asimetría
(Input Bias and Offset Currents ) (Se añade a la tensión de desviación)
Relación de rechazo de modo común
(Common Mode RejectionRatio )
(CMRR) Ad / Ac
• Afecta al valor de la ganancia.
• No tiene mucha influencia en el amplificador no inversor
(Sólo para el amplificador en modo diferencial)
• Cuando la tensión de modo común tiene un valor elevado.
• Cuando se pretende eliminar ruido de modo común
• ¡Cuidado con su comportamiento en frecuencia!
dBiO vv +=ioTOTALv
( )i
21
1cd
cdo v
RRR
2/AA1
2/AAv
+++
+=
( )CMRR
vRR
vvRR
v 2
1
212
1
2o +−=
1
21ov
R
RRvv iooideal
++=
IMPERFECCIONES ESTÁTICASDEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
VdB= IB |RTH+ - RTH-|+ Iio |RTH+ - RTH-| / 2
12
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 23
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Departamento de Tecnología Electrónica
Resumen (III)
Parámetro Influencia Cuándo hay que tenerlo en cuenta y otras consideraciones
EFECTOS DE LAS IMPERFECCIONES ESTÁTICAS SOBRE EL AM PLIFICADOR OPERACIONAL EN CONFIGURACIÓN NO INVERSOR A
PSRR • En sistemas portátiles (Alimentados con baterías)
• Puede ser conveniente incluir reguladores de tensión en la alimentación
• Sólo se tiene en cuenta para variaciones lentas
Relación de rechazo de la alimentación
(Power Supply RejectionRatio )
o
ónAlimentaci
VV
log20SRRP∆
∆=
IMPERFECCIONES ESTÁTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 24
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
Ancho de banda ( Bandwidth )
lo g f0d B
1/ββββ
A
0º
-90º
-180º
φφφφ
-20d B /d ec
-40d B /d ec
lo g f
IMPERFECCIONES DINÁMICAS [PERE página 76] DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Definición: Rango de frecuencias para el que la dis minución de la ganancia es inferior a 3 dB ( √2). Por ejemplo en el 741 es 4Hz.
Debido a las capacidades parásitas la ganancia de u n AO disminuye al elevarse la frecuencia de las señales que se le aplican. Los AO en cuyo circuito no se conectan condensadores se comportan como sistemas l ineales de segundo orden que tienen dos polos en su diagrama ganancia-frecue ncia.
13
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 25
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
Ancho de banda ( Bandwidth ) de un circuito implementado con un AO
Vo
+
-R1
R2
Vi
Ad
106dB
log f0dB
1/ββββ
B
B0dB
B
Ganancia delcircuito
Ad
A
Circuito amplificador no inversor realimentado con un factor β Ganancia del amplificador no
inversor
21
1
1
RR
R
A
AG
d
d
+=
+=
β
β
IMPERFECCIONES DINÁMICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Se obtiene a partir de la curva de ganancia en bucle abierto del AO y de la ganancia del circuito.
Ejemplo: AO741
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 26
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Pendiente de cambio ( Slew Rate )
Vo
+
-Vi
Vo
Log f
Vo
t
t
Vo
Vo
t
t
SR
SR
dtdVo
dtdVo
SR
SR
Log ff
ArmónicosgeneradosPérdida de
Real
Teórica
SRSR
max
max 2
..
oV
RSf
π=
IMPERFECCIONES DINÁMICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Máxima pendiente de cambio de la señal de salida (s e suele indicar en V/µs).
14
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 27
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
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AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Principales parámetros que caracterizan a los AO rea les
La corriente de polarización de entrada I B (Input bias current ).
La corriente de asimetría de entrada I IO (Input offset current ).
La tensión de asimetría de entrada V IO (Input offset voltage ).
La máxima corriente de salida I OMAX (Maximum output current )
La ganancia de tensión en bucle abierto A O (Open loop voltage gain ).
La relación de rechazo de modo común denominada CMR R (Common Mode Rejection Ratio ).
La máxima pendiente de cambio de la tensión de sali da, denominada SR (Slew Rate ).
La resistencia de entrada R i (Input resistance ).
La resistencia de salida R o (Output resistance ).
El producto ganancia/ancho de banda ( Gain bandwidth product ).
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 28
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
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AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL
Como resumen de todo lo expuesto anteriormente se p uede decir que el AO ideal se caracteriza por tener los siguie ntes valores de los diferentes parámetros de un AO real:
Corrientes de polarización y de asimetría de entrad a nulas.
Tensión de asimetría de entrada nula.
Ganancia de tensión en bucle abierto infinita.
Relación de rechazo de modo común infinita
Máxima pendiente de cambio de la tensión de salida, infinita.
Resistencia de entrada infinita.
Resistencia de salida nula.
Producto ganancia ancho de banda infinito.
15
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 29
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
Clasificaciónde los
AmplificadoresOperacionales
Reales
• Según la tecnologíade implementación
• Según el valor de losparámetros estáticos
• Según el valor de losparámetros dinámicos
De aplicación general(General Purpose )
De parámetros mejorados(Low Offset, Low Drift, etc. )
Bipolares
BIFET
CMOS
Compensados internamente(Internal Compensation )
No compensados internamente
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 30
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo
Departamento de Tecnología Electrónica
Tecnologías de implementación
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Amplificadores operacionales bipolares
Son AO en los que todos los transistores son bipola res NPN y PNP. Pueden ser de aplicación general o de parámetros es táticos mejorados.
Según la respuesta dinámica pueden estar compensado s internamente o no.
Amplificadores operacionales BIFET
Poseen transistores de efecto de campo en la etapa de entrada y bipolares en el resto. Tienen corrientes de polarización redu cidas pero en general mayor tensión de asimetría de entrada y mayor deriv a térmica.
Amplificadores operacionales CMOS
Realizados con transistores MOS de canal P y canal N. Se caracterizan por su bajo consumo y por tener corrientes de polarizac ión prácticamente nulas.
16
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 31
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AO de aplicación general
Se caracterizan por tener los siguientes valores de sus parámetros mas característicos:
Corrientes de polarización y de asimetría del orden de decenas de nA.
Tensión de asimetría de entrada del orden de alguno s mV.
Ganancia en bucle abierto del orden de 100dB.
Resistencia de entrada del orden de varios M Ω.
Resistencia de salida del orden de las centenas de Ω.
Relación de rechazo en modo común del orden de 90 d B.
Producto de la ganancia por el ancho de banda compre ndido entre 1 y 10 MHz según estén o no compensados internamente.
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 32
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Se suelen realizar con transistores bipolares y se p ueden considerar ideales si se les aplican señales cuya amplitud no es inferior a algunas unidades de mV y su frecuencia no supera las decenas de KHz.
Según su respuesta en frecuencia se dividen en dos c ategorías:
AO de aplicación general compensados internamente.
AO de aplicación general no compensados internamente .
AO de aplicación general
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
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Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 33
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AMPLIFICADOR OPERACIONAL REALDE APLICACIÓN GENERAL COMPENSADO INTERNAMENTE
Incorpora en su etapa intermedia un condensador que hace que su segundo polo esté situado en el punto en el que la curva de respuesta en frecuencia se corta con el eje de abscisas del diag rama que representa la ganancia en bucle abierto en función de la frecu encia. Se suele decir que el primer polo es dominante. Se logra así que el amplificador operacional realimentado sea siempre estable.
lo g f0d B
1/ββββ
A
0º
-90º
-180º
φφφφ
-20d B /d ec
-40d B /d ec
lo g f
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 34
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Ejemplo: AO 741
El condensador C1 hace que el primer polo sea el dom inante.
(c)
(b)
+
-INV.
Vo
+V cc
-V ee
NOINV.
OFFSET
+
-
(a)
Q 1 Q 2
Q3 Q 4
Q7
Q 5 Q6Q
10
Q 9Q 8
Q 11
Q13
Q 12
Q15
Q14
Q16
Q17
Q18
Q19
Q
Q21
Q22
Q23
Q24
R2 R3 R4
R5R6
R1
R7
R8R9
R 10
R 11
C 1
I+
I -
+ Vcc
Vo
- Vee
Terminales de ajuste de offset
Q 1 Q 2
Q3 Q 4
Q7
Q 5 Q6
Q 9Q 8 Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q20
Q
R2 R3 R4
R5R6
R1
R7
R8R9
R
R
C 1
I+
I -
+ Vcc
Vo
- Vee
Terminales de ajuste de offset
Etapa deentrada Etapa de salida
Etapaintermedia
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIÓN GENERAL COMPENSADO INTERNAMENTE
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Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 35
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Respuesta en frecuencia del AO 741
(c)(b)
+
-INV.
Vo
+V cc
-V ee
NOINV.
OFFSET
+
-
(a)
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIÓN GENERAL COMPENSADO INTERNAMENTE
Ad
106 dB
0 dB
4 Hz 1,5 MHz
-20 dB/déc
log f
741
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 36
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Al realimentar un amplificador operacional no compe nsado internamente se puede tener una ganancia superior a 1 con un des fase de 180º (realimentación positiva) y el amplificador oscila.
0dB
A
-20dB/dec
-40dB/dec
B
1/ββββ
Ad
log f 0dB
A
-20dB/dec
-40dB/dec¡INESTABLE! 1/ββββ
(d)
A d
log f
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIÓN GENERAL NO COMPENSADO INTERNAMENTE
19
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 37
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Permiten que el diseñador pueda compensar el circui to externamente mediante la utilización de un condensador conectado de acuerdo con las indicaciones del fabricante.
log f0dB
-20dB/dec
-40dB/dec
1/ββββ
(a)
Ad
Compensación
log f0dB
A
-20dB/dec
-40dB/dec
1/ββββ
(b)
Ad
Compensación
-20dB/dec
1/
d Ad
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIÓN GENERAL NO COMPENSADO INTERNAMENTE
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 38
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AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE CARACTERÍSTICAS MEJORADAS
Se pueden denominar amplificadores operacionales de características mejoradas los que poseen características estáticas o dinámica s mejores que las de los amplificadores de aplicación general.
Su denominación varía de unos fabricantes a otros s egún el parámetro característico que desean destacar. Como ejemplo se puede citar:
NE5512: se denomina AO de prestaciones elevadas ( Dual High-Performance ) porque su I B es inferior a 20 nA y su V OS (VIO es inferior a 1 mV) y la deriva de temperatura de V OS (VIO) es inferior a 5 µV/ºC.
OP07: se denomina AO de pequeña asimetría y deriva ( Low Offset, Low Drift ) porque su V O es inferior a 75 µV y la deriva de temperatura de V OS (VIO) es inferior a 0,6 µV/ºC.
TL082: se denomina AO JFET de elevado ancho de banda ( Wide Bandwidth ) porque su ancho de banda es de 4 MHz, pero también tiene una corriente de polarización de entrada de 50 pA y una elevada pendi ente de cambio SR de 13 V/µs.
20
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 39
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FILTROS ANALÓGICOS [PERE página 145]
Son cuadripolos que atenúan determinadas frecuencias del espectro de la señal que se les aplica y permiten el paso de la s demás sin atenuarlas.
Función de transferencia
011
011
...
...
)(
)()(
bsbsbs
asass
s
ssH
nn
mm
++++++++== −
−
1-n
1m-m
i
o aavv
)p)...(sp)(sp(s
)z)...(sz)(sz(saH(s)
n
mm
−−−−−−=
21
21
Sacando factor común:
n: orden del filtro
pn: poloszm: ceros Para que el filtro sea realizable n ≥ m
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 40
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Parámetros de diseño
Banda de pasoBanda
detransición
Banda suprimida
fp
Amax
fs
Amin
0
|H| (dB)
f
FILTROS ANALÓGICOS
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Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 41
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CLASIFICACIÓN DE LOS FILTROS
Clasificaciónde losFiltros
• Según la función detransferencia queimplementan
• Según el modelo de lafunción de transferencia
• Según el tipo de señalque procesan
•Paso bajo
•Paso alto
•Paso banda
•Rechazo de banda
Pasivos
Activos
Conmutados
•Butterworth
•Chebyshev
•Bessel
•Analógicos
•Digitales
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 42
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Función de transferencia
(a) Filtro paso bajo
f fffc fc
fc2 fc2fc1ffc1
Ideal
Real
0 0 0 0
-3
f0 f0
-3-3-3
(dB)H (dB)H
(b) Filtro paso alto (c) Filtro paso banda (d) Filtro rechazo de banda
Bandade paso
Bandade paso
Bandade paso
Bandade paso
Bandade paso
(dB)H(dB)H
Paso bajo
v i v o
Paso alto
v i v o
Paso banda
v i v o
Rechazo de banda
v i v o
FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS
22
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 43
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Modelos matemáticos
Butterworth, Chebyshev y Bessel
t
Bessel
Chebyshev
Butterworth
io vv
Respuestas temporales a una entrada en escalón
FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 44
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Modelos matemáticos
Ejemplo: Filtro paso bajo.
Modelo de Butterworth
Función de transferencia
0,01 0,1 100
10
0
-30
-50
1 10
n=3
-60
-40
-20
-10
-70
-80
n=2
n=1
n=4
|H| (dB)
Frecuencia normalizada (f / f c )
( )n
pf
f
jf2
21
+
=
ε
1H
en la cual:
n es el orden del filtro.
ε es el parámetro que determina el rizado.
fp es la frecuencia extrema de la banda de paso.
FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS
23
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 45
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Modelos matemáticos
Ejemplo: Filtro paso bajo.
Modelo de Chebyshev
Función de transferencia de Chebyshev de tipo I
( ) p
p
ωωpara
ωωnε
jωH ≤
⋅+
=−122 coscos1
1
( ) p
p
ωωpara
ωωhconhε
jωH >
⋅+
=−122 cos1
1
FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 46
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Modelos matemáticos
Ejemplo: Filtro paso bajo.
Modelo de Bessel
Función de transferencia
en la cual:
Bn(s) es el polinomio de Bessel de orden n:
en la cual:
Bessel
Chebyshev
Butterworth
0,1 1 10
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
RC
Frecuencia normalizada (f / f c )
|H | (dB)
( ))(sB
sn
1H =
∑=n
kkn sasB
0
)(
( )( ) nkpara
knk
ka
kn
n
k ...,,1,0!!2
!2 =−−
−= −
FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS
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Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 47
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Paso alto
Filtros pasivos RC (I)
Filtros que utilizan solamente resistencias y conde nsadores.
Tipo de filtro Respuesta frecuencial Relaciones de interés
Paso bajo
FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS
R
CV1 Vo
RC
V1 Vo
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 48
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Tipo de filtro Respuesta frecuencial Relaciones de interés
Paso banda
Filtros pasivos RC (II)
Filtros que utilizan solamente resistencias y conde nsadores.
Rechazo de banda
FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS
R1
R2C2
C1Vi Vo
R
C
Vi Vo
C
R/2
2C
R
25
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 49
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Son filtros que utilizan amplificadores operacional es, condensadores y resistencias.
Topologías o estructuras más comunes
Sallen-Key
Realimentación múltiple [ Multiple FeedBack (MFB)]
Variables de estado ( State Variables )
FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 50
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Topología Sallen-Key
Estructuras para la realización de filtros activos Características
Sallen-Key
FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS
ViVo
Z4
+
-
Z1 Z2
Z3
R3
R4
26
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 51
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R1
C1
R4
R3
Vi
Vo
R2
C2
+
-
Paso banda de 2º orden
Paso alto de 2º ordenPaso bajo de 2º orden
Topología Sallen-Key
FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 52
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Topología de realimentación múltiple ( Multiple Feedback)
Estructuras para la reañización de filtros activos Características
Realimentación múltiple (MFB)
FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS
ViVo
Z4
–
+
Z1 Z3
Z2
Z5
27
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 53
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Departamento de Tecnología Electrónica
V iVo
R3
R2
C1
C2
R1
+
-
Paso banda de 2º orden
Paso alto de 2º orden Paso bajo de 2º orden
R1
C3=C
v ivo
C1=C
C2
R2
-
+
Topología de realimentación múltiple ( Multiple Feedback)
FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS
Paso banda de 2º orden
R2
C
vi
vo
C
R3
-
+
R1
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 54
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Departamento de Tecnología Electrónica
Topología de variables de estado ( State Variables)
Permiten ajustar todos los parámetros del filtro de forma independiente Se logran valores de Q más elevados. Las salidas están disponibles de forma simultánea
FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS
R1
R2
RF1
RF2R
3
R4
C1 C
2
Paso bajo(LP)
Paso alto(HP)
Paso banda(BP)
vi v
o
RQ
-
+-
+
-
+
28
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 55
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Departamento de Tecnología Electrónica
Son filtros que reemplazan las resistencias de los filtros activos por interruptores MOS que las emulan.
Ejemplo: Circuito integrador
C2
v ivo
S1
S2
C1
Reloj
"R"
-
+
t
v o
Durante el semiperiodo en el que S 1 esta cerrado la carga que se almacena en C 1 es v i C1.
FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS DE CAPACIDADES CONMUTADAS
Amplificadores para el acondicionamiento de la señal
Tema 13 - 56
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Departamento de Tecnología Electrónica
PROGRAMAS DE DISEÑO DE FILTROS ASISTIDO POR COMPUTADOR
PROGRAMA
FilterLab
FABRICANTE
Microchip(www.microchip.com
)
CARACTERÍSTICAS
• Diseño de filtros hasta de 8º orden
• Diseño de filtros anti-aliasing• Genera salida para Spice
LIMITACIONES
• Sólo filtros activos paso bajo Sallen-Key o MFB
• No permite respuesta temporal
FilterCADLinear Technology(www.linear.com)
• Todo tipo de filtros, respuestas y estructuras
• Respuesta frecuencial y temporal
• Sólo para circuitos integrados de linear
• No genera salida para Spice
MAX274Maxim
(www.maxin-ic.com)
• Todos los modelos• Filtro de variables de estado universal
• Sólo para DOS• Solo para el MAX274 y MAX275
Filter2Texas Instruments
(www.ti.com)
• Permite las cuatro funciones y los tres modelos
• Estructuras Sallen-Key y MFB• Sólo para DOS
Filter2Texas Instruments
(www.ti.com)• Filtro Universal UAF42 • Sólo para DOS
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