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AMPLIFICADOR OPERACIONAL
•
M. H. Rashid, Microelectronics Circuits - Analysis and Design, PWS
Publishing, 1999. Capítulos 6, 15 y 16.
Introducción a la Electrónica
Introducción
•
•
•
•
•
Amplificador Operacional ideal. Modelo
Diferentes tipos de conexionados y características.
P á
Parámetros
reales
l de
d un Amplificador
A lifi d Operacional.
O
i l
Análisis en frecuencia.
Aplicaciones típicas
típicas.
Introducción a la Electrónica
¿Qué es un Amplificador Operacional?
• Es un amplificador diferencial de alta
ganancia, que está acoplado en continua;
p
es decir qque amplifica
desde DC.
vo=Ao vd
vd=v+-v104 ≤ Ao ≤ 106 (80 – 120dB)
Introducción a la Electrónica
Circuito equivalente
Introducción a la Electrónica
Amplificador Operacional ideal
• Características de un Amplificador Operacional ideal:
•
•
•
•
•
•
Rin
i = infinito
Ro = 0
Av = infinito
Iin = 0
vd = Vo / Av = 0
Ancho de banda infinito
Introducción a la Electrónica
Amplificador No In
Inversor
ersor
vS
vd  vx
vS
F
For
v d  0
i1  if  ii
0
(1)
vx
( 2)
x
For ii =0, we get
Introducción a la Electrónica
Amplificador No Inversor
For ii =0, we get
i1
( 3)
if
which gives
vx
R1

 vx  vo
RF

( 4)
Since vx = vS, Eq.
Eq (4) becomes
vS
R1

 vs  vo
RF

( 5)
which gives the closed-loop voltage gain as
Af
vo
vS
1
RF
R1
( 6)
Introducción a la Electrónica
Seguidor de tensión (buffer)
For RF = 0 and R1 = infinte,
Eq. (6) becomes
Af
vo
vS
1
( 7)
El seguidor
de tensión tiene una
g
elevada impedancia de entrada y una
muy baja impedancia de salida
Actúa como un adaptador de
impedancias entre una fuente con alta
impedancia
p
de salida y una carga
g de
baja impedancia
Introducción a la Electrónica
Efecto de la ganancia finita
Using Eq. (3), we get
i1
vx
R1
if


 vx  vo
RF
( 8)
which gives
vx
vd
R1
vo
R1  RF
vo
Ao
( 9)
( 10 )
Introducción a la Electrónica
Efecto de la ganancia finita
Using the KVL around the loop I, we get
vx  vd
vS
( 11 )
Substituting vx from Eq. (9) and vd from Eq. (10)
into Eq. (11), we get
Af
vo
vS
RF  1

1 

R1  1  x

( 12 )
which can be simplified to
Af
vo
vS
RF 

1 
 ( 1  x)
R1 

( 13 )
where
x

 1 
Ao

1
RF 

R1

( 14 )
Introducción a la Electrónica
Efecto de la ganancia finita
R F  395  10
R 1  5  10
A f  1 
x ( z ) 

3
R F  3.95  10
3
R 1  5  10
RF
R1
100
z
5
3
A f  80

RF 

R1
 1 


z
Ao
1
0.9
Observar dependencia
del error con la
ganancia
0.8
% Error
0.7
0.6
x ( z)
0.5
04
0.4
0.3
0.2
0.1
0
4
4
4
4
4
4
4
4
4
5
1 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 1 10
z
Open-Loop Op-amp Gain
Introducción a la Electrónica
Ejemplo
Diseñe un amplificador no
inversor con ganancia Af=100
La frecuencia
L
fr
n i dde ganancia
n n i unidad
nid d
es fu = 106 Hz
Sea R1= 5 103
Rf= (Af – 1) R1
Rf = 4.92
4 92 105
fs (max)= fu/ Af
(
) = 1 104
fs(max)
Introducción a la Electrónica
Amplificador Inversor
Using the KCL at the inverting terminal, we get
iS
if  ii
( 15 )
For an ideal op-amp ii = 0 and we get
iS if
( 16 )
Introducción a la Electrónica
Amplificador Inversor
Using the KVL around the loop from the input
signal
i
l source vS to
t the
th output
t t terminal
t
i l vo, we gett
vS
R1  iS  vd
( 17 )
vd
RF  if  vo
( 18 )
which, for vd = 0, give
iS
if
vS
R1
vo
RF
Introducción a la Electrónica
Amplificador Inversor
Therefore, for iS = if , we get
vS
vo
R1
RF
which
hi h gives
i
th
the closed-loop
l
dl
voltage
lt
gain
i
Af
vo
vS
 RF 


R1
 
( 19 )
Introducción a la Electrónica
Inversor con ganancia unitaria
By making R1 = RF, we get
vo
Af
1
(20)
vS
Th
Thus,
ffor R1 = RF, the
th inverting
i
ti amplifie
lifi
becomes an unity gain inverter
Introducción a la Electrónica
Efectos de la ganancia finita
From Eq.
q ((17),
), we find iS as
vo
vS 
vS  vd
Ao
iS
( 21 )
R1
R1
From Eq
Eq. (18)
(18), we find vo as
vo
vo
vd  RF  if
vo
Ao

vd  RF  iS
vo
vS 
Ao
R1
 RF
( 22 )
Introducción a la Electrónica
Efectos de la ganancia finita
Solving Eq. (22), we get the closed-loop v
gain as
Af
vo  RF 1
  
(23)
vS
R1 1  x
 
Since 1/(1+x) can be approximated to as
we can simplify Eq. (23) as
Af
vo  RF
  (1  x) (24)
vS
 R1
where
 RF
x
1  
Ao
 R1
1
(25)
Introducción a la Electrónica
Efectos de la ganancia finita
1
1
0.9
RF  400  10 3
RF  3.95  10 5
0.8
R1  5  10 3
RF
Af 
R1
R1  5  10 3
0.6

x ( z) 
 1 
z

100
% Error
0.7
x ( z)
0.5
0.4
Af  80
RF 

R1

0.3
0.2
0.1
z
Ao
0
0
1 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 1 10
5
1
z
10
4
4
4
4
4
4
4
4
4
Open-Loop Op-amp Gain
Introducción a la Electrónica
5
Ejemplo
Diseñe un amplificador
p
inversor
con ganancia Af=100
La frecuencia de ganancia unidad
es fu = 106 Hz
Sea R1= 5 103
Rf= Af R1
Rf = 5 105
fs (max):= fu/ Af
fs(max) = 1 104
Introducción a la Electrónica
Estructura interna Opamp
Introducción a la Electrónica
Estructura interna Opamp
Introducción a la Electrónica
Opamp LM741
Introducción a la Electrónica
Parámetros de un Opamp
Introducción a la Electrónica
Corriente de polarización de entrada
Las magnitudes comunes de las corrientes de polarización son de 10 a
100nA para transistores BJT, y de 1 a 10pA para JFET.
Introducción a la Electrónica
Corriente de offset de entrada
Las corrientes de polarización serán iguales solo si los transistores de
entrada tienen betas igual. Sin embargo, incluso transistores en circuitos
integrados que, en teoría son idénticos, uno al lado del otro, exhiben
diferencias.
diferencias
Introducción a la Electrónica
Voltaje de offset de entrada
El voltaje
j diferencial qque debe aplicarse
p
a los terminales de entrada de un
amplificador para llevar la salida a cero, se conoce como voltaje de offset de
entrada.
Introducción a la Electrónica
Deriva térmica
Ell cambio
bi en ell voltaje
l j de
d offset
ff de
d entrada
d VOS por unidad
id d de
d cambio
bi de
d
temperatura se conoce como deriva térmica de voltaje.
Introducción a la Electrónica
Relación de rechazo de modo común
(CMRR)
Se define como la relación de la ganancia en voltaje diferencial respecto a la
ganancia en voltaje en modo común.
Valores típicos
p
son entre 60 y 100dB
Introducción a la Electrónica
Resistencia de entrada
La resistencia de entrada p
para una etapa
p de entrada FET esta en el
intervalo de 109 a 1012 Ω .
Sin embargo,
Si
b
para una etapa dde entrada
d BJT
BJT, lla resistencia
i
i dde entrada
d
está normalmente en el intervalo de 100kΩ a 1MΩ.
Introducción a la Electrónica
Resistencia de salida
Usualmente, la etapa de salida es un seguidor de emisor en operación clase
Usualmente
AB, lo que da una resistencia de salida baja del orden de 40 a 100 Ω.
Introducción a la Electrónica
Slew rate (SR)
Introducción a la Electrónica
Aplicaciones
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Integrador Inversor
D i d
Derivador
Amplificador de instrumentación
Sumador Inversor
Sumador no Inversor
Fotodetector
Conversor Tensión – Corriente
Superdiodo
Detector de señal más positiva
Detector de voltaje pico
Rectificador de media onda
Rectificador de onda completa
Limitador de voltaje
Introducción a la Electrónica
Integrador Inversor
Introducción a la Electrónica
Integrador Inversor
Introducción a la Electrónica
Integrador Inversor práctico
En la practica, como consecuencia de sus imperfecciones (por
ejemplo, deriva, corriente de offset de entrada), el amplificador
operacional produce un voltaje de salida aún si la señal de entrada es
cero ((vs=0),
), y el capacitor
p
se carga
g con la ppequeña
q
corriente qque
circula por él hasta que el operacional llega a su saturación.
Por eso se conecta un resistor R
el capacitor CF.
Introducción
la Electrónica
F en paralelo acon
Integrador - ejemplo
Introducción a la Electrónica
Integrador - ejemplo
Introducción a la Electrónica
Integrador - ejemplo
Introducción a la Electrónica
Integrador - formas de onda
Introducción a la Electrónica
Integrador - esquemático
Introducción a la Electrónica
Integrador - respuesta en frecuencia
Introducción a la Electrónica
Derivador
Introducción a la Electrónica
Derivador
El circuito diferenciador sirve para producir pulsos de disparo
Introducción a la Electrónica
de corta duración para excitar otros circuitos.
Derivador práctico
Si el voltaje de entrada
experimenta un cambio
abrupto,
p aparece
p
la señal
muy amplificada en la
salida, y el circuito se
comporta como un
amplificador de ruido. Por
tanto, en la práctica se suele
conectar una pequeña
resistencia R1(<RF) en serie
con C1 para limitar la
ganancia a altas frecuencias.
Introducción a la Electrónica
Derivador - ejemplo
Introducción a la Electrónica
Derivador - esquemático
Introducción a la Electrónica
Derivador – respuesta en frecuencia
Introducción a la Electrónica
Amplificador de instrumentación
Es un amplificador diferencial con una impedancia de entrada extremadamente grande. Tiene una
relación de rechazo de modo común g
grande lo cual es muy
y útil ppara recibir señales ppequeñas
q
inmersas en voltajes
j
de offset grandes o en ruido. Por tanto, se utilizan como acondicionadores de señal.
Introducción a la Electrónica
Sumador no Inversor
Introducción a la Electrónica
Sumador Inversor
Introducción a la Electrónica
Convertidor tensión
tensión--corriente
Introducción a la Electrónica
Convertidor 4
4--20mA
Introducción a la Electrónica
Superdiodo
Las aplicaciones tales como detectores
de pico, rectificadores de precisión,
circuitos comparadores y limitadores
requieren funciones no lineales. Sin
embargo, por lo general el diodo
experimenta
una caída de voltaje
p
j finita
(VD) de aproximadamente 0,7V.
Introducción a la Electrónica
Detector de señal más positiva
El diodo que tenga la señal positiva más
grande conduce, y dicha señal aparece a
la salida del circuito. La fuente de
corriente IDC mantiene constante la
corriente del diodo, independientemente
del valor de la señal de entrada lo que
mantiene una caída de voltaje constante
en el diodo.
Introducción a la Electrónica
Detector de voltaje pico
Introducción a la Electrónica
Rectificador de media onda
Introducción a la Electrónica
Rectificador de media onda
Introducción a la Electrónica
Rectificador de media onda
Se puede obtener un comportamiento similar invirtiendo los diodos. No se necesita un
inversor a la salida.
Introducción a la Electrónica
Rectificador de onda completa
Introducción a la Electrónica
Limitadores de voltaje
Introducción a la Electrónica
Limitadores de voltaje
Introducción a la Electrónica
Limitadores de transición abrupta
La limitación abrupta
también se logra
conectando dos diodos
zener. Los circuitos
prácticos exhiben
pendientes
di
finitas
fi i después
d
é
de los puntos de corte
debido a las resistencias
finit de
finitas
d los
l diodos
di d zener.
z n r
Estas pendientes se
muestran el la figura (b).
Introducción a la Electrónica
Comparadores
Ganancia real de 3000 a 200000
Tiempo de transicion de 10ns a 1us
Introducción a la Electrónica
Comparador de Umbral
Introducción a la Electrónica
Comparador de Umbral
Introducción a la Electrónica
Comparador de Umbral
Introducción a la Electrónica
Detector de cruce por cero
P bl
Problemas
de
d oscilación
il ió en ell cruce por cero sii lla señal
ñ l es llenta.
Introducción a la Electrónica
Disparador Schmitt (Schmitt Trigger
Trigger))
Compara una forma de onda regular o irregular con una señal
de referencia, y convierte la forma de onda en una onda
cuadrada o p
pulso. Se conoce como “circuito de conversión a onda
cuadrada” o “multivibrador biestable”. Pasará de un estado a otro
cuando se le aplica una señal de disparo.
Se pueden clasificar en dos tipos:
• Disparador de Schmitt inversor
• Disparador de Schmitt no inversor
Introducción a la Electrónica
Schmitt Trigger Inversor
MAL !!!!
Introducción a la Electrónica
Schmitt Trigger No Inversor
MAL !!!!
Introducción a la Electrónica
Schmitt Trigger No Inversor
Introducción a la Electrónica
Schmitt Trigger con voltaje de
referencia
Introducción a la Electrónica
Efecto de la Hist
Histé
éresis
Si no existiese
i i hi
histéresis,
é i ell voltaje
l j dde salida
lid
conmutará entre sus límites de saturación
cuando la señal de entrada cruce por cero. Si
la señal es ruidosa, aparecerán sobre la salida
múltiples cambios de estado cerca del cruce
por cero. Al agregar
p
g g histéresis, la salida
solamente cambiará cuando la señal de
entrada exceda los límites de voltaje
especificados VLt.
Lt y VHt..
Ht
La elección de los umbrales es tal que
garantice que el nivel de ruido se encuentre
dentro de la banda de histéresis
histéresis.
Introducción a la Electrónica
Generador de Onda Cuadrada
SSe conecta un RC en realimentación
li
ió negativa
i
para obligar al circuito a oscilar entre +Vsat y
–Vsat.
Este generador se conoce también como
“multivibrador libre” o “astable”,
debido a qque la salida no tiene ningún
g estado
estable
Introducción a la Electrónica
Generador de Onda Triangular
SSe puede
d obtener
b
un
generador de onda
triangular integrando la
salida de una onda
cuadrada.
Introducción a la Electrónica
Oscilador controlado por Tensión (VCO)
Un oscilador controlado por voltaje
produce una frecuencia proporcional a
la tensión de entrada
Las aplicaciones mas comunes son:
- Modulación en frecuencia (FM).
• - Generación de tonos.
• - Manipulación de corrimiento de
frecuencia (FSK –módems-).
módems )
Introducción a la Electrónica
Oscilador controlado por Tensión
Introducción a la Electrónica
Timer NE555
Introducción a la Electrónica
Monostable
Introducción a la Electrónica
Astable
Introducción a la Electrónica