EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

1. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL José Fco. López Feliciano – Sebastián López Suárez Instituto Universitario de Microelectrónica Aplicada Campus Universitario de Tafira Tfno.: 928.451247 e-mail: lopez@iuma.ulpgc.es

2. Temario • El Amplificador Operacional ideal • Circuitos con AOs ideales • Configuración no inversora • Ejemplos de circuitos con AOs • Amplificadores de instrumentación • Efectos de segundo orden en AOs • Interpretación de una hoja de especificaciones: el A741

3. VCC VTT El Amplificador Operacional Ideal  Ganancia de tensión INFINITA  Resistencia de entrada INFINITA  Resistencia de salida NULA Vo=A(V2-V1) • El AO responde sólo a diferencia de tensiones en la entrada • (el rechazo en modo común ideal tiende a infinito) • El AO ideal tiene una ganancia A que se mantiene constante • desde frecuencias DC hasta infinito

4. i0  i0 El Amplificador Operacional Ideal • Debido a que A tiende a infinito, siempre se podrá considerar que VA=VB. Esta suposición sólo se podrá aplicar cuando tratamos con realimentación negativa. • Principio de tierra virtual  0 V1= V2 i1= i2=0

5. i2 i1 B A C Circuitos con AOs ideales • Configuración inversora

6. Circuitos con AOs ideales • Configuración inversora • La ganancia del amplificador realimentado sólo depende del cociente de las dos resistencias y por lo tanto es una ganancia muy estable y fácilmente controlable.

7. Circuitos con AOs ideales • Configuración inversora • La tensión v1 en la entrada del operacional será v1=-(v2/A). Si A tiende a infinito y v2 es finita, v1=0. Principio de tierra virtual.

8. Circuitos con AOs ideales • Configuración inversora • La impedancia de entrada de este circuito es R1.

9. Circuitos con AOs ideales • Configuración inversora • Si se sustituye R1 y R2 por dos impedancias cualquiera Z1 y Z2, se puede generalizar la expresión de V2 a:.

10. Caso particular: R1= y R2=0 V2=V1 Configuración no inversora

11. Ejemplo 1 i4 i2 i3 vX v1 i1 Obtener una expresión para la ganancia en lazo cerrado (vo/vi) del siguiente circuito. Usar el circuito como un amplificador inversor con una ganancia igual a 100 y una resistencia de entrada de 1 M suponiendo que no se pueden utilizar resistencias superiores al M.

12. VC=0 en t=0 constante de tiempo de integración Ejemplos de circuitos con AOs • Integrador Si en t=0 tenemos VC:

13. i2 i1 iC vA vB Ejemplos de circuitos con AOs • Integrador positivo

14. Ejemplos de circuitos con AOs • Diferenciador Z2=R Z1=1/(sC)

15. i1 io i2 i3 iN Ejemplos de circuitos con AOs • Sumador

16. V2=0 • V1=0 Ejemplos de circuitos con AOs • Amplificador diferencial Principio de superposición con R2/R1=R4/R3

17. Ejemplo 2 V1 V2 Determinar la tensión de salida en función de las tensiones de entrada para el siguiente circuito. R1= R2= R3= R6=6K R4=24K R5=12K R7=4K R8=2K

18. Ejemplo 3 Diseñar un circuito capaz de resolver la ecuación diferencial que da el desplazamiento de un móvil de masa m sometido a una fuerza exterior f(t) y a la acción de una fuerza elástica y a un rozamiento. 

19. Ejemplos de circuitos con AOs • Amplificador logarítmico

20. Ejemplo 4 Usar el principio de superposición para calcular vo en función de v1, v2 y v3.

21. Amplificadores de Instrumentación SENSOR Transductor Acondicionador de señal

22. Amplificadores de Instrumentación SENSOR Transductor • Desventajas: • Baja resistencia de entrada • Su ganancia no se puede variar fácilmente Acondicionador de señal

23. Amplificador diferencial Vo1 Vo2 Amplificadores de Instrumentación Principio de tierra virtual

24. Vo1 Vo2 Amplificadores de Instrumentación V1 V2

25. Vo1 Vo2 Amplificadores de Instrumentación V1 V2

26. Efectos de segundo orden en AOs • Ganancia finita en lazo abierto • Respuesta en frecuencia y ancho de banda • Corriente de polarización de entrada • Corriente de desvío de entrada • Voltaje de desvío de entrada • Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) • Resistencia de entrada • Resistencia de salida • Rapidez de respuesta (slew rate)

27. Efectos de segundo orden en AOs • Ganancia finita en lazo abierto • Respuesta en frecuencia y ancho de banda • Corriente de polarización de entrada • Corriente de desvío de entrada • Voltaje de desvío de entrada • Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) • Resistencia de entrada • Resistencia de salida • Rapidez de respuesta (slew rate) La ganancia diferencial de un AO no es infinita, sino que es finita y decrece con la frecuencia

28. Efectos de segundo orden en AOs • Ganancia finita en lazo abierto • Respuesta en frecuencia y ancho de banda • Corriente de polarización de entrada • Corriente de desvío de entrada • Voltaje de desvío de entrada • Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) • Resistencia de entrada • Resistencia de salida • Rapidez de respuesta (slew rate) Se debe a las capacidades asociadas con los dispositivos que forman el AO

29. -20 dB/decada o -6 dB/octava Efectos de segundo orden en AOs Esta caída se puede mejorar añadiendo una capacidad denominada “capacidad de compensación”

30. -20 dB/decada o -6 dB/octava Ancho de banda de ganancia unitaria Efectos de segundo orden en AOs

31. La ganancia A(s) se puede expresar como:  Si w>>wb: -20 dB/decada o -6 dB/octava  ancho de banda de ganancia unidad o producto ganacia ancho de banda Efectos de segundo orden en AOs

32.  -20 dB/decada o -6 dB/octava Efectos de segundo orden en AOs Así pues, conociendo ft se puede estimar el módulo de la ganancia a cualquier frecuencia

33. Efectos de segundo orden en AOs • Ganancia finita en lazo abierto • Respuesta en frecuencia y ancho de banda • Corriente de polarización de entrada • Corriente de desvío de entrada • Voltaje de desvío de entrada • Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) • Resistencia de entrada • Resistencia de salida • Rapidez de respuesta (slew rate) La presencia de estas corrientes desvían el funcionamiento del AO de su comportamiento ideal

34. IB1 IB2 Efectos de segundo orden en AOs

35. Efectos de segundo orden en AOs • Ganancia finita en lazo abierto • Respuesta en frecuencia y ancho de banda • Corriente de polarización de entrada • Corriente de desvío de entrada • Voltaje de desvío de entrada • Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) • Resistencia de entrada • Resistencia de salida • Rapidez de respuesta (slew rate)

36. IB1 IB2 Efectos de segundo orden en AOs Las dos corrientes de polarización serán iguales sólo si ambos transistores tienen igual  IOS=IB1-IB2 Corriente de desvío de entrada Ipolar=(IB1+IB2)/2

37. I2 IB I1 Este término puede ser importante si R2 es muy grande  Efectos de segundo orden en AOs VA Si A, VA=0

38. IB VA IB VB  Si R=R1||R2 Efectos de segundo orden en AOs ¿Y si IB1IB2?

39. Efectos de segundo orden en AOs • Ganancia finita en lazo abierto • Respuesta en frecuencia y ancho de banda • Corriente de polarización de entrada • Corriente de desvío de entrada • Voltaje de desvío de entrada • Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) • Resistencia de entrada • Resistencia de salida • Rapidez de respuesta (slew rate) Si las dos terminales de entrada se conectan entre sí, en un caso práctico se obtiene una componente en DC

40. Efectos de segundo orden en AOs La salida se puede hacer nula conectando una fuente de alimentación DC entre las dos entradas del AO

41. Efectos de segundo orden en AOs • Ganancia finita en lazo abierto • Respuesta en frecuencia y ancho de banda • Corriente de polarización de entrada • Corriente de desvío de entrada • Voltaje de desvío de entrada • Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) • Resistencia de entrada • Resistencia de salida • Rapidez de respuesta (slew rate) El AO ideal responde únicamente a la diferencia de tensiones aplicadas a sus entradas. Esto no ocurre con el amplificador real.

42. El CMRR es función de la frecuencia y decrece con ella Efectos de segundo orden en AOs Vd=VA-VB  Vo=AdVd-AcVc Vc=(VA+VB)/2

43. Efectos de segundo orden en AOs • Ganancia finita en lazo abierto • Respuesta en frecuencia y ancho de banda • Corriente de polarización de entrada • Corriente de desvío de entrada • Voltaje de desvío de entrada • Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) • Resistencia de entrada • Resistencia de salida • Rapidez de respuesta (slew rate)

44. Efectos de segundo orden en AOs • Ganancia finita en lazo abierto • Respuesta en frecuencia y ancho de banda • Corriente de polarización de entrada • Corriente de desvío de entrada • Voltaje de desvío de entrada • Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) • Resistencia de entrada • Resistencia de salida • Rapidez de respuesta (slew rate)

45. Efectos de segundo orden en AOs

46. El A741