Unidad IV Elkai

download Unidad IV Elkai

of 15

  • date post

    17-Dec-2014
  • Category

    Documents

  • view

    24
  • download

    2

Embed Size (px)

Transcript of Unidad IV Elkai

2010

CUARTA UNIDAD : EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL(OP-AMP)B B

C D AE

B

D5

V1

R9 VCC

C3

+

R7

Q1 Q2

C1 Vi1/1V 1kH z

+ U1

C2 R6

+

U2

D1 D2 R

R3 R2

R1

R4 R5D6

D3 D4Q3

RQ4

8

Felipe Isaac Paz Campos UNI-VCC

R10 V2

+

R8

C4

12/10/2010

CAPTULO 6 EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL (OP-AMP). 6.1 Introduccin El amplificador operacional (habitualmente llamado OP-AMP) es un circuito electrnico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (A) (ganancia): Vout = A (V+ V). El primer amplificador operacional monoltico data de los aos 1960, era el Fairchild A702 (1964), diseado por Bob Widlar. Le sigui el Fairchild A709 (1965), tambin de Widlar, y que constituy un gran xito comercial. Ms tarde sera sustituido por el popular Fairchild A741(1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnologa bipolar. Originalmente los OP-AMP se empleaban para operaciones matemticas (suma, resta, multiplicacin, divisin, integracin, derivacin, etc) en calculadoras analgicas. De ah su nombre. 6.2 El OP-AMP IDEAL El OP-AMP ideal tiene una ganancia infinita(A), una impedancia de entrada infinita(Zi), un ancho de banda tambin infinito(BW), una impedancia de salida nula(Zo), un tiempo de respuesta nulo y ningn ruido. Como la impedancia de entrada es infinita, tambin se dice que la corriente de entrada (Ii) es cero. 6.3 Smbolo El smbolo de un MONOLITICO es el mostrado en la figura 6.1.

+VS V+

Vout

V+ -VS Figura 6.1

En la figura 6.1 las terminales son: V+ : Entrada no inversora V-: Entrada inversora Vout: Voltaje de salida +VS: Voltaje de alimentacin positiva -VS: Voltaje de alimentacin negativa Las terminales de alimentacin pueden recibir diferentes nombres, por ejemplo en los OP-AMP basados en FET se les llama VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE. Normalmente los pines de alimentacin son omitidos en los diagramas elctricos, figura 6.2.

Figura 6.2

6.4 Comportamiento del OP-AMP en continua (DC) Se explicar el comportamiento del OPAMP en DC para cuando se tiene lazo abierto y lazo cerrado. 6.4.1 Lazo abierto Si no existe realimentacin la salida del OP-AMP ser la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100.000 (que se considerar infinito en clculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debera ser 100V. Debido a la limitacin que supone no poder

91

entregar ms tensin de la que hay en la alimentacin, el OP-AMP estar saturado si se da este caso. Si la tensin ms alta es la aplicada a la patilla +, la salida ser la que corresponde a la alimentacin +VS, mientras que si la tensin ms alta es la de la patilla -, la salida ser la alimentacin -VS. 6.4.2 Lazo cerrado Se conoce como lazo cerrado a la realimentacin en un circuito. Aqu se supondr realimentacin negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuracin, se parte de las tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone que la tensin en la patilla + sube y, por tanto, la tensin en la salida tambin se eleva. Como existe la realimentacin entre la salida y la patilla , la tensin en esta patilla tambin se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyndose tambin la salida. Este proceso pronto se estabiliza y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor. Siempre que hay realimentacin negativa se aplican estas dos aproximaciones para analizar el circuito: V+ = VI+ = I- = 0 6.5 Comportamiento del OP-AMP en alterna (AC) En principio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a partir de ciertas frecuencias aparecen limitaciones. 6.6 Parmetros DEL OP-AMP Ganancia en lazo abierto. Indica la ganancia de tensin en ausencia de realimentacin. Se puede expresar en unidades naturales (V/V, V/mV) o

logartmicas (dB). Son valores habituales 100.000 a 1.000.000 V/V. Tensin en modo comn. Es el valor medio de tensin aplicado a ambas entradas del operacional. Tensin de Offset. Es la diferencia de tensin, aplicada a travs de resistencias iguales, entre las entradas de un operacional que hace que su salida tome el valor cero. Corriente de Offset. Es la diferencia de corriente entre las dos entradas del operacional que hace que su salida tome el valor cero. Margen de entrada diferencial. Es la mayor diferencia de tensin entre las entradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de las especificaciones. Corrientes de polarizacin de entrada. Corriente media que circula por las entradas del operacional en ausencia de seal. Slew rate. Velocidad de cambio de la tensin de salida ante un escaln a la entrada. Se mide en V/s, kV/s o similares. Rechazo de Rizado en modo comn. Relacin entre la variacin de la tensin de offset y el valor de la tensin en modo comn. Se mide en dB. 6.7 Limitaciones DEL OP-AMP Saturacin Un OP-AMP tpico no puede suministrar ms de la tensin a la que se alimenta, normalmente algunos voltios menos. Cuando se da este valor se dice que se satura, pues ya no est amplificando.

92

La saturacin puede ser aprovechada por ejemplo en circuitos comparadores. Un concepto asociado a ste es el Slew rate. Tensin de offset Es la diferencia de tensin que se da entre sus dos patillas de entrada cuando la tensin de salida es nula. Se puede expresar su dependencia de la temperatura (T) como: VOFFSET VOFFSET VOFFSET (TO ) (T TO ) (6.1) T Donde T0 es una temperatura de referencia. Una caracterstica derivada de sta es el PSRR que se expresa como: VOFFSET 1 (6.2) PSRR VCC Capacidades El OP-AMP presenta capacitancias parsitas, las cuales producen una disminucin de la ganancia conforme aumenta la frecuencia. Caracterstica Tensin-Frecuencia. Al OP-AMP tpico tambin se le conoce como amplificador realimentado en tensin (VFA). En l hay una importante limitacin respecto a la frecuencia: El producto de la ganancia en tensin por el ancho de banda es constante. Como la ganancia en lazo abierto es del orden de 100.000, un amplificador con esta configuracin slo tendra un ancho de banda de unos pocos Hercios. Al realimentar negativamente se baja la ganancia a valores del orden de 10 a cambio de tener un ancho de banda aceptable. Existen modelos de diferentes OP-AMP para trabajar en frecuencias superiores, en estos amplificadores prima mantener las caractersticas a frecuencias ms altas que el resto, sacrificando a

cambio un menor valor de ganancia u otro aspecto tcnico. 6.8 Estructura del OP-AMP. Aunque es usual presentar al OP-AMP, como una caja negra con caractersticas ideales es importante entender la forma en que funciona, de esta forma se podr entender mejor las limitaciones que presenta. Los diseos varan entre cada fabricante y cada producto, pero todos los OP-AMP, tienen bsicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas: a.- Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificacin del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial. b.- Amplificador de tensin: proporciona una ganancia de tensin. c.- Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, proteccin frente a cortocircuitos. En la figura 6.3 se muestra la estructura del OP-AMP LM741.B B

C D AE

B Figura 6.3

En el diagrama de la figura 6.3 se destaca: La etapa de la parte A el amplificador

93

diferencial. ste es el responsable de que las corrientes de entrada no sean cero, pero si respecto a las de los colectores (Ntese como a pesar de aproximar las corrientes de entrada a 0, si stas realmente fueran 0 el circuito no funcionara). La impedancia de entrada es de unos 2M. Las etapas de la parte B son espejos de corriente. El superior de la izquierda sirve para poder soportar grandes tensiones en modo comn en la entrada. El superior de la derecha proporciona una corriente a la circuitera de salida para mantener la tensin. El inferior tiene una baja corriente de colector debido a las resistencias de 5k. Se usa como conexin de gran impedancia a la alimentacin negativa para poder tener una tensin de referencia sin que haya efecto de carga en el circuito de entrada. Los pines llamados Offset null son usados para eliminar las tensiones de offset que pueda haber en el circuito. La etapa de ganancia en tensin es NPN. La seccin de la parte C es un desplazador de tensin. Esto proporciona una cada de tensin constante sin importar la alimentacin. En el ejemplo 1V. Esto sirve para prevenir la distorsin. El condensador se usa como parte de un filtro paso bajo para reducir la frecuencia y prevenir que el OP-AMP oscile. La salida en la parte D es un amplificador PNP seguidor con emisor push-pull. El rango de la tensin de salida es de un voltio menos a la alimentacin, la tensin colector-emisor de los transistores de salida nunca puede ser totalmente cero. Las resistencias de salida hacen que la corriente de salida est limitada a unos 25mA. La resistencia de salida no es cero, pero con realimentacin negativa se aproxima.

6.9 Diferentes encapsulados En la figura 6.4 se muestran dos de los encapsulados ms comunes utilizados para los OP-AMP.

Figura 6.4

6.10 Anlisis de circuitos con OP-AMP. Para analizar un circuito en el que haya OP-AMP, este anlisis se har considerando las Caractersticas ideales del OP-AMP. Zi ; Zo0; A; V+ = V- Si existe realimentacin. 6.11 Aplicaciones del OP-AMP Debido a la sencillez con que funciona un OP-AMP, existe un nmero inmenso de aplica