Opamp1

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Opamp1

  1. 1. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (I)Concepto general de amplificador operacional:Amplificador diferencial con una ganancia de tensión elevada, acoplo directo y diseñadopara facilitar la inclusión de una red de realimentación. El A.O. puede ser considerado comoun bloque funcional analógico.Concepto de amplificador operacional ideal:Amplificador operacional con características idealizadas. Es un modelo matemático más queun circuito electrónico real.Impedancia de entrada: infinita Corrientes de polarización nulasImpedancia de salida: cero Asimetrías (offsets) nulasGanancia de tensión en modo diferencial: infinitaGanancia de tensión en modo común: ceroAncho de banda: fL =0 (DC) ; fH infinita SlewRate: infinito (V/µs) µ 1
  2. 2. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (I) Vi = V1 − V2 V2 Vo V1 Vo = AV ⋅ ViConcepto de amplificador operacional real:Ganancia de tensión (bucle abierto): 1000 a 100000 (60 dB a 100 dB)Amplificador operacional realizable como circuito electrónico:Impedancia de entrada: 2 MΩ a 1GΩ Ω Ω Impedancia de salida: 50 Ω a 1 KΩ ΩCorr. polarización Ib: 10 pA a 10 µA Offset Vio: 1 nV a 10 mVCMRR: de 80 a 120 dB fH (ganancia 1): 100 KHz a 1 GHz SlewRate: 0.1 V/µs a 1000 V/µs µ µ 2
  3. 3. Electrónica Analógica: Opamps1 TABLA COMPARATIVA DE OPERACIONALES REALES Tipo Vcc Icc Vio Ib Iomax R2R Av Ft SR Vn InBipolar básico ±15 1.7 2 80 25 no 2E5 1 0.5 30 ? LM741BiFet básico ±15 5 1 .03 25 no 2E5 4.5 12 15 0.01 LF356CMOS básico ±5 2.2 0.3 .001 3 out 1.5E3 2.2 3.6 9 .001 (mA/V) TLC2272 BiFet rápido ±5 16 0.3 .002 70 no 1E3 230 290 7 .0013 OPA656 RL=100CMOS rápido ±2.5 5 2 .003 100 In & 3E5 250 150 6.5 .05 OPA354 outBipolar CFOA ±5 5 2 3E3(+) 70 no 900 600 1.2k 2 .002(+) 5E3(-) .018(-) AD8002 kΩ V mA mV nA mA MHz V/µs nV/√Hz pA/√Hz µ √ √ 3
  4. 4. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (I)Función de transferencia estática: VO SATURADO +Ideal (eje y) +VccCasi IdealReal (|Vsat| < |Vcc|) Avol (bucle abierto) Vi = V1 − V2 Vio -Vcc SATURADO - Voo 4
  5. 5. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (I)Slew Rate: Vi, VoPendiente máxima de la salidaVi en rojo Pdte. máximaVo en negro tNOTA: Los fabricantes suelen medirel slew rate para el montaje seguidorde tensión (Av= 1), aplicando unescalón en la entrada. 5
  6. 6. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II)Aplicaciones del Amplificador Operacional:Con Realimentación Negativa Lineales Amplificadores Amplificador inversor Amplificador no inversor y seguidor de tensión Sumador Amplificador diferencial Convertidor V-I y convertidor I-V Integrador y derivador 6
  7. 7. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II)Aplicaciones del Amplificador Operacional (cont):Con realimentación Negativa (cont) No Lineales Rectificadores de media onda Rectificador de onda completa Recortadores Convertidor logarítmico (NO) 7
  8. 8. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II)Aplicaciones del Amplificador Operacional (cont):Sin realimentación Comparador simpleCon realimentación Positiva Comparador de Scmitt (Schmitt trigger)Con ambas realimentaciones (Negativa y Positiva) Con predominio de la negativa Osciladores senoidales Con predominio de la positiva Osciladores de relajación 8
  9. 9. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II)Aplicaciones: Amplificador no inversorSe supone que Avol no es infinita (única característica no ideal deloperacional).Se aplica una tensión Vi en la entrada no I R1 R2inversora.Vo= Avol * (Vi-V2) V2I= V2/R1 = (Vo-V2)/R2 Vo ViMultiplicando por R1*R2V2*R2 = Vo*R1 – V2*R1V2 = Vo*R1 / (R1+ R2)Vo= Avol * Vi – Avol * Vo*R1 / (R1+R2) 9
  10. 10. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II)Despejando VoVo (1 + Avol*R1/(R1+R2)) = Avol*ViY la ganancia (en bucle cerrado)Av= Vo / Vi = Avol / (1 + Avol*R1/(R1+R2))Que tiene el formato de la ley de realimentación:“Avf = Av / (1 + Av*β)” βIdentificando:β = R1 / (R1+R2)Si Avol tiende a infinito (equivale a tierra virtual: V1 = V2)Av = 1 / β = 1 + R2/R1 10
  11. 11. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II)Aplicaciones: Amplificador inversorSe supone que el operacional es ideal.Si el operacional no está saturado: R1 I R2 ViV1 = V2 ; V2 = 0I= Vi / R1 = -Vo / R2 V2 VoAv= Vo / Vi = - R2 / R1 V1 11
  12. 12. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II)Sumador inversor:El circuito sumador inversor permite sumar variasseñales de forma ponderada. Todas las señales deentrada aparecen invertidas en la salida.Se supone que el operacional no está saturado (ideal) por lo que la tensión en la entrada inversoradel operacional es cero. Por lo tanto, la corriente If que circula por RF hacia la derecha es: Y la tensión de salida Vo es: V1 V2 V3 If = + +  V1 V2 V3  R1 R2 R3 Vo = − RF  + R R + R    1 2 3RF permite ajustar la ganancia global, y R1, R2 y R3 permiten ajustar la ganancia individual de cadaentrada. 12
  13. 13. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II)Seguidor de tensión:El seguidor de tensión es un caso particular del amplificador noinversor, en el que se hace R1 infinita o R2 cero, o ambasasignaciones. Vo = ViAmplificador diferencial básico R2 Va = V1 ⋅ Va = Vb R1 + R2 V2 − Va Va − Vo R2 = Vo = ⋅ (V1 − V2 ) R1 R2 R1CMRR infinito (teórico) 13
  14. 14. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II)Integrador: vi 1 i= R vc = C ∫ i ⋅ dt 1 1 vo = − vc vo = − ∫ i ⋅ dt = − ∫ vi ⋅ dt + k C R ⋅CDerivador o diferenciador: dvi i =C⋅ vo = −i ⋅ R dt dvi vo = − R ⋅ C ⋅ dt 14
  15. 15. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II)Convertidor V→I: →La conexión directa del generador Vs a la carga RL no realizauna conversión V→I correcta, ya que la corriente en la carga →dependería del valor de RL.El convertidor V→I con operacional sí genera una →conversión correcta porque:1) Rs no provoca caída de tensión, dado que la impedanciade entrada del opamp es infinita.2) La corriente Io no depende del valor de RL.La tensión en la entrada no inversora es igual a Vs. La de laentrada inversora es igual. Por lo tanto: Vs IL = R 15
  16. 16. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II)Convertidor V→I con carga a masa: →Es preciso que: R4/R2 = R3/R1 = n (R4=n·R2 ; R3=n·R1)La corriente que circula por R2 y R1 de derecha a izquierda sedesigna como I 2 . La que circula por R4 de derecha a izquierdase designa como I 4 . La corriente I4 es n veces menor que la I2 ,porque ambas comparten la misma caída de tensión (Vop-V)pero R4 es n veces mayor que R2. V − Vi I 2 V − Vi V − Vi I2 = I4 = = = R1 n n ⋅ R1 R3La corriente que circula por la carga hacia masa es: V − Vi V V − Vi − V − Vi − Vi I L = I4 − I3 = − = = IL = R3 R3 R3 R3 R3que no depende del valor de RL . Si la carga RL es infinita, el circuito es inestable. 16
  17. 17. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II)Convertidor I→V: →La conexión directa del generador a la carga RL no realiza unaconversión I→V correcta, ya que la tensión en la carga →dependería del valor de RL.El circuito convertidor basado en un amplificadoroperacional realiza la conversión correctamente, yaque la tensión en bornas de la resistencia Rs es cero(tierra virtual) y no circula corriente por Rs. Vo = − I s ⋅ REl valor de RL no afecta a Vo . 17
  18. 18. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (III)Rectificador de media onda (1): La caída de tensión en el diodo delrectificador básico de la figura hace que laamplitud en Vo sea menor que la de la señal deentrada. El circuito con operacional evita este inconveniente. Cuando la señal Vi es positiva, latensión de salida del operacional se eleva para compensar la caída de tensión en el diodo. Cuando la señal en Vi es negativa, el diodo no conduce, y el operacional queda en bucleabierto (sin realimentación). En estas condiciones la resistencia RL mantiene la tensión desalida del rectificador a cero. Al mismo tiempo, la salida del operacional se saturanegativamente. 18
  19. 19. Electrónica Analógica: Opamps1Rectificador de media onda (2): Vop(Vs en verde; Vo en rojo; Vop en azul)El inconveniente de este circuito es que norectifica correctamente si la señal Vi es defrecuencia elevada. Ésto se debe a que eloperacional tiene un slew-rate muy lento y tardademasiado tiempo en pasar de –6V a 0V.La gráfica superior se ha obtenido con una Vs de50 Hz, y la inferior con 10 kHz. 19
  20. 20. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II)Rectificador de media onda rápido (inversor).Este rectificador es más rápido porque la salida deloperacional no se satura en ningún momento, lo que seconsigue utilizando dos diodos.La salida del rectificador está marcada en la figura comoVo. Cada diodo conduce en medio ciclo de la señal deentrada.La gráfica se ha obtenido con una señal de entrada senoidalde 10 kHz (trazo verde). La salida Vo (trazo rojo)está invertida con respecto a la entrada (rectificadorinversor). La señal, aunque no es perfecta, esclaramente mejor que la del rectificador básico.El trazo azul corresponde a la salida del operacional(Vop).Vs < 0 Conduce D1 Vo= -Vi Vop= Vo+VDVs > 0 Conduce D2 Vo= 0 Vop= -VD 20
  21. 21. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II) Hay una gran variedad de circuitos rectificadores de onda completa (patentes, publicaciones). Referencia: “Versatile Precission Full-Wave Rectifiers...”, Stephan J. G. Gift, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurements, October 2007.Rectificador de ondacompleta.Vs= trazo verdeVop1= trazo azulVo= trazo rojo 21
  22. 22. Electrónica Analógica: Opamps1 R1 R2 R4 R5 Vi D1 Vop Vo D2 R3 R1=R2=R3=R4=R5=RSi Vi>0: D1 ON, D2 OFF I=Vi/R R1 V=0 R2 V2= -Vi R4 R5 Vi D1 Vo = −V2 = Vi Vo Vop=V2-Vd1 I=0 V=0 R3 22
  23. 23. Electrónica Analógica: Opamps1Si Vi<0: D1 OFF, D2 ON I2= V3/2R (1) R1 R2 R4 R5 V=0 Vi (3) V3 3*I2 Vop=V3+Vd2 Vo D2 V3 R3 (2)(1) Vi = −3 ⋅ I 2 ⋅ R 2(2) V3 = 2 ⋅ I 2 ⋅ R = − Vi 2*I2 3 V  3(3) Vo = V3 +  3  ⋅ R = V3 = −Vi  2R  2Por lo tanto, para ambas polaridades se obtiene: Vo= |Vi| 23
  24. 24. Electrónica Analógica: Opamps1 Amplificadores Operacionales (II)Detector de pico.Se obtiene añadiendo un condensador al rectificadorsimple.La primera gráfica muestra una señal de entrada senoidal(200 Hz) con amplitud creciente, para poder observar Vopcomo la salida se mantiene en el valor máximo.La segunda muestra un detalle de la inestabilidad en Vop(salida del operacional). Pregunta: C1, ¿se descarga? 24
  25. 25. Electrónica Analógica: Opamps1Detector de envolvente.Se obtiene añadiendo una resistencia en paralelocon el condensador del detector de pico.El condensador se descarga a través de laresistencia con una constante de tiempo R·C.La señal de entrada es la misma que se aplicabaal detector de pico.La primera figura muestra el efecto de ladescarga de C. La segunda muestra un detalle dela inestabilidad en Vop. 25
  26. 26. Electrónica Analógica: Opamps1Recortadores con diodos.Se parte de un amplificador inversor de ganancia:Av= –R2/R1Y se añaden dos diodos zener en serie y oposición(conectados en paralelo con R2).Mientras los diodos no conducen (|Vo| < Vz+VD) elcircuito se comporta como un amplificador.Cuando Vo > Vz+VD el diodo D2 conduce en directa yel D1 conduce en zona zéner, limitando la tensión aaproximadamente 5V.Cuando Vo < -(Vz+VD) el diodo D1 conduce endirecta y el D2 conduce en zona zéner, limitando latensión a aproximadamente -5V.La gráfica muestra la función de transferenciaestática Vo= f(Vi) en color rojo.La recta trazada en color verde muestra laecuación:Vo=-2*Vi para que sirva de referencia. 26
  27. 27. Electrónica Analógica: Opamps1Si se reemplaza uno de los zéners con un diodo que nopresente efecto de ruptura inversa (en la zona detrabajo), se puede conseguir que el recorte se realicesolamente en una polaridad.En la figura se puede observar el recorte a –5Vaproximadamente en la parte positiva del eje x.En la zona negativa del eje x también se produce unrecorte (a 8V aprox.), pero en este caso es debido a lasaturación del operacional (que está alimentado a ± 9V).NOTA: En ambos casos las gráficas se han realizado conR2= 2*R1. 27

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