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Subido porAntonio Ortega Valera
T5 Amplificador Operacional
El documento aborda el amplificador operacional (AO) como un circuito integrado clave en electrónica analógica, describiendo sus características, etapas de funcionamiento y aplicaciones tanto lineales como no lineales. Se analizan aspectos como la realimentación negativa, métodos de diseño y diferentes configuraciones de circuitos. Además, se mencionan ejemplos prácticos de uso, incluidos comparadores y circuitos integradores.
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- 1. TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA 1 ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL TEMA 5
- 2. TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA 2 T5.EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL 1. Introducción 1.1 Realimentación 2. El amplificador operacional ideal. Características 2.1 El AO sin realimentación 2.2 El AO realimentado 3. Aplicaciones 3.1 Lineales 3.1.1 Amplificador inversor 3.1.2 Amplificador no inversor 3.1.3 Seguidor o BUFFER 3.1.4 Sumador 3.1.5 Amplificador diferencial 3.2 No lineales
- 3. 3TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 1 INTRODUCCIÓN El Amplificador Operacional (AO) es un circuito integrado que contiene un amplificador multietapa y se utiliza fundamentalmente en electrónica analógica. La ventaja de utilizar operacionales es que las aplicaciones son muy sencillas de diseñar. Su símbolo es:
- 4. 4TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 1 INTRODUCCIÓN Esquema general simplificado de un AO: Un AO comercial integrado consta de al menos 20 transistores. 1ª Etapa diferencial: Define las características de entrada del AO. 2ª Etapa diferencial: Aumenta la ganancia diferencial y adapta los niveles de continua para acoplar la salida a la siguiente etapa. Etapa intermedia: Provee ganancia de potencia y adapta los niveles de continua. Etapa de salida: Suele ser un amplificador de corriente que disminuye la impedancia de salida para favorecer la adaptación de impedancias. IE1 IE2 IE VCE1 VCE2
- 5. 5TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 1.1 Realimentación
- 6. 6TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 2. EL AO IDEAL. CARACTERÍSTICAS. En la mayoría de ocasiones el AO se alimenta con una fuente simétrica que le permite obtener tensiones de salida de ambas polaridades. TIPOS DE FUENTES SIMÉTRICAS 1 2 3 4
- 7. 7TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 2. EL AO IDEAL. CARACTERÍSTICAS. El circuito equivalente del AO ideal es: Av·(V+-V-)
- 8. 8TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 2. EL A.O. IDEAL. Características
- 9. Existe un valormáximo para la corriente iomax que es necesario tener en cuenta a la hora de conectarle con una carga. Es posible aumentar la corriente máxima de salida interconectando en paralelo varios AOs idénticos. 9TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL 2. EL A.O. IDEAL. Características CA Z Is=Is1+Is2 Is2 Is1
- 10. 10TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 2.1 El AO sin realimentación
- 11. 11TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 2.2 El AO realimentado Para la mayoría de las aplicaciones de los AOs se usa la realimentación negativa. Según la naturaleza de los elementos externos al AO, tendremos aplicaciones lineales y no lineales. Con realimentación positiva sólo será posible realizar Comparadores y Osciladores.
- 12. 12TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 3. APLICACIONES LINEALES En general, el método para analizar los circuitos que contengan AOs realimentados negativamente consiste en seguir una serie de pasos: 1. Etiquetar tensiones e intensidades en cada AO, teniendo en cuenta que las corrientes de entrada al AO son nulas (i+=i-=0) y que la tensión en sus entradas es la misma (V+=V-). También es necesario etiquetar la tensión de salida del AO. 2. Aplicamos Millman teniendo en cuenta que no podemos escoger nunca el nodo de salida del AO. También podemos aplicar Kirchoff, mallas, etc… 3. Finalmente expresamos la tensión de salida en función de la tensión o tensiones de entrada.
- 13. 13TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 3.1 APLICACIONES LINEALES Amplificador inversor Vp Vn ip in Vs CORTOCIRCUITO VIRTUAL: Vp=Vn CORRIENTES NULAS: in=ip=0 =0V =0A =0A NODO MILLMAN EN NODO: 𝟎 = 𝑽𝒊 ∙ 𝑹 𝟐 + 𝑽 𝒐 ∙ 𝑹 𝟏 𝑹 𝟐 + 𝑹 𝟏 SALIDA: 𝑽 𝒐 = − 𝑹 𝟐 𝑹 𝟏 𝑽𝒊 R2>R1 Amp.inversor R2=R1 Buffer inversor R2<R1 Aten.inversor =VO ii =0V El valor de R1 debe ser alto para una buena adaptación de impedancias ii
- 14. 14TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 3.1 APLICACIONES LINEALES Amplificador no inversor SALIDA: 𝑽 𝒐 = 𝟏 + 𝑹 𝟐 𝑹 𝟏 𝑽𝒊
- 15. 15TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 3.1 APLICACIONES LINEALES Seguidor o BUFFER 1o v i V A V
- 16. 16TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 3.1 APLICACIONES LINEALES Amplificador sumador inversor 1 2 1 2 ... n o f n VV V V R R R R Si Rf=R1=R2=…=Rn Vo=-(V1+V2+…+Vn) Si Rf=(A·R1)/n=(B·R2)/n=…=(Z·Rn)/n Si R1=R2=…=Rn y Rf=R1/n 𝑽 𝒐 = − 𝑽 𝟏+𝑽 𝟐+⋯+𝑽 𝒏 𝒏 𝑽 𝒐 = − 𝑨·𝑽 𝟏 + 𝑩·𝑽 𝟐 + ⋯ + 𝒁·𝑽 𝒏 𝒏 Los valores de R1, R2, …Rn deben ser altos para garantizar una buena adaptación de impedancias
- 17. 17TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 3.1 APLICACIONES LINEALES Amplificador restador 2 1 1 34 3 1 2 4 1 o R RR R V V V R R R R Si R1=R2=R3=R4 Vo=V2-V1 Si R1=R2 y R3=R4 𝑽 𝒐 = 𝑹 𝟑 𝑹 𝟏 𝑽 𝟐 − 𝑽 𝟏
- 18. 𝑉𝐶 = −𝑉𝑜18TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL 3.1 APLICACIONES LINEALES Integrador Vn=0V Vp=0V ip=0A in=0A iR iC CORRIENTES EN EL NODO: iR=iC 𝑉𝑖 𝑅 = 𝐶 𝑑𝑉𝐶 𝑑𝑡 𝑉𝑜 = − 1 𝑅𝐶 0 𝑇 𝑉𝑖 𝑑𝑡 + 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 Si Vi es cte. Si Vi es cuadrada la salida será triangular 𝑉𝑜 = − 𝑉 𝑖 𝑅𝐶 𝑡 SEÑAL DE ENTRADA SALIDA 𝑑𝑉𝐶 = 𝑉𝑖 𝑅𝐶 𝑑𝑡 + -
- 19. 𝑉𝑜 = −𝑅𝐶 𝑑𝑉𝐶 𝑑𝑡 SiVi es cte. Vo=0V 19TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL 3.1 APLICACIONES LINEALES Derivador i o v t v t = -RC d dt iC Vp=0V Vn=0V ip=0A in=0A iR CORRIENTES EN EL NODO: iC=iR 𝐶 𝑑𝑉𝐶 𝑑𝑡 = − 𝑉𝑜 𝑅 𝑉𝑜 = −𝑅𝐶 𝑑𝑉𝑖 𝑑𝑡 Si Vi es triangular la salida será cuadrada Si Vi es una rampa Vo=cte. + - 𝑉𝐶 = 𝑉𝑖
- 20. 20TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 3.2 APLICACIONES NO LINEALES Para las aplicaciones no lineales de los AOs se usa la realimentación positiva (o predominantemente positiva). También se puede usar realimentación negativa a través de dispositivos no lineales (diodos, transistores, etc). Cuando el AO se encuentra en región no lineal dejan de ser válidas las premisas usadas para las aplicaciones lineales, es decir, NO SE CUMPLE: Lo que si podemos aseverar en la región no lineal es que la salida estará saturada, es decir:
- 21. 21TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 3.2 APLICACIONES NO LINEALES
- 22. 22TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 3.2 APLICACIONES NO LINEALES Ejemplo: Circuitos detectores de paso por cero 1 2
- 23. 23TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA T5. ELAMPLIFICADOR OPERACIONAL 3.2 APLICACIONES NO LINEALES Comparador con histéresis 1. Suponiendo Vo=+Vsat, averiguar la tensión de entrada (+Vx) para la cual se produce el cambio en la tensión de salida. 2. Ídem suponiendo Vo=-Vsat para calcular -Vx. 3. Calcular el ancho de histéresis (ΔVx) y el valor medio (Vm).
Notas del editor
- #4 Los primeros AO que se construyeron fueron de válvulas de vacío y hacían fundamentalmente operaciones aritméticas, de hay su nombre. Con la aparición de los semiconductores se amplían sus aplicaciones. El AO también se usa fundamentalmente en aplicaciones analógicas tales como: amplificación, suma, resta, derivación, integración, generación de señales, comparación, fuentes de corriente, fuentes de tensión, filtros activos, convertidores AD y DA, etc… Su configuración es relativamente sencilla para la mayoría de aplicaciones. Terminales: Entrada inversora, no inversora, alimentación simétrica y terminal de salida.
- #5 Un AO se compone habitualmente de un par de etapas diferenciales, una intermedia de adaptación y ganancia, y una etapa final. La 1ª etapa diferencial amplifica e impone una alta impedancia de entrada en el dispositivo. La 2ª etapa diferencia aumenta la ganancia. La etapa intermedia provee ganancia de corriente haciendo la señal más robusta La etapa de salida disminuye la impedancia de salida. Detengámonos en la 1ª etapa diferencial y observaremos una fuente de corriente cuya función es polarizar de manera estable los emisores de los transistores que forman el par diferencial. Estos transistores idealmente solo amplificarán las diferencias de tensiones aplicadas en sus bases. Efectivamente, por ejemplo, si partimos de dos tensiones iguales de entrada v1=v2 la corrientes de colector serán iguales n(recordar que Ic=betaxIb), y la salida diferencial será nula puesto que ambas tensiones colector emisor serán idénticas. Partiendo de ese estado, si disminuimos el valor de la entrada v1, entonces la corriente de emisor Ic1 disminuirá y por tanto la tensión Vce1 aumentará, a su vez la corriente de emisor Ie2 aumentará puesto que Ie1+Ie2=Ie y por tanto también aumentará la corriente Ic2 que conllevará una disminución de Vce2.
- #6 En un AO, realimentar es conectar la salida con alguna de sus dos entradas. Realimentación negativa permite establecer la ganancia deseada ya que restamos a la entrada parte de la señal de salida. Con ello conseguimos un comportamiento lineal del sistema dependiente de la naturaleza de los componentes externos que conectemos. Es la configuración usada en la mayoría de aplicaciones. Por otra parte la realimentación positiva incrementa aún más la ganancia del amplificador, por tanto con esta configuración el AO trabaja en saturación, es decir, la salida oscila entre los extremos de la alimentación simétrica. Se utiliza principalmente en el diseño de comparadores y osciladores.
- #7 Lo habitual es emplear una fuente de alimentación simétrica, tal y como se muestra en la fig. 1 Si disponemos de dos fuentes independientes deberemos conectarlas en serie y establecer la conexión de masa en el punto de interconexión entre al ánodo y el cátodo de ambas fuentes. En la fig. 3 se muestra como obtener alimentación simétrica a partir de una sola fuente y dos diodos zener idénticos. De la misma forma que en el caso anterior la conexión de masa parte del punto de interconexión entre al ánodo y el cátodo de ambos diodos zener. Por último podemos conseguir una alimentación simétrica a partir de una fuente y un potenciómetro con el cursor situado en su punto medio (también se pueden usar dos resistencias del mismo valor), conectando el terminal de masa al propio cursor (o al cable de interconexión entre las resistencias en caso de usar estas)
- #8 Si el AO no se alimenta simétricamente no podremos obtener tensiones de salida negativas. En un AO ideal tanto la ganancia de tensión como la impedancia de entrada es infinita mientras que la impedancia de entrada es nula, lo cual, convierte al AO en un dispositivo ideal para amplificar tensiones.
- #9 Idealmente el AO no amplifica señales en modo común (aquellas que permanecen en ambas entradas por igual) Por otra parte la tensión de salida en un AO ideal no puede superar la tensión simétrica de alimentación. En un AO ideal no existe ruido, variaciones por factores ambientales. Por último en un AO ideal tampoco existe retardo o tiempo de propagación ante cambios en la seña de entrada y sus consecuentes cambios en la señal de salida.
- #10 El AO siempre establecerá el nivel de salida adecuado en función de la amplitud de la señal de entrada diferencial y la ganancia configurada pero tendrá obviamente dos límites claros, como se ha comentado previamente la tensión de salida no podrá superar el valor de la alimentación y por otra parte, si conectamos una carga que demande más corriente de la que el AO pueda suministrar tampoco se alcanzará el valor de tensión adecuado en la salida. Para solucionar esto podemos seleccionar un AO con mayor capacidad de suministro de corriente o conectar varios AOs idénticos en paralelo, con lo que conseguiremos que la corriente total suministrada sea la suma de todas las corrientes de salida de cada AO.
- #11 Esta configuración comporta un comportamiento no lineal de la salida del AO, similar al comportamiento que tendrá el AO con realimentación positiva que analizaremos más tarde. La salida será +Vcc si la tensión en la entrada no inversora es mayor que la tensión en la entrada inversora. Por contra, la salida será –Vcc si la tensión en la entrada inversora es mayor que la tensión en la entrada no inversora. Este comportamiento se refleja en la función de transferencia representada en la gráfica.
- #12 Si realimentamos el AO negativamente, tendremos aplicaciones lineales y no lineales en función de los elementos externos que le conectemos. Con realimentación positiva sólo será posible realizar algunas aplicaciones no lineales como son los Comparadores y Osciladores. Entre las principales operaciones lineales están la de amplificador inversor y no inversor, la de sumador, convertidor corriente tensión, fuente de corriente, derivador e integrador. Algunas de las principales operaciones no lineales son la de Comparador, Oscilador o amplificador logarítmico.
- #13 Las aplicaciones lineales se consiguen mediante la realimentación negativa y mediante el AO en esta configuración conseguimos establecer masas virtuales que son claves para la mayoría de las aplicaciones. Una masa virtual es aquella que conserva el valor de la tensión en todos sus puntos (cortocircuito virtual) pero no ofrece un paso fácil para la corriente (tal como haría una masa real). Esto se traduce en que cuando analicemos un AO en región lineal, podremos determinar que las corrientes tanto en la entrada inversora como en la entrada no inversora serán nulas mientras que las tensiones en ambos terminales serán idénticas (cortocircuito virtual). Protocolo para el análisis de circuitos con AOs cuando estén realimentados negativamente: 1. Etiquetar tensiones en entradas de AO y la tensión de salida. Teniendo en cuenta el cortocircuito virtual de las entradas y la corriente de entrada nula en la patilla inversora y no inversora. 2. Aplicar Millman o el método de corrientes en nodos teniendo en cuenta que no puede aplicarse en ningún nodo a la salida del AO. 3. A partir de la ecuación o ecuaciones procedentes de los nodos, expresar la tensión de salida en función de la tensión o tensiones de entrada. Seguidamente veremos la aplicación práctica de esta metodología.
- #14 Vamos a analizar la salida de un amplificador inversor. En principio etiquetamos tensiones de entrada y salida y corrientes de entrada en el AO. Tendremos en cuenta el cortocircuito virtual (Vp=Vn) y corrientes de entrada al AO nulas. Identificando valores podemos determinar que la tensión en el nodo es de cero voltios mientras que la tensión de salida del circuito coincide con la propia tensión de salida del operacional. Aplicando Millman en el único nodo posible, observamos que solo llegan dos ramas a dicho nodo y se obtiene la siguiente expresión De ahí se puede deducir la expresión de salida, donde se puede comprobar como el signo de la tensión de salida es opuesto a la tensión de entrada y la ganancia de tensión se define mediante el valor de las dos resistencias externas R1 y R2. En función de los valores de ambas resistencias tendremos tres tipos de operaciones distintas… Por último calculamos la impedancia de entrada de esta configuración…
- #15 Análogamente al circuito anterior podemos obtener de manera sencilla la salida del amplificador no inversor. Analizando la expresión de salida podemos comprobar como ahora la tensión de entrada y de salida tienen el mismo signo. La ganancia es ligeramente superior a la del amplificador inversor pero por el contrario, este circuito solo puede actuar como amplificador pues la ganancia siempre será mayor de 1 sean cuales sean los valores de R1 y R2. En cuanto a la impedancia de entrada no tenemos porqué preocuparnos pues idealmente es infinita y por tanto no existirá problema de adaptación de impedancias con el dispositivo que fije la tensión de entrada.
- #16 El seguidor o buffer es un circuito cuya tensión de salida coincide con la tensión de entrada y se usa con un doble objetivo: como circuito adaptador de impedancias (pues tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida) que desacopla la impedancia de salida del circuito generador de tensión respecto de la impedancia de entrada de la carga. Como circuito que resfresca la señal de entrada proporcionando una señal de salida más robusta (es decir, con el mismo nivel de tensión pero mayor nivel de corriente).
- #17 El sumador inversor es una configuración ampliamente utilizada, cuya expresión de salida se puede obtener como lo hemos hecho en los casos anteriores y que nos permite realizar la suma algebraica, la media aritmética o la media ponderada. Los valores de R1, R2, …Rn deben ser altos para garantizar una alta impedancia de entrada y conseguir una buena adaptación de impedancias con los dispositivos que generan las tensiones de entrada.
- #18 El amplificador restador tiene la siguiente expresión de salida. Si todas las resistencias fueran iguales obtendremos la resta de la tensión V2 y la tensión V1. Si R2=R1 y R4=R3, obtendremos un amplificador diferencial básico.
- #19 Realiza la operación matemática de integrar. El circuito actúa como un elemento de almacenamiento que produce una salida de tensión que es proporcional a la integral en el tiempo de la tensión de entrada. Vamos a obtener la expresión de salida de un integrador aplicando corrientes en el nodo. Como la corriente en la resistencia es igual a la corriente que atraviesa el condensador podemos establecer la equivalencia mostrada. Teniendo en cuenta que Vc=Vo y despejando Vo para lo cual tenemos que integrar obtenemos el valor de la salida donde Vinicial es el valor inicial al que se encuentra la salida Vo.
- #20 Realiza la operación matemática de derivar. Vamos a obtener la expresión de salida del derivador aplicando corrientes en el nodo. Como la corriente que atraviesa el condensador es igual a la corriente que atraviesa la resistencia podemos establecer la equivalencia mostrada. Teniendo en cuenta que Vc=Vi y despejando Vo obtenemos el valor de la salida. La tensión de salida es proporcional a la menos derivada de la tensión de entrada y en caso de que….
- #21 Existen tres maneras de hacer funcionar un AO en región no lineal: - Con el AO en lazo abierto Con realimentación positiva o predominantemente positiva Con realimentación negativa a través de un dispositivo no lineal (diodo, transistor…). Aplicaciones que suelen combinar el trabajo del AO en región lineal y no lineal. En estas condiciones no se cumplen las premisas usadas para aplicaciones lineales, pero si podemos asegurar que la salida tendrá el valor de saturación (positivo o negativo) en función del valor de las entradas, tal y como pasaba con el AO en lazo abierto.
- #22 En esta diapositiva vemos un comparador simple realizado con un AO en lazo abierto. Describir ecuaciones de salida. Describir la característica de transferencia. Salida para una tensión de entrada alterna frente a un nivel constante de comparación
- #23 Caso particular del caso anterior donde la entrada alterna se introduce por el terminal inversor y la tensión constante de comparación es nula y está conectada en el terminal no inversor. Es posible modificar los niveles de tensión de salida haciendo uso de dos zener conectados en antiserie. Los niveles finales de tensión de salida serían los correspondientes a la tensión zener más la tensión de despegue del diodo conectado en directo.
- #24 Suponiendo Vo=+Vsat, averiguar la tensión de entrada (+Vx) para la cual se produce el cambio en la tensión de salida. Ídem suponiendo Vo=-Vsat para calcular -Vx. Calcular el ancho de histéresis (ΔVx) y el valor medio (Vm).