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EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL. José Fco. López Feliciano – Sebastián López Suárez Instituto Universitario de Microelectrónica Aplicada Campus Universitario de Tafira Tfno.: 928.451247 e-mail: [email protected]. Temario. El Amplificador Operacional ideal Circuitos con AOs ideales - PowerPoint PPT Presentation
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TEMA 2
E.T.S. de Ingenieros de TelecomunicaciónUniv. de Las Palmas de Gran Canaria
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© López
EL AMPLIFICADOROPERACIONAL
José Fco. López Feliciano – Sebastián López SuárezInstituto Universitario de Microelectrónica Aplicada
Campus Universitario de TafiraTfno.: 928.451247 e-mail: [email protected]
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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
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El Amplificador Operacional Ideal
V 1
V 2
V o
Ganancia de tensión INFINITA
Resistencia de entrada INFINITA
Resistencia de salida NULA
Vo=A(V2-V1)
VCC
VTT
• 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
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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.
V 1
V 2
V o
R D
AV D
• Principio de tierra virtual
i0
D
o
Di RA
v
R
vvi
12
0
V1= V2
i1= i2=0
i0
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Circuitos con AOs ideales
• Configuración inversora
V 1R 1
R 2
V 2A B
Ci1
i2
1
2
1
2
R
R
v
v
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Circuitos con AOs ideales
• Configuración inversora
1
212 R
Rvv
• 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.
V 1
R i=R 1
-(R 2/R 1)V 1
V 2
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Circuitos con AOs ideales
• Configuración inversora
1
212 R
Rvv
• 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.
V 1
R i=R 1
-(R 2/R 1)V 1
V 2
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Circuitos con AOs ideales
• Configuración inversora
1
212 R
Rvv
• La impedancia de entrada de este circuito es R1.
V 1
R i=R 1
-(R 2/R 1)V 1
V 2
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Circuitos con AOs ideales
• Configuración inversora
1
212 R
Rvv
• Si se sustituye R1 y R2 por dos impedancias cualquiera Z1 y Z2, se puede generalizar la expresión de V2 a:.
V 1
R i=R 1
-(R 2/R 1)V 1
V 2
1
212 Z
Zvv
V 1Z 1
Z 2
V 2
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© López
Configuración no inversora
V 1
R 1
R 2
V 2
1
2
1
2 1R
R
v
v
V 1
[1+(R 2/R 1)]V 1
V 2
Caso particular: R1= y R2=0
V 1
V 2
V2=V1
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Ejempl
o 1
Obtener una expresión para la ganancia en lazo cerrado (vo/vi) delsiguiente circuito. Usar el circuito como un amplificador inversor con una ganancia igual a 100 y una resistencia de entrada de 1 Msuponiendo que no se pueden utilizar resistencias superiores al M.
vo
v iR 1
R 2
R 3
R 4
v1
vX
i1
i2i3
i4
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Ejemplos de circuitos con AOs
• Integrador
V 1R
V 2
C t
dtvRC
v0
12
1
Si en t=0 tenemos VC:
t
C dtvRC
Vv0
12
1
constante de tiempo de integración
VC=0 en t=0
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Ejemplos de circuitos con AOs
• Integrador positivo
vA
vB
V 1
2R
2R
V 2
2R
2R
C
i1i2
iC
t
dtvRC
v0
12
1
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© López
Ejemplos de circuitos con AOs
• Diferenciador
dt
dVRCv 1
2
V 1
R
V 2
CZ2=RZ1=1/(sC)
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Ejemplos de circuitos con AOs
• Sumador
N
i i
ioo R
VRv
1
V 1
R o
V oV 2
V 3
V N
R 1
R 2
R 3
R N
i1
i2
i3
iN
io
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Ejemplos de circuitos con AOs
• Amplificador diferencial
• V1=0
Prin
cipi
o de
sup
erpo
sici
ón
1
22
43
42 1
R
Rv
RR
Rvo)( 12
1
2 vvR
Rvo con
R2/R1=R4/R3
• V2=0
11
21 v
R
Rvo
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© López
Ejempl
o 2
Determinar la tensión de salida en función de las tensiones deentrada para el siguiente circuito.
V A
R 4
V o
V B
V C
R 1
R 2
R 3
R 6
R 7
R 5
R 8
V D
A 1
A 2
A 3
R1= R2= R3= R6=6KR4=24KR5=12KR7=4KR8=2K
V1
V2
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Ejempl
o 3
Diseñar un circuito capaz de resolver la ecuación diferencial que da el desplazamiento de un móvil de masa m sometido a una fuerzaexterior f(t) y a la acción de una fuerza elástica y a un rozamiento.
)(2
2
tfkydt
dyC
dt
ydm
y
m
k
dt
dy
m
Ctf
mdt
yd )(
12
2
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© López
Ejemplos de circuitos con AOs
• Amplificador logarítmico
S
ITo IR
vLnVv
V IR
V o
D
T
oS V
vII exp
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© López
Ejempl
o 4
Usar el principio de superposición para calcular vo en función de v1, v2 y v3.
V o
9K1K
A 32K
3K
v3
v1
v2
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Amplificadores de Instrumentación
SENSOR
Transductor
Acondicionadorde señal
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Amplificadores de Instrumentación
SENSOR
Transductor
Acondicionadorde señal
Desventajas:• Baja resistencia de entrada• Su ganancia no se puede variar fácilmente
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Amplificadores de Instrumentación
Vo1
Vo2
Amplificador diferencialP
rinci
pio
de ti
erra
virt
ual
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Amplificadores de Instrumentación
Vo1
Vo2
V1
V2
3
4
1
2
12
21
R
R
R
R
vv
vA od
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Amplificadores de Instrumentación
Vo1
Vo2
V1
V2
3
4
1
2
12
21
R
R
R
R
vv
vA od
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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)
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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
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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
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Efectos de segundo orden en AOs
-20 dB/decadao
-6 dB/octava
Esta caída se puede mejorar añadiendo una capacidaddenominada “capacidad de compensación”
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Efectos de segundo orden en AOs
-20 dB/decadao
-6 dB/octava
Ancho de banda de ganancia unitaria
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-20 dB/decadao
-6 dB/octava
La ganancia A(s) se puede expresar como:
b
o
ws
AsA
1
)( b
o
wjw
AsA
1
)(
Si w>>wb:jw
wAsA bo)(
bot wAw ancho de banda de
ganancia unidado
producto ganaciaancho de banda
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-20 dB/decadao
-6 dB/octava
jw
wAsA bo)(
bot wAw jw
wjwA t)(
f
f
w
wjwA tt )(
Así pues, conociendo ft se puede estimar el módulo de la ganancia a cualquier frecuencia
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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
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R C1 R C2
Q 1 Q 2
IEE
V CC
IB1 IB2
BJT JFET MOS
IB 10-100 nA 1-10 pA <0.001 pA
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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)
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Efectos de segundo orden en AOs
R C1 R C2
Q 1 Q 2
IEE
V CC
IB1 IB2
Las dos corrientes de polarización serán iguales sólo si ambos transistores tienenigual
IOS=IB1-IB2
Corriente de desvío de entrada
Ipolar=(IB1+IB2)/2
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V 1R 1
R 2
V 2VA
I1
IB
I2
2
2
1
1
R
VVI
R
VV AB
A
Si A, VA=0 BIRR
RVV 2
1
212
Este término puede ser importante si R2 es muy grande
1
212 R
RVV
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V 1R 1
R 2
V 2
R
IB
IB
VA
VB
Si R=R1||R2 1
212 R
RVV
¿Y si IB1IB2?
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• 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
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La salida se puede hacer nula conectando una fuente dealimentación DC entre las dos entradas del AO
V o
V d-V O S
A
B
V d
V o
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• 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 detensiones aplicadas a sus entradas. Esto no ocurre
con el amplificador real.
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Efectos de segundo orden en AOs
V A
V B
V O
A CV C
A dV d
Vd=VA-VB
Vc=(VA+VB)/2 Vo=AdVd-AcVc
c
d
A
ACMRR log20
El CMRR es función de la frecuencia y decrece con ella
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• 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)
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(2º
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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)
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Efectos de segundo orden en AOs
tS
V
t
vo
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El A741
PARÁMETROS A741
Ganancia lazo abierto 2105
Zi 2 M
Zo 75
Vpp (Vcc=±15) 28 V
VOS 5 mV
IB 80 nA
IOS 20 nA
CMRR 90 dB
wT 2106 rad/s