Tema3_Amplificadores

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  • 8/2/2019 Tema3_Amplificadores

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    1Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES

    IEEE 125 Aniversary: http://www.flickr.com/photos/ieee125/with/2809342254/

    https://reader009.{domain}/reader009/html5/0503/5aea5546f223a/5aea55488078b.jpg

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    2Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES

    1.1. IntroducciIntroduccinn

    2.2. AmplificadoresAmplificadores..3. Amplificadores bAmplificadores bsicos consicos con BJT.BJT.

    4.4. Amplificadores bAmplificadores bsicos con MOSFET.sicos con MOSFET.

    5.5. Circuitos integrados (TecnologCircuitos integrados (Tecnologa).a).

    6.6. Amplificador Operacional (AO).Amplificador Operacional (AO).

    7.7. Osciladores.Osciladores.

    8.8. Problemas propuestos.Problemas propuestos.

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    3Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Un Circuito Integrado es un circuito electrnico fabricadocompletamente sobre la cara superior de una delgada piezarectangular de semiconductor al que suele denominarse como chip.

    Un CI contiene un gran nmero de transistores que realizan variasoperaciones:

    Es difcil asignar una operacin o funcin a un solo transistor.

    Es til considerar que un CI est formado por subcircuitos (conms de un transistor) que realizan funciones especficas.

    INDICE:

    Inicialmente, vamos a estudiar las propiedades de los circuitosms sencillos con UN SOLO TRANSISTOR

    Despus vamos a estudiar como se fabrican los CIs

    A continuacin, analizaremos el AMPLIFICADOROPERACIONAL

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.1. INTRODUCCI3.1. INTRODUCCINN

    http://www.profesormolina.com.ar/electronica/componentes/int/sist_digit/image020.jpg

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    4Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Los circuitos electrnicos estn diseados para una operacin dinmica (con corrientes ytensiones en alterna):

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.1. INTRODUCCI3.1. INTRODUCCINN

    Circuito equivalente de pequea seal:

    B

    )(tvi

    BR CR

    rci

    +

    bev

    bi

    bFi

    E

    C

    BR

    CR

    CCV

    BBV

    )(tvi

    )(tVBE

    )(tVCE

    )(tIC

    )(tIBB

    C

    E

    Para realizar el estudio el transistor o el circuito electrnico sesustituye por un modelo circuital (Modelo equivalente de pequea seal)

    Previamente al estudio en pequea seal, debe estudiarse siempre la

    operacin esttica (con corrientes y tensiones de continua): lapolarizacin de los transistores y la obtencin de sus POE.

    PARA DISTINGUIR SEALES ac y dc convenio:

    Seales DC: Smbolo y subndice en MAYUSCULA

    Seales AC: Smbolo y subndice en minscula

    Valor total de la seal (ac + dc): Smbolo minscula y

    subndice en mayscula.

    BI

    bBB iIi +=

    bi

    Hoy en da los circuitos equivalentes son muy complejos, y requieren de herramientas comoSPICE (Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis).

    Sedra/Smith 2004

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    5Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Antes de proceder al estudio de amplificadores concretos, vamos a estudiar con carctergeneral, lo que entendemos por amplificador y sus diferentes tipos.

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.2. AMPLIFICADORES3.2. AMPLIFICADORES

    iI iKi =0

    Un amplificador establece una relacin (generalmente lineal) entre una seal de entrada y unaseal de salida.

    En la Figura se muestran las 4 configuraciones bsicas de amplificadores ideales.

    Amplificador de corriente ideal: (a)(Fuente de corriente controlada por corriente).

    La condicin de transferencia es

    (siendo KI la ganancia en corriente del amplificador)

    Ejemplo BJT

    Amplificador de transresistencia ideal (b)(Fuente de tensin controlada por corriente).

    La condicin de transferencia es

    (siendo KR la transresistencia del amplificador)

    iR iKv =0

    D. Pardo, et al. 1999

    D. Pardo, et al. 1999

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    6Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.2. AMPLIFICADORES3.2. AMPLIFICADORES

    iV vKv =0

    Amplificador de tensin ideal: (c)(Fuente de tensin controlada por tensin).

    La condicin de transferencia es

    (siendo KV la ganancia en tensin del amplificador)

    Amplificador de transconductancia ideal (d)(Fuente de corriente controlada por tensin).

    La condicin de transferencia es

    (siendo KG la transconductancia del amplificador)

    Ejemplo MOSFET

    iG vKi =0

    D. Pardo, et al. 1999

    D. Pardo, et al. 1999

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    7Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    BJT en emisor comn BJT en colector comn BJT en base comn BJT en emisor comn con resistencia de emisor

    3 .Amplificadores bsicos con BJTs

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    4 .Amplificadores bsicos con MOSFETs

    MOSFET en fuente comn MOSFET en fuente comn con carga de realce

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    8Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Un Circuito Integrado es un circuito electrnico fabricado completamente sobre la cara superiorde una delgada pieza rectangular de semiconductor al que suele denominarse como chip.

    La fabricacin de un CI completo lleva consigo una secuenciade muchas etapas (entre 3 y 20) de procesos tecnolgicos:

    Crecimiento del lingote Oxidacin Difusin y/o implantacin de impurezas

    Litografa Metalizacin

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES

    5 .Tecnologa de Fabricacin de CIs

    3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Todos estos pasos se realizan simultneamente paraun gran nmero (cientos o miles) de circuitos en lamisma oblea de semiconductor.

    Posteriormente cada circuito se somete a una prueba automtica de test en la que se examinan deforma individual los circuitos Se desechan los defectuosos o los que no cumplen las especificaciones Los que cumplen las caractersticas Encapsulado

    http://www.nist.gov/public_affairs/images/ChipScaleClock2_HR.jpg

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    9Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Sala blanca: Las operaciones de fabricacin de un dispositivo se realizan mediante

    sistemas robticos controlados por ordenador en salas blancas (milesde veces ms limpias que los quirfanos de hospitales).

    Los trabajadores estn vestidos con trajes especiales que cubren a

    cada persona de la cabeza a los pies. El aire se filtra continuamente y se hace recircular para mantener el

    nivel de partculas de polvo en un mnimo absoluto. La temperatura, la presin baromtrica y la humedad se controlan de

    modo que los circuitos microscpicos totalmente protegidos. Una nica partcula de humo podra destruir un proceso de crecimiento

    de un chip.

    Entrando en una sala blanca

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Tecnologa de Fabricacin de CIs

    http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom

    http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom

    http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom

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    10Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    P r o c e s o s d e f a b r i c a c i n d e u n c h i p

    S e c c i n t r a n s v e r s a ld e u n H B T d e IB M e nu n p r o c e s o B i C M O S

    La e structura de u n chip es com pleja (en su superf ic ie y en su com posicin interna tr idimen sional).

    E l chip se fabr ica m ediante m uchas capas, c a d a u n a d e l a s c u le s e s d i s e a d a d e m a n e r a d e t al la d a . Por

    ejemplo:

    Podem os crecer una capa f ina de Si0 2 (material aislante) en la superf ic ie de la oblea.

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Tecnologa de Fabricacin de CIs

    Paul, D. J. (1999), Silicon-Germanium Strained Layer Materials in Microelectronics. Advanced Materials, 11: 191204

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    11Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Como imprimir un libro en

    miniatura

    Los diseos son creados en las capas deSi02utilizando una tcnica de impresindenominada fotolitografa.

    Una capa fina de polmero sensible a lailuminacin (llamado resina) se aplica

    sobre el Si02.

    Se proyecta luz ultravioleta a travs deuna mascara de cristal tan fina que seproyecta la imagen de la mscara sobrela resina.

    La resina que no ha sido expuesta a laluz se puede lavar mediante disolventes.Tambin se elimina el Si02protectormediante diferentes tcnicas de grabadopara prepararlo para el siguiente paso enel proceso.

    Grabado y litografa

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Tecnologa de Fabricacin de CIs

    http://www.semiconductor-technology.com/projects/philips/images/image_3.jpg

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    12Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Fotografa SEM de una matriz delneas de metalizacin (rosas, verdesblancas y amarillas ) que realizan las

    interconexiones en una memoria RAM(varias celdas de memoria). El xidoaislante ha sido retirado. Gris (bajometalizaciones es el Si).(Cortesia de IBM)

    Metalizaciones: Autopistas minsculas Finalmente, se aaden las delgadas capas metlicas y de polisilicio

    (interconexiones entre los transistores individuales y entre otrosdispositivos). Algunos chips contienen ms de seis capas de

    cables de interconexin uniendo mas de 4 millones de circuitos.

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Tecnologa de Fabricacin de CIs

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    13Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    En cada uno de los pasos del proceso, las obleas son minuciosamente examinadas con un equipodiseado especialmente y controlado por ordenador, algunas de las medidas tienen lugar a escalaatmica.

    Cuando se completa el proceso de metalizacin, todos los chips de la oblea son de nuevoanalizados.

    Pruebas de test

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Tecnologa de Fabricacin de CIs

    http://www.a-m-c.com/successes/industry_highlight/semiconductor/semi_wafer_probe.jpg

    http://www.plyojump.com/classes/images/hardware/wafer_dicing.jpg

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    14Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Los chips que pasan los rigurosos test elctricos sonentonces cortados de la oblea mediante sierras

    especiales de diamante y montados en empaquetadosmetlicos o plsticos especiales denominadosmdulos. Estos mdulos son de nuevo comprobados.

    Materiales del substrato. Montaje del chip sobre la estructura: leadframe Conexiones elctricas. Tipos de empaquetado. Circuitos hbridos y placas de circuitos impresos.

    Montaje y empaquetado

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Tecnologa de Fabricacin de CIs

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    15Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    1. Crecimiento del lingote del semiconductor: oblea

    http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Fabricacin de un diodo

    jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

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    16Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    2. Crecimiento del lingote del semiconductor: oblea

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Fabricacin de un diodo

    jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

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    17Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    3. Crecimiento de una capa nativa de Si02 para la posterior aplicacin demscaras litogrficas (para la realizacin del dopaje de la regin p en una zonaselectiva del material)

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Fabricacin de un diodo

    jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

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    18Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    4. Se aplica sobre la superficie del xido un material denominado resina. Su aplicacin servir para aplicar un proceso fotolitogrfico en el que se abrir una ventana en el

    semiconductor a travs de la cul se realizar la posterior difusin de la regin p. Seguidamente, tiene

    lugar un calentamiento de la oblea de modo que la resina se solidifica.

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Fabricacin de un diodo

    jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

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    19Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    5. Posteriormente se aplica el proceso fotolitogrfico (se proyecta luz ultravioleta,UV, a travs de una mscara).

    La luz UV endurece la regin de resina expuesta a ella. Las regiones cubiertas por lamscara se eliminan mediante grabado qumico.

    mask

    UV light

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Fabricacin de un diodo

    jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

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    20Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    6. Se realiza el grabado o eliminacin de la resina fotoreactiva mediante laaplicacin de un cido.

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Fabricacin de un diodo

    jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

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    21Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    7. A travs de la ventana abierta mediante el proceso fotolitogrfico tiene lugar ladifusin o la implantacin inica de impurezas (para realizar el dopaje) de boro(impureza tipo p para el Silicio). De este modo se forma la regin p de la unin p-n.

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Fabricacin de un diodo

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    22Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    8. Se realiza la deposicin del aluminio (mediante sputtering) para la realizacindel contacto a ambos lados de la oblea.

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Fabricacin de un diodo

    jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

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    23Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    9. Se realiza un nuevo paso fotolitogrfico (no se muestra) utilizando de nuevouna resina para modificar la forma del aluminio y obtener la forma de lametalizacin final.

    Finalmente se lleva a cabo la pasivacin de la superficie que proporciona proteccinmecnica y elctrica.

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Fabricacin de un diodo

    jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

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    24Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    10. Los chips finales en la oblea tienen el aspecto que muestran las figuras (visintransversal a la izquierda y visin superior a la derecha).

    Posteriormente cada uno de ellos se separa de la oblea (se corta) y se miden sus

    propiedades elctricas (caracterizacin).

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

    Fabricacin de un diodo

    jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

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    25Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Adaptadores o acondicionadores de seal

    Convierten una seal (elctrica o no) en una seal elctrica de caractersticas especiales

    Amplificadores: necesarios paraprocesar o presentar las sealescon la instrumentacin estndar(osciloscopios, ordenadores, etc.)

    Adaptacin del rango

    Las seales pueden tener ruido (asociado por ejemplo a la red elctrica: 50 Hz) que puedeeliminarse utilizando: FILTROS o INTEGRANDO la seal

    Conversores A/D, D/A, etc.

    La mayora de estos circuitos estn basados en : Amplificador Operacional

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

    Av0=Av i

    vi

    +Vcc

    Esquema general de un amplificadorde ganancia en tensin A

    D. Pardo, et al. 1999

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    26Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Caractersticas del AO Ideal/Real

    Amplificador: circuito que a la salida proporciona ms potencia de la que toma de la sealentrada El Amplificador Operacional Ideal/Real:

    Se representa como un tringuloEntrada diferencial y salida simple

    Ganancia en tensin infinita:G= v1=v2 (10

    5-1010)

    Desde el punto de vista de impedancias:

    Impedancia de entrada infinita: (Rin = ) : 1 M-100 M toma poca corriente Impedancia de salida nula: (Rout=0): 10-50 proporciona mucha corriente

    a la salida

    Sus caractersticas no dependen de la frecuencia o la temperaturaEn l no se produce ni distorsin ni ruido

    Av0=Avi

    vi

    v1

    v2

    +Vcc

    -Vcc

    ivAvvAv == )( 210

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

    D. Pardo, et al. 1999

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    27Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    El Amplificador Operacional Real El ms utilizado es el A 741 Viene en una gran variedad de empaquetados, la mas usual es la de 8 pins duales en lnea:

    Pin n 4: - Vcc= -10 Voltios y Pin n 7 + Vcc= +10 V de alimentacin continua Pin n 2: Entrada inversora, Pin n 3: Entrada inversora Pin n 6: Salida del AO

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

    J. Turner, et al. 1999

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    28Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Estructura del Amplificador Operacional RealVCC

    VCC

    VCC

    -VEE

    12 9 138

    14

    19

    18

    15

    21

    23

    20

    2224

    1 2

    3

    4

    5

    7

    6

    1011

    16

    17

    R5

    R4

    R1 R2

    R8 R9

    R10

    39K

    5K

    1K 1K

    50K

    vi1 vi2CC

    50K 100 50K

    40K

    R6

    R7

    22

    22

    Ajuste externo de offset

    vo

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

    D. Pardo, et al. 1999

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    29Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Entradainversora

    Entrada no

    inversora

    v1

    v2

    Salida

    Etapas de

    amplificacin

    Etapa de salidaEtapa diferencial

    El Amplificador Operacional Real: El diseo de un AO real est encaminado a que sus propiedades se aproximen a las delideal

    Los lmites de amplificacin vienen dados por la alimentacin dc: Vcc Constitucin interna genrica (en bloques) de un amplificador operacional real y sus

    caractersticas de transferencia

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3 AMPLIFICADORES

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    30Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Generalmente, el AO se utiliza bajo realimentacin: REALIMENTACION NEGATIVA

    A es la ganancia en lazo abierto

    Como la ganancia A del AO es muy elevada: la salida no depende de la ganancia A sino que

    slo depende de la de la red de realimentacin

    La ganancia en lazo cerrado:

    Amplificador

    A

    Entrada

    viv0

    Salida

    Amplificador

    A

    Bloque derealimentacin

    Entrada

    vi vvr

    v0

    Salida

    ivAv =0

    0

    0

    vv

    vvv

    vAv

    r

    ri

    =

    =

    =

    ivA

    A

    v += 10 ivv

    10 =

    10 =iv

    v

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3 AMPLIFICADORESTEMA 3 AMPLIFICADORES 3 6 AMPLIF OPERACIONAL (AO)

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    31Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Reglas que han de cumplirse en prcticamente todos los circuitos de AOideales con realimentacin externa:

    Regla n 1= Dado que la ganancia G= asumir que no hay diferencia de voltaje entrelos dos terminales de entrada

    El AO ajusta v0

    de modo que la realimentacin sea capaz de hacer que (v1-v2) sea lo msprxima a cero.

    En caso contrario la salida v0

    tomara el valor de saturacin: +VCC

    o - VCC

    Regla n 2= Debe asumirse que la

    impedancia de entrada Rin=

    No entra corriente a ninguna delas dos entradas del operacional:

    21 vv =

    v2

    vx

    v0

    1 2

    vy

    1 2

    v1i1

    i20

    0

    2

    1

    =

    =

    i

    i

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3 AMPLIFICADORESTEMA 3 AMPLIFICADORES 3 6 AMPLIF OPERACIONAL (AO)3 6 AMPLIF OPERACIONAL (AO)

  • 8/2/2019 Tema3_Amplificadores

    32/47

    32Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Ejemplo n 1: Circuito Amplificador NO INVERSOR

    Aplicando las reglas

    Podemos plantear

    De donde, obtenemos la ganancia: 120

    R

    R

    v

    v

    i

    =

    21 vv =0

    0

    2

    1

    =

    =

    i

    i vi v0

    1 2

    1

    20 1R

    R

    v

    v

    i

    +=Montar en el Laboratorio

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

    Ejemplo n 2: Circuito Amplificador INVERSOR

    Se plantea:

    Obtenemos la ganancia:

    Si elegimos R1=R2 (es slo INVERSOR: ganancia = - 1)

    vi

    v0

    1 2

    Montar en el Laboratorio

    2

    0

    1

    0R

    vvRv ii =

    2

    0

    1

    00

    R

    v

    R

    vi =

    1

    20

    RR

    vvi

    =

    D. Pardo, et al. 1999

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3 AMPLIFICADORESTEMA 3 AMPLIFICADORES 3 6 AMPLIF OPERACIONAL (AO)3 6 AMPLIF OPERACIONAL (AO)

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    33/47

    33Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Ejemplo n 3: Circuito SUMADOR

    Podemos plantear:

    De donde

    La salida es (con signo menos) la sumaponderada de todas las entradas (cada entradava ponderada por su resistencia)

    Si se verifica que

    1

    20 1R

    R

    v

    v

    i

    +=

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

    v0

    RF

    v1

    R1

    v2R2

    vnRn

    Fn

    n

    R

    v

    R

    v

    R

    v

    R

    v 0

    2

    2

    1

    1

    ... =+++

    RRRR n ==== .....21

    0

    2

    2

    1

    1 ... vRv

    Rv

    RvR

    n

    nF =

    +++

    RRF =

    ( )nvvvv +++= ....210

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3 AMPLIFICADORESTEMA 3 AMPLIFICADORES 3 6 AMPLIF OPERACIONAL (AO)3 6 AMPLIF OPERACIONAL (AO)

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    34/47

    34Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Ejemplo n 4: Circuito RESTADOR

    Podemos plantear:

    Como se cumple:

    Este circuito es restador de dos seales

    21

    2

    R

    v

    R

    vv ++=

    v+

    v1

    v0

    R1 R 2

    v2

    R1 R2

    v -

    i1

    i2

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

    ( )yx vvRR

    v =1

    20

    2

    0

    1

    1

    R

    vv

    R

    vv =

    +

    = vv 12

    2

    0

    1

    1

    R

    v

    R

    v

    R

    v

    =+ D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3 AMPLIFICADORESTEMA 3 AMPLIFICADORES 3 6 AMPLIF OPERACIONAL (AO)3 6 AMPLIF OPERACIONAL (AO)

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    35/47

    35Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Ejemplo n 5: Circuito con DIODO

    Podemos plantear:

    De donde

    Este circuito nos da en la salida una seal proporcional al logaritmo de la entrada.

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

    vi

    v0

    Ri

    1

    0

    R

    vi iR

    =

    TV

    v

    D eIi

    00

    0

    =

    TVvi

    eIR

    v /0

    1

    0

    = Ti

    VvIR

    v

    /ln 00

    =

    =0

    0 lnIR

    vVv iT

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3 AMPLIFICADORESTEMA 3 AMPLIFICADORES 3 6 AMPLIF OPERACIONAL (AO)3 6 AMPLIF OPERACIONAL (AO)

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    36/47

    36Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    vi

    v0

    Cic

    i

    Ejemplo n 6: Circuito INTEGRADOR:Este circuito es idntico al Amplificador Inversor en el que laresistencia R2 ha sido sustituida por un condensador

    Podemos plantear

    Teniendo en cuenta que en un condensador la corriente que loatraviesa y la diferencia de potencial entre sus terminalescumplen:

    Obtenemos, para este caso concreto:

    Igualando

    i

    R

    vi = 0

    CdtvCR

    v i += 10La seal a la salida,a la salida, vvvv

    0

    00

    0

    , es la integral de la entrada, es la integral de la entrada vvvvi

    ii

    i

    yy

    ademadems ests est invertida (signoinvertida (signo -- ))

    Montar en el Laboratorio

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

    dt

    dvC

    dt

    dv

    dv

    dQ

    dt

    dQi cc

    cc

    ===

    dt

    vdCic

    )0( 0=

    v

    dt

    vdC i=

    )0( 0

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3 AMPLIFICADORESTEMA 3 AMPLIFICADORES 3 6 AMPLIF OPERACIONAL (AO)3 6 AMPLIF OPERACIONAL (AO)

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    37/47

    37Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Ejemplo n 7:Circuito

    DIFERENCIADOR:

    Este circuito es idntico al Amplificador Inversor en el que laresistencia R1 ha sido sustituida por un condensador

    Podemos plantear

    Igual que en el caso anterior:

    Obtenemos, para este caso concreto:

    De donde

    i

    R

    v=

    00

    dt

    dv

    CRv

    i

    =0

    Montar en el Laboratorio

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

    dt

    dvCi cc =

    dt

    vdCi ic

    )0( =

    v

    dt

    vdC i 0

    )0(=

    vi

    v0

    Ric C

    i

    La seal a la salida,a la salida, vvvv0

    00

    0

    , es la derivada de la entrada, es la derivada de la entrada vvvvi

    ii

    i

    yy

    ademadems ests est invertida (signoinvertida (signo -- ))

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3 7 OSCILADORES3.7. OSCILADORES

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    38/47

    38Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Generadores de funciones:

    Fuentes de seal calibrada y estable.

    Para transmitir, recibir o procesar informacin:necesitamos de seales elctricas de formas

    y frecuencias prefijadas.

    Generadores de seales temporales:

    Senoidales: sus parmetros son : Frecuencia Amplitud de oscilacin

    Rectangulares: adoptan dos valores de tensin diferentes Ondas cuadradas : t1= t2

    Impulsos de ondas rectangulares

    Triangulares: pueden ser simtricas Simtricas: pendiente ascendente = descendente No simtricasdiente de sierra

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

    E. Mandado, et al. 1995

    E. Mandado, et al. 1995

    E. Mandado, et al. 1995

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

  • 8/2/2019 Tema3_Amplificadores

    39/47

    39Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    AO se utiliza bajo : REALIMENTACION POSITIVA

    Amplificador

    A

    Entradavi v0

    Salida

    Amplificador

    A

    Bloque de

    realimentacin

    Entrada

    vi vvr

    v0

    Salida

    ivAv =0

    0

    0

    vv

    vvv

    vAv

    r

    ri

    =

    +=

    =

    ivA

    Av

    =

    10

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

    )( 00 vvAv i +=

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

  • 8/2/2019 Tema3_Amplificadores

    40/47

    40Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    En el amplificador con realimentacin positiva se cumple:

    Osciladores lineal: circuito electrnico cuya funcin esproducir una onda de salida senoidal sin aplicar excitacin deentrada:

    Si conseguimos Iguales en mdulo Fases diferentes

    La ganancia tiende a infinito Podramos eliminar vSy laseal de salida se mantendra sin entrada

    nicamente habr una frecuencia en la que aparecer unaseal donde se cumplen las condiciones anteriores.

    Condicin de oscilacin

    ivA

    Av

    =

    10

    AmplificadorA

    Bloque de

    realimentacin

    vrv0

    Salida

    0

    0

    vv

    vAv

    r

    r

    =

    =

    1=A

    1=A

    0= A

    3. C O S 3.7. OSCILADORES

    Amplificador

    A

    Bloque derealimentacin

    Entradavi v

    vr

    v0

    Salida

    D. Pardo, et al. 1999

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

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    41/47

    41Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Oscilador de puente de Wien: genera seal senoidal

    Un circuito oscilante que utiliza un puenteequilibrado como red de realimentacin

    Elemento activo Ampl. OperacionalGanancia muy elevada: GVResistencia de salida: R0=0

    Resistencia de entrada Ri=

    Para encontrar la ganancia del lazo:

    Se rompe el lazo de realimentacin en el punto 3 Se aplica una tensin externa V0entre terminales 3 y 4

    Aviv0

    Z1

    Z2

    2

    3

    1

    4

    R1

    R2

    R

    R

    C

    C

    A

    iAvv =0 Av

    v

    v

    vA i

    '

    0

    '

    0

    0 =='

    0

    '

    0 v

    vv

    v

    vi+

    ==

    + = vvvi

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

  • 8/2/2019 Tema3_Amplificadores

    42/47

    42Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Igualando la fase de Z1 y Z2 (arctg:Im/Re) se obtiene la frecuencia

    Para esa frecuencia adems se cumple:

    Avi

    v0

    Z1

    Z2

    2

    3

    1

    4

    R1

    R2

    R

    C

    R

    C

    Oscilador de puente de Wien: genera seal senoidal (continuacin)

    ( )+ = vvAv0

    2

    210

    Z

    ZZvv

    += +

    2

    21

    0 R

    RRvv

    +=

    C

    jRCZ

    =1

    ( )2222 1

    1

    CR

    RCjRZ

    +

    =

    )( jRZ = 11

    ( )jR

    Z = 12

    2

    32

    21

    2

    21 =+

    =+

    Z

    ZZ

    R

    RR21 2RR =

    0=1/RC

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

  • 8/2/2019 Tema3_Amplificadores

    43/47

    43Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Av i

    v0

    Z1

    Z2

    2

    3

    1

    4

    R1

    R2

    R

    C

    R

    C

    Oscilador de puente de Wien: genera seal senoidal (continuacin II)

    Circuito a montar en el laboratorio

    Utilizar los siguientes valores

    R= 5.6 K

    C= 10 nF

    R1= 10 K

    R2= 5 KOscilacin 21 2RR =

    0=2 f00=1/RC

    f0

    =2842 Hz

    Utilizar un potencimetro oresistencia variable

    10 K

    10 k

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

  • 8/2/2019 Tema3_Amplificadores

    44/47

    44Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    VCC

    V

    t

    -VCC T

    Realimentacinnegativa:el circuitooscila con

    v0 ensaturacin

    VCC

    V

    t

    -VCC T

    Oscilador de puente de Wien: genera seal senoidal (continuacin III)

    R2 muy elevada: aumenta v-

    R2 muy baja: disminuye v-

    Gvi

    v0

    Z1

    Z2

    2

    3

    1

    4

    1

    2

    C

    C

    Realimentacin

    positiva:

    O OSCILA

    VCC

    V

    t

    -VCC T

    Oscilacin R2 =R1/2 f0=2842 Hz

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

  • 8/2/2019 Tema3_Amplificadores

    45/47

    45Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Circuito generador de onda cuadrada

    La realimentacin positiva siempresigue a la salida: v+= v0

    En la salida el AO da los valoresde saturacin: +VCC, -VCC

    Si v0=+VCC v+

    = VCCLa corrienteItiende a cargar el condensador C

    Si v0=-VCC v+= - VCC

    La corrienteItiende a descargar el condensador C

    Dependiendo de la carga y descarga del condensador C: la corriente I circula en uno uotro sentido se genera una onda cuadrada

    Gvi

    v0

    C 1

    2

    I

    21

    2

    RR

    R

    +=

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES

  • 8/2/2019 Tema3_Amplificadores

    46/47

    46Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    VCC

    V0

    t

    -VCC T

    VCC

    v+

    t

    -VCC

    VCCv-

    t

    -VCC

    Gvi

    v0

    C 1

    2

    I

    Circuito generador de onda cuadrada (continuacin )

    +=

    1

    2212RRRCT ln

    f0=4550 Hz

    2

    1

    21

    2

    =+= RR

    R

    En el laboratorio

    R1=R2=10K R= 10 K

    C= 10 nF El periodo de la oscilacin:

    T=0.22 ms

    D. Pardo, et al. 1999

    TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES

  • 8/2/2019 Tema3_Amplificadores

    47/47

    47Mara Jess Martn Martnez : [email protected]

    Agradecimientos Daniel Pardo Collantes. Departamento de Fsica Aplicada. Universidad de Salamanca.

    Figuras cortesa de: Pardo Collantes, Daniel; Bailn Vega, Lus A., Elementos de Electrnica. Universidad de

    Valladolid. Secretariado de Publicaciones e Intercambio Editorial.1999.

    E. Mandado, P. Mario y A. Lago, Instrumentacin Electrnica. Marcombo. 1995. Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith. Copyright 2004 by Oxford University

    Press, Inc.

    J. Turner, M. Hill. Instrumentation for Engineers and Scientists. Oxford UniversityPress.1999.

    http://www.semiconductor-technology.com/projects/philips/images/image_3.jpg

    http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg http://www.plyojump.com/classes/images/hardware/wafer_dicing.jpg http://www.profesormolina.com.ar/electronica/componentes/int/sist_digit/image020.jpg http://www.nist.gov/public_affairs/images/ChipScaleClock2_HR.jpg

    Paul, D. J. (1999), Silicon-Germanium Strained Layer Materials in Microelectronics.Advanced Materials, 11: 191204