tema 01d amplificador operacional
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Tema 1DAmplificadores Operacionales
Prof. A. Roldán Aranda
1º Ing. Informática
Los componentes electrónicos (transistores, diodos, etc) son elementos con tolerancias muy elevadas, muy sensibles a la temperatura, con modelos reales muy complejos, etc.
La realización de amplificadores con ganancias y comportamientos estables de forma directa (bucle abierto) es difícil por no decir imposible:
• las tolerancias • las corrientes de fugas de los componentes
harán el sistema muy poco preciso.
La clave del éxito y de la precisión de los amplificadores está en conseguir estructuras de ganancia muy elevada (p.e. 80 dB = 10.000 p.u.) y regular el conjunto.
El amplificador operacional esta pensado con esta filosofía:• Ganancias muy elevadas• Pensando en regularse.
Por este método el sistema se hace insensible a la tolerancia de los valores (siempre que pueda considerarse la ganancia muy elevada (p.e. de 10.000 a 8.000 el cambio es muy grande, pero en ambos casos puede considerarse muy elevada)
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
AMPLIFICADOR(A)
USUERROR
error
UE
ReferenciaConsigna
(Valor que debe tener US)
+
-
Medida de USRealimentación
(β)
ESTRUCTURA TÍPICA PARA UN AMPLIFICADOR REALIMENTADO
β⋅+=
AA
UU
E
S
1Si A es muy grande tenemos:
β1
≈E
S
UU
Esta idea es la base del uso del amplificador operacional (AO)
HACIA EL AMPLIF. OPERACIONAL
UE(+)
UE(-)US
+UCC
-UCC
+
-
SÍMBOLO ESTÁNDAR DELAMPLIFICADOR OPERACIONAL
La conexión en serie de distintas etapas (de amplificación con transistores) se conoce como
AMPLIFICADOR OPERACIONAL (AO).
A efectos prácticos podemos considerarlo un componente electrónico.
Hoy día para aplicaciones industriales no tiene sentido la realización de etapas amplificadoras con componentes discretos.
El AO es la base de la Electrónica Analógica en baja-media-alta frecuencia.
Es más, existen multitud de circuitos integrados (algunos de los cuales iremos viendo a lo largo de la asignatura) que nos permiten implementar de forma sencilla multitud de aplicaciones.
EL AMPLIF. OPERACIONAL I
Algunos tipos de AO clasificados por prestaciones:
Uso general: LM741, LM301, TL081, TL082Para Alta frecuencia: LM318, uA715Para Instrumentación: LM321, uA725De precisión: uA714, LM321Comparadores : LM311, LM339, LM393De Ganancia programable: uA776, LM4250De potencia: uA791De alta tensión: LH0004
Algunos circuitos integrados derivados del AO de interés práctico:
LM555 Temporizador de propósito generalLM566 Oscilador controlado por tensiónAD633 Multiplicador de bajo precioAD639 Generador de ondas senoidalesAD630 Conversor tensión-frecuenciaXR-215A PLL (Conversión f/v y v/f) "PLL = Phase-Locked Loop"LM565 PLL (Conversión f/v y v/f)
EL AMPLIF. OPERACIONAL II
Algunos fabricantes relevantes:
LM National Semiconductor (www.national.com)
TL Texas Instruments (www.ti.com)
uA Fairchild (http://www.fairchildrf.com/home/default.asp)
NE/SE Signetics (www.signetics.com)
XR Exar (www.exar.com)
MC Motorola (e-www.motorola.com)
Se sugiere la consulta de estas páginas. (p.e. la de Texas Instruments contiene mucha información sobre A.O.)
EL AMPLIF. OPERACIONAL III
LM741Amplificador operacional de propósito generalLM741
ENCAPSULADODIP-8
EL A.O. : Estructura Interna I
TL081 y TL082Amplificador operacional con entrada FET
TL081
(*) Fijarse que el TL081 es compatible e intercambiable con el LM741
TL082
(*) El TL082 tiene dos TL081 en el mismo encapsulado
EL A.O. : Estructura Interna II
LM741
EL A.O. : Estructura Interna III
Algunos comentarios deben realizarse en relación con el AO el cual a partir de este momento, podemos considerarlo un nuevo componente.
U2
U1US
+UCC
-UCC
+
-
La entrada U2 la denominaremos entrada no inversora.La entrada U1 la denominaremos entrada inversora.
Como elemento ideal consideraremos:
1.- La impedancia de entrada es Zin=∞. Es decir, despreciaremos las corrientes por las entradas.
2.- La impedancia de salida es Zout=0. Es decir, teóricamente puede aportar toda la corriente que se demande.
3.- La ganancia diferencial es Ad=∞.
( )12 UUAU dS −⋅= Ad ∞
EL A.O. : Modelado I
En relación con este comportamiento ideal vamos a hacer alguna matización:
1.- Las corrientes de polarización de la etapa diferencial son realmente muy pequeñas (del orden de 80 nA para el LM741). Aún más, para los dispositivos con entrada JFET como el TL081 (del orden de 30 pA).
2.- La capacidad de entregar corriente del AO no es infinita. De hecho, las capacidades de corriente de salida es del orden de mA (25 mA para el LM741)
3.- Respecto a la ganancia Ad debemos hacer dos comentarios:
SIMETRÍA
En general en un amplificador diferencial se cumple:Donde K2 y K1 no son necesariamente iguales
Si colocamos la expresión de otra forma:
1122 UKUKU S ⋅−⋅=
( ) ( )2
)(2
121212
12 UUKKUUKKU S+
⋅−+−⋅+
=
Gananciadiferencial (Ad)
Tensióndiferencial
Ganancia Modo común (AC)
TensiónModo Común
EL A.O. : Modelado II
22C
dAAK +=
21C
dAAK −=
Si identificamos términos podemos obtener:
Afortunadamente la etapa diferencial de un AO integrado es muy simétrica y la ganancia en modo común es muy pequeña.
P.e. para el LM741 ..000.1080 updBAA
C
d == Parámetro CMRR:Razón de rechazo de Modo común
( )12 UUAU dS −⋅=
Podemos pues considerar sin error significativo que solo tenemos Ad.
EL A.O. : Modelado Simetría III
( )12 UUAU dS −⋅=
Otra consideración es la de Ad = ∞
GANANCIA PARA EL TL081
En la práctica Ad es grande (más de 100 dBpara el TL081) a frecuencia bajas.
A medida que aumentamos la frecuencia la ganancia disminuye:
1ª Frecuencia de corte (polo) a 20 Hz
2ª Frecuencia de corte (polo) a 2 MHz
IMPORTANTE:
Fijarse que a 1MHz la ganancia está entorno a 1(¡¡Ya no es muy grande!!)
EL A.O. : Modelado Ganancia IV
Al ser la ganancia Ad muy elevada si:
U2 > U1 entonces US = +∞ (a efectos prácticos US = + UCC)
U2 < U1 entonces US = -∞ (a efectos prácticos US = - UCC)
Se dice que el amplificador trabaja a saturación.ZONA LINEAL
Solamente si conseguimos que U2 =U1 (realimentación o regulación) podremos obtener tensiones de salida comprendidas entre las alimentaciones
ZONALINEAL
+ UCC (saturado a +)
- UCC (saturado a -)
EL A.O. : Modelado Ganancia V
UEUS+
-Ad
Recordando los concepto s de Amplificadores y el A.O.:
β
UE
US
-
+βR
0≤β ≤ 1
d
O
d
d
d
E
S
A
A
A
AA
UU
ββ
ββ 1
1
1
1
1
1
+
=
+
=⋅+
=Comportamiento con AO ideal
Realimentación
Si Ad >> 1/β entonces:
β1
≈E
S
UU
Si Ad << 1/β entonces:
dE
S AUU
≈
β US
EL A.O. : Modelado Ganancia VI
Gráficamente tenemos:
Ad
1/β = AO
Comportamientocon realimentación
ZONA DE COMPORTAMIENTO IDEAL
Ganancia
f
ES IMPORTANTE PARA SABER HASTA DONDEPODEMOS CONSIDERAR IDEAL EL AO
EL A.O. : Modelado Ganancia VII
UE
US
-
+βR
0≤β ≤ 1UE
US
+
-βR
0≤β ≤ 1
NEGATIVA
UXUX
Operación estable.
SiUS ñ aumenta
entoncesUX ñ aumenta
entoncesUS ò disminuye
POSITIVAOperación inestable.
SiUS ñ aumenta
entoncesUX ñ aumenta
entoncesUS ñ aumenta
ACABA SATURÁNDOSEEQUILIBRIO
La realimentación positiva tiene aplicación en comparadores
EL A.O. : Realimentación I
• Impedancia de entrada no infinita
• Impedancia de salida no nula
• Corriente máxima de salida limitada
• Ganancia no infinita
• Ancho de banda limitado
• Errores en continua
• Tensiones de entrada limitadas por la alimentación
• Excursión de la tensión de salida limitada por la alimentación
Resumen CARACTERÍSTICAS
Realización de Amplificadores de tensión básicos con el AO
US
-
+
R1
R2
UE+
- +
-
1
2
RR
UU
E
S −=
UE
+
-
US
+
-
+
A UE
RL
AMPLIFICADOR IDEAL DE TENSIÓN
1
2
RRA −=
AMPLIFICADOR DE GANANCIA NEGATIVA
RLR1
EL A.O. : Ganancia Negativa I
+
-
Z2Z1
ue
ud
us
ie
i2
i1
01 =i 2iie = ( )dee uuZ·i −−=1
1Zuui de
e+
=2
2 Zuui ds +
−=
21 Zuu
Zuu dsde +
−=+
d
ss
d
se
A·Zu
Zu
Z·Au
Zu
2211
−−=+
∞→dA ∞→eZ 0→sZ
0>dA 0=cA dds u·Au =
1221
111Zu
A·ZZZ·Au e
dds −=
++
112
2
ZZ·AZZ·A
uu
d
d
e
s
++−=
d
e
s
AZZZ
Zuu
211
2
++−=
1
2
211
2
ZZ
AZZZ
Zlimuu
d
Ae
s
d
−=
++−=
∞→
Aplicaciones linealesRealimentación de tensiones en paralelo
EL A.O. : Ganancia Negativa II
FASES
+
-
Aplicaciones linealesRealimentación de tensiones en paralelo
Z2Z1
ue
ud
us
ie
i2
∞→dA ∞→eZ 0→sZ
0>dA 0=cAi1
dds u·Au =
1
2
211
2
ZZ
AZZZ
Zlimuu
d
Ae
s
d
−=
++−=
∞→
2Z·iuu eds −=+ 21
Z·Z
uuuu·A deddd
+−=+ ( )
1
2
1
21ZZ·u
ZZ·uA·u dedd −−=+
1
2
1
21ZZ·u
ZZA·u edd −=
++
1
2
1
2
1ZZA
ZZ
·uud
ed
++−= 0
11
2
1
2
=
++−=
∞→
ZZA
ZZ
·ulimud
eAdd
EL A.O. : Ganancia Negativa III
FASES
Realización de Amplificadores de tensión básicos con el AO
US
-
+
R1
R2
UE+
-
+
-
1
21RR
UU
E
S +=
UE
+
-
US
+
-
+
A VE
RL
AMPLIFICADOR IDEAL DE TENSIÓN
1
21RRA +=
AMPLIFICADOR DE GANANCIA POSITIVA
RL
MONTAJE BÁSICO PARA REALIZAR AMPLIFICADORES DE TENSIÓN
EL A.O. : Ganancia Positiva I
Realización de Amplificadores de tensión básicos con el AO
US
-
+
R1
R2
UE+
-
+
-
UE
+
-
US
+
-
+
A VE
RL
1
21RRA +=
AMPLIFICADOR DE GANANCIA POSITIVA
CON RE y RS
RL RE
RS
RS
RE
Fijarse que es posible añadirle condensadores serie y paralelo para limitar el ancho de banda
EL A.O. : Ganancia Positiva II
US
-
+UE+
-
+
-
1=E
S
UU
AMPLIFICADOR DE GANANCIA UNIDAD(SEGUIDOR DE EMISOR)
RL
UE
+
-
US
+
-
+
UE
RL
Se pueden añadir igualmente RE, RS y las frecuencias de corte que se estimen oportunas.
Realización de Amplificadores de tensión básicos con el AO
EL A.O. : Seguidor de Tensión I
+
-VSV1
R1 V+
V-
V+ = V-
V2
R2
V+ = V1 ·R2
R1 + R2
V- =
V2
R1
VS
R2+
1R1
1R2
+
R2
R1
V- =V2·R2 + VS·R1
R1 + R2
VS =R2
R1· (V1 – V2)
EL A.O. : Amplif. Diferencial I
FASES
Realización de Amplificadores de tensión básicos con el AO
US
-
+
R1
R2
U1+
- +
-
)( 121
2 UURRU S −⋅=
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL: (RESTADOR - NORMALIZADOR)
RLU2+
-
R1
R2
EL A.O. : Amplif. Diferencial II
Realización de Amplificadores de tensión básicos con el AO
US
-
+
R1
R2
U1+
- +
-
11
22
1
2 )1( URRU
RRU S ⋅−⋅+= AMPLIFICADOR NORMALIZADOR
RLU2+
-
NOTA:Este circuito y el anterior son especialmente interesantes para la función de normalizar rangos de tensiones
EL A.O. : Amplif. Normalizador I
T
TERMOPAR
100 ºC
0 ºC
UA
100 mV
600 mVT UA
NORMALIZADOR
UBA/D N
10 V
0 VUB
0.1 0.6 UA
UB
10
0AB UU ⋅−= 2012
Transformación lineal
11
22
1
2 )1( URRU
RRUS ⋅−⋅+=
Circuito normalizador
-
+
R20 R
UB
UA
+4/7 V
+12 V
Realización práctica
EL A.O. : Amplif. Normalizador II
US
-
+
R1
R2U1+
-
+
-
)()21( 121
2 UURR
xU S −⋅⋅+=
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL DE INSTRUMENTACIÓN
RL
U2+
-
R1
R2-
+
-
+
R
x R
R
0 ≤ x ≤ 1
0 ≤ x ≤ 1
EL A.O. : Amplif. Instrumentación
-
+
R1
R2
∑=
⋅−=N
iiS U
RRU
11
2SUMADOR-RESTADOR ANALÓGICO
U1
U2
UN
US
EL A.O. : Amplif. Sumador-Restador
+
-VS
V1R1
RA
V+
V-
V+ = V-V2
RB
R2
R3
V- = VS ·RA
RA + RB
V+ =
V1
R1
V2
R2+
1R1
1R2
+1
R3+
VS =RA
RA + RB ·
V1
R1
V2
R2+
1
R1
1
R2+
1R3
+
EL A.O. : Amplif. Sumador No inversor
FASES
US
-
+
R
C
UE+
- +
-RL
En los montajes anteriores es posible cambiar las resistencias (R) por impedancias Z(s).Un caso de interés es la realización de un integrador analógico
∫=
=
⋅⋅−=tt
tESS dttU
RCUtU
0
)(1)0()(
dB
f
20 dB/dec
1
CRf
⋅⋅⋅=
π21
1
Representación del integrador en el dominio de la frecuencia
INTEGRADOR ANALÓGICO
)0()0( CS UU −=Notar que:
EL A.O. : Amplif. INTEGRADOR
Otro ejemplo muy interesante surge la incluir condensadores en la red de realimentación del amplificador inversor (tal y como se indica en la figura). Obtenemos un amplificador de Banda Ancha fácilmente configurable.
US
-
+
R1 R2
UE+
- +
-RL
C1
C2
22212
RCf
⋅⋅⋅=
π11211
RCf
⋅⋅⋅=
π
f1 f2 f
A
⋅
1
2lg20RR
UE
+
-
US
+
-
+
A UE RL
1
2
RRA −=
R1
EQUIVALENTE A FRECUENCIAS MEDIAS
( ) ( )2211
11
1
2
11 RCjRCjRCj
RRA
⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅
⋅−=ωω
ω
EL A.O. : Amplif. De BANDA ANCHA
Realización de Amplificadores de tensión básicos con el AO
RIU
E
S −=
US
+
-+ R IE
RL
AMPLIFICADOR IDEAL DE TRANS-RESISTENCIA
RA −=
CONVERSIÓN I/V
US
-
+
R
+
-RL
IEIE
(Notar el desfase de 180º)
EL A.O. : Conversor I/V
[ ] [ ]lxLIRmVU RS ⋅+=⋅= 102
RL
US
-
+ +
-RL
IR
US
-
+
R=1MΩ
+
-RL
FotodiodoBPW21
[ ] [ ]lxLnAIR ⋅+= 102
IR
R=1MΩ
Algo parecido puede hacerse con un diodo normal para medir temperatura.(Corriente de fugas de un diodo se duplica cada 10ºC)
EL A.O. : Conversor I/V - Ejemplo
+
-
VE
R1 V+
V-
V+ = V-
R2
R2
R1
iS =VE
R1
RS
iA
iS
iE
iA
iA
v
v
iA =V-
R1
iE =VE – V+
R1
iS = iE + iA
iS =VE – V+
R1
+V-
R1
La corriente de salida no depende de RS
EL A.O. : Conversor V/I I
FASES
-
+
R1 R2
1
1RU
I
E
S =RL
UE+
-
R1
R2
IS
AUE
+
-
+
G UE
RL
AMPLIFICADOR DE TRANS-CONDUCTANCIA
IS
1
1R
G =
RE
NOTAS:
1.- RE depende de RL. Si se desea un valor estable se puede añadir un seguidor de emisor.(Normalmente RL << R1 de donde podemos decir RE ≅ R1)
2.- Fijarse que no depende de R2. Sin embargo el diseño de R2 es crítico. No puede ser cero (realimentación positiva igual a negativa) ni demasiado grande (La salida -punto A- se podría saturar).
LE RR
RR−
=1
21
EL A.O. : Conversor V/I II