trabajo amplificadores operacionales

Download trabajo amplificadores operacionales

Post on 25-Jun-2015

2.479 views

Category:

Documents

1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

<p>AMPLIFICADORES OPERACIONALES</p> <p>YEISON ARMANDO RODRGUEZ RUIZ</p> <p>GRUPO 35587</p> <p>SENA CENTRO DE ELECTRICIDAD</p> <p>ELECTRNICA Y TELECOMUNICACIONESMANTENIMIENTO ELECTRNICO E INSTRUMENTAL INDUSTRIAL BOGOT, 27 10 2010 AMPLIFICADORES OPERACIONALES CONNOCIMIENTOS GENERALES</p> <p>YEISON ARMANDO RODRIGUEZ RUIZ</p> <p>INCAPIE PROFESOR</p> <p>SENA CENTRO DE ELECTRICIDAD ELECTRNICA Y TELECOMUNICACIONESMANTENIMIENTO ELECTRNICO E INSTRUMENTAL INDUSTRIAL BOGOT, 27 10 2010</p> <p>INTRODUCION El siguiente trabajo tiene como propsito aumentar el conocimiento sobre amplificadores operacionales, conociendo sus partes externas e internas aparte de su funcin y composicin interna adems de reforzar el conocimiento adquirido por el estudiante. OBJETIVOS El principal objetivo de siguiente trabajo es resumir la parte terica y las principales aplicaciones de los operacionales, como tambin conocer estos componentes y cmo funcionan dentro de lo fsico, un objetivo secundario es la comprensin del uso de los amplificadores operacionales dentro de la electrnica, adems del conocimiento de las aplicaciones comunes y en general el uso de estos componentes</p> <p>DEFINICION El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propsito general el cual tiene capacidad de manejo de seal desde f=0 hz hasta una frecuencia definida por el fabricante; tiene adems limites de seal que van desde el orden de los nv, hasta unas docenas de voltio (especificacin tambin definida por el fabricante). Los amplificadores operacionales caracterizan por su entrada diferencial y una ganancia muy alta. son llamados amplificadores operacionales porque podemos encontrar circuitos montados a base de estos amplificadores que realizan operaciones matemticas, como por ejemplo sumadores, diferenciadores, integradores, comparadores... etc. son elementos muy usados en la electrnica analgica, como podrs comprobar en esta pgina, tienen un montn de aplicaciones.</p> <p>HISTORIA En 1965, la compaa Fairchild Semiconductor introdujo en el mercado el uA709, el primer amplificador operacional monoltico ampliamente usado. Aunque disfrut de un gran xito, esta primera generacin de amplificadores operacionales tena muchas desventajas. Este hecho condujo a fabricar un amplificador operacional mejorado, el uA741. Debido a que es muy barato y sencillo de usar, el uA741 ha tenido un enorme xito. Otros diseos del 741 han aparecido a partir de entonces en el mercado. Por ejemplo, Motorola produce el MC1741, National Semiconductor el LM741 y Texas Instruments el SN72741. Todos estos amplificadores operacionales son equivalentes al uA741, ya que tienen las mismas especificaciones en sus hojas de caractersticas. Para simplificar el nombre, la mayora de la gente ha evitado los prefijos y a este amplificador operacional de gran uso se le llama simplemente 741.</p> <p>ESQUEMAS Y CONFIGURACIONES EXTERNAS. El smbolo de un amplificador operacional es el siguiente:</p> <p>Los Terminales son: V-: Entrada Inversora Vout: Salida Vs-: Alimentacin negativa.</p> <p>V+: Entrada no inversora.</p> <p>Vs+: Alimentacin positiva</p> <p>Normalmente los pines de alimentacin son omitidos en los diagramas elctricos por razones de claridad. Lazo Abierto: Si no existe realimentacin, la salida del AO ser la resta de sus 2 entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100000 (que se considera infinito en clculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las 2 tensiones es de 1mV la salida debera de ser 100V. Debido a la limitacin que supone no poder entregar ms tensin de la que hay en la alimentacin, el AO estar saturado si se da este caso. Si la tensin ms alta es la aplicada a la Terminal positiva la salida ser la que corresponde a la alimentacin Vs+, mientras que si la tensin ms alta es la de la Terminal negativa la salida ser la alimentacin VsLazo Cerrado: Se conoce como lazo a la retroalimentacin en un circuito. Aqu se supondr realimentacin negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuracin se parte de las tensiones en las 2 entradas exactamente iguales, se supone que la tensin en la Terminal positiva sube y por lo tanto la tensin en la salida tambin se eleva. Como existe la realimentacin entre la salida y la Terminal negativa, la tensin en esta Terminal tambin se eleva, por tanto la diferencia entre las 2 entradas</p> <p>se reduce, disminuyndose tambin la salida este proceso pronto se estabiliza y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las 2 entradas, idealmente con el mismo valor. Siempre que hay realimentacin negativa se aplican estas 2 aproximaciones para analizar el circuito: V+ = VI+ = I- = 0 Alimentacin: El amplificador operacional puede ser polarizado, tanto con tensiones simples como con tensiones simtricas, si utilizamos tensiones simples, a la salida no podremos conseguir valores menores de 0V. El valor de estas tensiones no suele ser fijo, dando los fabricantes un margen entre un mximo y un mnimo, no teniendo ninguna consecuencia en el funcionamiento del amplificador el valor de tensin que se escoja, nicamente las tensiones de salida nunca superaran las tensiones de alimentacin.</p> <p>CONFIGURACIN INTERNA DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL. Internamente el AO contiene un gran nmero de transistores, resistores, capacitares, etc. Hay varios tipos de presentaciones de los amplificadores operacionales, como el paquete dual en lnea (DIP) de 8 pines o terminales. Para saber cul es el pin 1, se ubica una muesca entre los pines 1 y 8, siendo el numero 1 el pin que est a la izquierda de una muesca cuando se pone integrado. La distribucin de los terminales del amplificador operacional integrado DIP de 8 pines es: - Pin 2: entrada inversora (-) - Pin 3: Entrada no inversora (+) - Pin 6: Salida (out) Para alimentar un amplificador operacional se utilizan 2 fuentes de tensin: - Una positiva conectada al Pin 7 - Una negativa conectada al Pin 4 Tambin existe otra presentacin con 14 pines, en algunos casos no hay muesca, pero hay un circuito pequeo cerca del Pin numero 1. Esquema de la configuracin interna del Amplificador Operacional:</p> <p>El operacional tpico tiene cuatro bloques,</p> <p>El primero es el amplificador diferencial que puede tener una entrada Darlington o utilizar varios fet y una fuente de corriente constante. Va seguido de una etapa amplificadora lineal de alta ganancia, generalmente otro amplificador diferencial. Si la tensin de c.c existente en la salida del amplificador de alta ganancia, no es cero voltios cuando v1 = v2 = 0 V, se emplea un circuito desplazador de nivel tal como un amplificador cascoda. La ltima etapa es un amplificador de salida, habitualmente uno de simetra complementaria.</p> <p>En la elaboracin de los Amplificadores Operacionales generalmente se utilizan ms de 20 transistores.</p> <p>APLICACIN DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES 1) Pequeo amplificador de audio Un amplificador operacional no es capaz por s solo de entregar corrientes muy grandes por la salida, por lo que no podemos conectarles directamente un altavoz y or msica. Hemos visto hasta ahora que los amplificadores inversores y no inversores tienen una ganancia en tensin Av. Este no es el problema, el problema est en la corriente (Amperios) que son capaces de entregar, necesitamos entonces aadir algn dispositivo que sea capaz de ampliar esa corriente. El dispositivo capaz de hacer esto es el transistor, y la forma ms sencilla de utilizarlo es la siguiente:</p> <p>En la figura puedes distinguir un amplificador inversor en el que hemos hecho algunos cambios. El amplificador operacional empleado es un LM833, especial para audio. Puedes probar con otros operacionales y vers la diferencia. La etapa de transistores formada por Q1 y Q2 tiene como nica finalidad suministrar toda la corriente que no puede el operacional. Los transistores empleados son los BC547 y BC557, Estos no son de gran potencia por lo que tendrs que usar un altavoz pequeo. Fjate donde tiene puesta la realimentacin, directamente en la salida pasando por encima de los dos transistores. Esto soluciona algunos problemas de falta de linealidad en la etapa de los transistores. Adems, si analizas el circuito igual que hacamos en el apartado del amplificador inversor vers que te sale exactamente lo mismo: Vout = -Vin (R2/R1) Adems, R2 es una resistencia variable, que puede hacerlo de 0 a 22K. Esto hace que la ganancia en tensin (Av) del circuito vara desde 0 hasta -2,2 variando as el volumen del altavoz, si quieres conseguir ms volumen puedes cambiar R2 por una mayor.</p> <p>ALGUNAS APLICACIONES algunas aplicaciones bsicas ms que podemos encontrar hechas con los amplificadores operacionales. Existen muchas ms y prcticamente el lmite lo establece el ingenio y habilidad del diseador electrnico. 1) AMPLIFICADORES LINEALES Para poder utiliza un amplificador operacional como un amplificador lineal es decir, la salida es una copia de la entrada pero amplificada, deberemos hacer una realimentacin de la salida en la entrada invertida del A o. Dependiendo de cmo se haga esa realimentacin de la seal de salida, se crearn distintos amplificadores lineales con diferentes caractersticas. Para esta explicacin, emplearemos un divisor de tensin o voltaje, a fin de tomar solo una muestra de la seal de salida que llevaremos a la entrada invertida.</p> <p>Con esta configuracin hacemos un AMPLIFICADOR LINEAL NO INVERSOR. Al hacer la realimentacin, se establece lo que se denomina Ganancia de lazo . Esta ganancia, que hemos marcado como G , viene dada por la siguiente ecuacin: G = (R1/R2) + 1 y se d debe disear para que sea mucho menor que G, la ganancia del amplificador En estas condiciones, la resistencia de entrada de todo el amplificador se ve modificada y valdr: Ri = Ri * (G/G ) y la de salida ser: Ro = Ro * (G`/G)</p> <p>Fjense como la resistencia de entrada se incrementa mucho con el lazo de realimentacin mientras que la de salida se disminuye significativamente. En la prctica se alcanzan valores de Ri mayores a 1M Ohm y de salida Ro menores a 1 Ohm (muy pequea). Resumiendo las caractersticas de este amplificador tenemos que: 1) La seal de salida est en fase con la de la entrada. 2) La ganancia de lazo depende nicamente de R1 y R2 3) La resistencia de entrada es muy grande 4) La resistencia de salida es muy baja 5) Su utilizacin tpica es en amplificador de audio y circuitos de medicin. 6) Sirve como aislador de seales espurias conectadas a l, eliminndolas por la realimentacin. 7) La realimentacin elimina los efectos negativos que pudieran aparecer entre la entrada y la salida del amplificador. Como ejemplo del punto 7, si una resistencia se conecta en serie con la salida del amplificador lineal no inversor, ella aumentar la resistencia de salida de ste en forma aditiva. Si esto no es deseado, la resistencia en serie se puede colocar dentro del lazo de realimentacin reduciendo su efecto aditivo a la salida:</p> <p>Ese tipo de circuitos tambin se utilizan para aumentar el suministro de corriente en los circuitos. Si quisiramos aumentar la corriente a la salida de nuestro amplificador, podramos hacer algo como esto:</p> <p>El problema es que este tipo de circuito produce distorsin a la seal de salida. Una vez ms, introduciendo el push-pull dentro del bucle de realimentacin, reducimos y prcticamente eliminamos esa distorsin:</p> <p>2) SEGUIDORES DE VOLTAJE Qu pasara si eliminramos las resistencias del divisor de tensin en el amplificador lineal y mantuviramos el bucle de realimentacin?</p> <p>Como R1 la hemos sustituido por un cable y R2 la eliminamos, R1=0 y R2=infinito. y si vemos las ecuaciones del amplificador lineal veramos que: G =1 Ri = G * Ri Ro = Ro / G</p> <p>La ganancia de lazo de este amplificador es 1, y es la mnima que puede tener un amplificador lineal. Que tenga una ganancia de lazo igual a 1 implica que la seal a la entrada es exactamente igual a la de salida. A este circuito se le llama amplificador de ganancia 1 o seguidor de voltaje.</p> <p>Resumiendo las caractersticas de este amplificador tenemos que: 8) La seal de salida est en fase con la de la entrada. 9) La ganancia de lazo es 1 10) La resistencia de entrada es grandsima 11) La resistencia de salida es bajsima 12) Su utilizacin tpica es en acopladores de impedancia, amplificador de audio y circuitos de medicin. 3) AMPLIFICADOR LINEAL INVERSOR Este tipo de amplificador funciona de manera similar a los no inversores, pero a la salida se obtiene una seal que est desfada en 180 respecto a la de entrada.</p> <p>La ganancia de lazo y resistencias de entrada y salida de estos amplificador inversores vienen</p> <p>dados por las siguientes ecuaciones. G = R1 / R2 Ro = Ro * (1+G )/G 4) AMPLIFICADOR SUMADOR Ri = R2</p> <p>Este amplificador suma las seales de entrada desde R1 hasta Rn y luego son amplificadas. Si V1, V2, V3 . Vn son las seales de entrada, entonces la seal de salida Vo viene dada por: Vo = 1/Rf * (V1*R1 + V2*R2 + V3*R3 + .. Vn*Rn) Estas son algunas de las aplicaciones bsicas que se pueden realizar con un amplificador operacional. As como stas, podemos hacer otros circuitos bsicos como Rectificadores, Cambiadores de Fase, Rectificadores de Seales, Osciladores Astables y muchas otras ms. Un aspecto importante de los amplificadores operacionales que no se trata es su respuesta en frecuencia. El ancho de banda operativo de los op-amp no es infinito y depende de su diseo de fbrica, por lo que para desarrollar las aplicaciones deberemos echar mano de las datasheet del fabricante para observar estos parmetros. Es necesario entonces que investiguen referente a esto pues es parte fundamental de los diseos que incluyen estos componentes. Al igual que para el offset existen pines disponibles para realizar su ajuste, algunos componentes tambin suministran pines adicionales para realizar una compensacin de respuesta en frecuencia de forma externa, por medio de circuitos RC conectados a ellos a fin de aumentar su ancho de banda. Hay mucho ms que investigar respecto a los amplificadores operacionales, pero conociendo los fundamentos y sus configuraciones bsicas, podremos ms o menos intuir la funcin que estn realizando estos dispositivos al observar esquemticos complejos que los incluyen.</p> <p>Referencias comerciales Tabla Comparativa En la siguiente tabla se muestran los 11 amplificadores operacionales y los dos amplificadores de instrumentacin que he escogido y se aportan datos de las caractersticas elctricas ms importantes de cada uno de ellos. Alguna caracterstica como la resistencia de salida no se ha incluido porque era una informacin que tan slo estaba disponible por dos de los dispositivos. Entre estos operacionales, se encuentra el LM741, el operacional cuyo uso est ms extendido mundialmente, y del cual pueden verse en esta tabla sus ventajas e inconvenientes. Tambin sealar que los parmetros incluidos en la tabla son los valores tpicos de los dispositivos (no mximos ni mnimos).</p> <p>ESTUDIO DE LAS CARACTERSTICAS Se a incluido informacin sobre amplificadores de 4 fabricantes distintos. Algunas caractersticas elctricas de algunos dispositivos no estaban disponibles y por e...</p>