Grupo de investigación científica y microelectrónica
Características del amplificador operacional práctica # 6
Objetivos Estudiar algunas características del amplificador operacional como son: • • • •
Relación de rechazo de modo común (RRMC). Tensión de offset. Compensación de las corrientes de polarización. Concepto de tierra virtual.
Equipo Osciloscopio Multímetro Fuente DC de 12 V Cables
Resistencias Amplificador 741 Fuente dual ± 8V
INTRODUCCIÓN Amplificador operacional ideal Los primeros trabajos sobre amplificadores operacionales datan de la década de los cuarenta y están relacionados con las calculadoras analógicas, capaces de resolver ecuaciones diferenciales. Actualmente, puede considerarse que el amplificador operacional es un componente básico de la electrónica analógica que juega un papel comparable al de otros elementos discretos. El amplificador operacional se considera como un bloque con terminales de entrada y salida. En este momento no interesan los dispositivos electrónicos dentro del amplificador (amp ( amp op). op).
Figura1 Diagrama de entradas y salidas de un amplificador operacional
El amp op es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas. Esto permite que la salida
Por: Lucelly Reyes
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tenga excursiones por encima y por debajo de tierra. Los amplificadores operacionales tienen amplia aplicación en muchos sistemas electrónicos lineales. EI nombre de amplificador operacional se deriva de una de las aplicaciones originales de circuitos con estos amplificadores: realizar operaciones matemáticas en computadores analógicos. Los dos terminales de entrada se conocen como entrada no inversora (Vp) e inversora (Vn) respectivamente. La primera genera una señal en fase con la entrada mientras que la segunda presenta un desfase de la señal de salida con respecto a la entrada de 180 grados. De manera ideal, la salida del amplificador depende no de las magnitudes de las dos tensiones de entrada (Vp,Vn), sino de la diferencia entre ellas. Se define una nueva tensión de entrada como la diferencia: Vd = Vp − Vn
(1)
donde Vd es la tensión diferencial de entrada. La tensión de salida es proporcional a la entrada, y la relación se define como la ganancia de lazo abierto, A. Por tanto, la tensión de salida es: V 0 = A(Vp − Vn)
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las características del amplificador operacional son las siguientes: • • • • • • • • •
Alta impedancia de entrada Ri (teóricamente tiende a infinito). Baja impedancia de salida Ro, aproximadamente nula. La ganancia de tensión de lazo abierto, A tiende a infinito. El ancho de banda tiene a infinito. Tensión de offset nula (Vo = 0 cuando Vp = Vn). Corriente de polarización nula. Margen dinámico infinito o de ± Vcc. Ruido nulo. Tiempo de conmutación nulo.
Lógicamente estos requerimientos son imposibles de satisfacer, pero sirven para comparar con el comportamiento real y así poder saber su calidad respecto al modelo ideal. A continuación estudiaremos las características de un operacional muy utilizado, el 741.
Figura2 Conexiones del integrado de un op-amp 741
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Características del op.amp 741: • • • •
Impedancia de entrada: 1 M. Impedancia de salida: 150 . Ganancia de tensión de lazo abierto: 110000 Ancho de banda: 1 Mhz.
Otras características propias de los operacionales reales son las que se citan a continuación, también para el caso del 741 • • • • •
Corriente de polarización: 200nA Tensión de alimentación máxima: ±18 V Tensión máxima de entrada: ±13 V Tensión máxima de salida: ±14 V Relación de rechazo de modo común RRMC: 90 dB
Esquema
Figura3 Esquema interno de un amplificador operacional 741
Características Antes de pasar a ver aplicaciones de los amplificadores, tarea de selección ciertamente complicada por las enormes posibilidades de los mismos, vamos a tratar de exponer algunos puntos claves en la comprensión de estos amplificadores, como son: •
Relación de rechazo de modo común (RRMC).
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• • •
Tensión de offset. Compensación de las corrientes de polarización. Concepto de tierra virtual.
Relación de rechazo de modo común (RRMC) Bajo estas siglas se esconde una de las propiedades que mejor definen la calidad de un operacional, la capacidad para rechazar o, mejor aun, la capacidad para no tratar las señales presentes en sus entradas de modo común. Que es el modo común?, se ha dicho que la principal característica de los operacionales es amplificar la diferencia entre entradas, pues, bien, qué debemos esperar que haga si le aplicamos a las dos entradas el mismo potencial?. Lógicamente su respuesta deberá ser nula, esto en la práctica no es así, por lo que para discernir la calidad se emplea el RRMC, que no es más que el cociente entre su ganancia diferencial y la ganancia en modo común. Resumiendo, cuanto mayor sea este cociente mejor será el operacional; este dato se suele expresar en dB ya que los valores que se obtienen son muy elevados (90, 100 dB). En los op_amp existen dos ganancias: • La ganancia diferencial (AD). • La ganancia de modo común (AC). La ganancia diferencial es la buscada y la ganancia de modo común es la no deseada. v0 v0 (3) A D = AC = (v P − v n ) (v P + vn ) / 2 Obsérvese que el voltaje de salida Vo es la semisuma de las señales de entrada por el valor de la ganancia en modo común. Esta ganancia en modo común se presenta porque las resistencias y transistores que forman el diferencial no son idénticos; dicho de otra forma, no es simétrico el diferencial. Según lo anterior:
1 (v p + vn ) 2
v0 = A D (v p − v n ) + AC
(4)
Para calcular AD haremos Vn = - Vp, por lo que: v A D = 0 2v n Para calcular Ac haremos Vn = Vp, por lo que: AC =
v0 vn
Finalmente, para calcular la calidad de OP_AMP, se determina la RRMC: Por: Lucelly Reyes
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RRMC =
A D AC
El cual se expresa en dB como: RRMC (dB ) = 20 log
A D AC
Cuanto mayor sea la RRMC, mejor ganancia diferencial habrá y, por consiguiente, mejor es el amplificador operacional. Tensión de offset Se define como la tensión continua que aparece en la salida cuando la entrada diferencial es nula. Este valor es un error, dado que sobre cualquier resultado en régimen normal nos estará falseando la salida. Para evitar este defecto, los fabricantes proveen en sus operacionales terminales para la compensación de la tensión de offset. Corrientes de polarización Puesto que las entradas del operacional son las bases de los transistores del diferencial, es necesaria una cierta cantidad de señal para activarlos. Esta cantidad nos la sustraen los transistores de la señal que se quiere amplificar. Por ello es necesario compensar este defecto de funcionamiento y se realiza aplicando resistencias con valores adecuados. Tierra virtual Este concepto es, sin duda, el principal motivo de incertidumbre al estudiar operacionales. Esta tierra virtual o cortocircuito virtual, se presenta cuando se usa un OP_AMP con reglamentación negativa. La afirmación anterior es tanto más cierta cuanto más se acerca a la idealidad el componente real; en otras palabras, cuanto mayor son los valores de ganancia de tensión en lazo abierto y la impedancia de entrada.
Práctica 1. Medición de voltaje desviado (offset) y corrientes de polarización
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circuito (a) Mida el voltaje Vo y calcule el voltaje desviado de entrada (offset) Vio: v0 =
5 K Ω + 50Ω 50Ω
vn =
5050 50
(5)
vio
Para medir In, monte el circuito (b). Mída Vo. Como ya medimos Vio en el circuito anterior, calcule In mediante: v 0 = vio + RfIn In =
(6)
v 0 − vio Rf
circuito (c) En forma similar podemos medir en forma indirecta Ip: v 0 = vio − R2 Ip Ip = −
(7 )
(v0 − vio) R2
2. Voltaje de modo común Para el circuito siguiente mida el voltaje de salida con una ganancia de 10 para todo el rango del ancho de banda del amplificador. A que conclusión llega?
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Figura 4
3. Circuito comparador Monte el siguiente circuito. Las señales que entran por las entradas inversora y no inversora son comparadas por el operacional.
Figura 5
• • •
Introduzca por la entrada no inversora una señal senoidal, y por la inversora un voltaje continuo extraído del potenciómetro. Dibuje las dos señales de entrada y de salida. Obsérvelas previamente usando los dos canales del osciloscopio. Cambie la señal senoidal por una cuadrada, para ver si existe alguna diferencia a la salida.
Informe El informe de laboratorio debe incluir: ♦ Los gráficos de los circuitos montados. ♦ El valor del voltaje de desviación y las corrientes de polarización medidas en el numeral 1. ♦ El valor del voltaje de modo común medido en el numeral 2. ♦ Los gráficos de las señales de entrada y salida para el circuito de comparación. ♦ El error relativo porcentual de cada uno de los voltajes y corrientes medidos con respecto a los valores predichos por las ecuaciones (5), (6) y (7). ♦ Discusión y análisis de los resultados. ♦ Conclusiones. ♦ Causas de error.
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