IP4.Electronicos II

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica – Electrónica – FIEE FIEE Laboratorio de Circuitos Electronicos II

Informe Previo N°4

El Amplificador Operacional Salcedo Mamani Zulema Kiara 20111106F [email protected]

I.

INTRODUCCION

Si existe un elemento estrella en los sistemas electrónicos analógicos ese elemento es sin duda el amplificador operacional. Con él podremos amplificar señales, atenuarlas, filtrarlas, etc. Los sistemas de control analógico encuentran en el amplificador operacional un elemento de conmutación sumamente simple e incluso años atrás fue empleado para el diseño de computadoras analógicas (de ahí el nombre de operacionales).

En unos pocos años los amplificadores operacionales integrados se convirtieron en una herramienta estándar de diseño, abarcando aplicaciones mucho más allá del ámbito original de los computadores analógicos.

El conocimiento a nivel básico del amplificador operacional proporciona al diseñador una herramienta de valor incalculable.

II. OBJETIVOS Estudiar el amplificador operacional uA741, verificando sus características en circuitos de aplicación.

III. MARCO TEÓRICO

El amplificador operacional ideal: Los primeros amplificadores operacionales usaban el componente básico de su tiempo: la válvula de vacío. El uso generalizado de los AOs no comenzó realmente hasta los años 60, cuando empezaron a aplicarse las técnicas de estado sólido al diseño de circuitos amplificadores operacionales, fabricándose módulos que realizaban la circuitería interna del amplificador operacional mediante diseño discreto de estado sólido. Entonces, a mediados de los 60, se introdujeron los primeros amplificadores operacionales de circuito integrado.

Figura 1. V0 = a Vd a = infinito Ri = infinito Ro = 0 BW (ancho de banda) = infinito V0 = 0 sí Vd = 0 Teniendo en mente estas funciones de la entrada y salida, podemos definir ahora las propiedades del amplificador ideal. Son las siguientes: 1. La ganancia de tensión es infinita:

2. La resistencia de entrada es infinita:  = ∞

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica – FIEE Laboratorio de Circuitos Electronicos II

3. La resistencia de salida es cero: Ro = 0

Entonces toda la tensión de entrada Vi, deberá aparecer en R1, obteniendo una corriente en R1

4. El ancho de banda es infinito: Vn está a un potencial cero, es un punto de tierra virtual 5. La tensión offset de entrada es cero: V0 = 0 sí Vd = 0 A partir de estas características del AO, podemos deducir otras dos importantes propiedades adicionales. Puesto que, la ganancia en tensión es infinita, cualquier señal de salida que se desarrolle será el resultado de una señal de entrada infinitesimalmente pequeña. Luego, en resumen:

Toda la corriente I que circula por R1 pasará por R2, puesto que no se derivará ninguna corriente hacia la entrada del operacional (Impedancia infinita), así pues el producto de I por R2 será igual a - V0

Luego la ganancia del amplificador inversor:

Circuitos de Aplicación: 1.

El Amplificador Inversor

La figura 2 ilustra la primera configuración básica del AO. El amplificador inversor. En este circuito, la entrada (+) está a masa, y la señal se aplica a la entrada (-) a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2.

La ganancia se puede variar ajustando bien R1, o bien R2. Si R2 varía desde cero hasta infinito, la ganancia variará también desde cero hasta infinito, puesto que es directamente proporcional a R2. La i mpedancia de entrada es igual a R1, y Vi y R1 únicamente determinan la corriente I, por lo que la corriente que circula por R2 es siempre I , para cualquier valor de dicha R2. 2.

El Amplificador No Inversor

La segunda configuración básica del AO ideal es el amplificador no inversor, mostrado en la figura 3. Este circuito ilustra claramente la validez del axioma 3.

Figura 2. Aplicando las propiedades anteriormente establecidas del AO ideal, las características distintivas de este circuito se pueden analizar como sigue. Puesto que el amplificador tiene ganancia infinita, desarrollará su tensión de salida, V0, con tensión de entrada nula. Ya que, la entrada diferencial de A es: Vd = Vp - Vn, ==> Vd = 0.- Y si Vd = 0, Figura 3.


En este circuito, la tensión Vi se aplica a la entrada (+), y una fracción de la señal de salida, Vo, se aplica a la entrada (-) a través del divisor de tensión R1 - R2. Puesto que, no fluye corriente de entrada en ningún terminal de entrada, y ya que Vd = 0, la tensión en R1 será igual a Vi. Así pues

y como

5.

El integrador Se ha visto que ambas configuraciones básicas del AO actúan para mantener constantemente la corriente de realimentación, IF igual a IIN.

Que es la ecuación característica de ganancia para el amplificador no inversor ideal. 3.

Comparador

Una modificación del amplificador inversor, el integrador, mostrado en la figura 6, se aprovecha de esta característica. Se aplica una tensión de entrada VIN, a RG, lo que da lugar a una corriente IIN.

Suponiendo que el operacional se alimenta a ECC: VIN > VREF => VOUT = ECC VIN < VREF => VOUT = - ECC 4.

Sumador Inversor Utilizando la característica de tierra virtual en el nudo suma (-) del amplificador inversor, se obtiene una útil modificación, el sumador inversor

Como ocurría en el amplificador inversor, V (-) = 0, puesto que V(+) = 0, y por tener impedancia infinita toda la corriente de entrada Iin pasa hacia el condensador CF, llamaremos a esta corriente IF. El elemento realimentador en el integrador es el condensador CF. Por consiguiente, la corriente constante IF, en CF da lugar a una rampa lineal de tensión. La tensión de salida es, por tanto, la integral de la corriente de entrada, que es for zada a cargar CF por el lazo de realimentación. La variación de tensión en CF es


obtenida es proporcional a la tasa de variación de la tensión de entrada: lo que hace que la salida varíe por unidad de tiempo según: De nuevo diremos que la corriente de entrada IIN, circulará por RF, por lo que IF = IIN, y puesto que VOUT= - IF, obtenemos: Como en otras configuraciones del amplificador inversor, la impedancia de entrada es simplemente RG Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este circuito

Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este circuito

6.

El diferenciador Una segunda modificación del amplificador inversor, que también aprovecha la corriente en un condensador es el diferenciador mostrado en la figura

En este circuito, la posición de R y C están al revés que en el integrador, estando el elemento capacitivo en la red de entrada. Luego la corriente de entrada

7.

Seguidor de Tensión Una modificación especial del amplificador no inversor es la etapa de ganancia unidad mostrada en la figura

En este circuito, la resistencia de entrada se ha incrementado hasta infinito, y RF es cero, y la realimentación es del 100%. V0 es entonces


exactamente igual a Vi, dado que Es = 0. El circuito se conoce como "seguidor de emisor" puesto que la salida es una réplica en fase con ganancia unidad de la tensión de entrada. La impedancia de entrada de esta etapa es también infinita.

podemos asumir que el amplificador operacional: Esta dañado. Es este caso el amplificador es reemplazado tal y como reemplazarías una resistencia, un transistor u otro componente. Algunos fallo operacionales:

IV. MATERIALES Y EQUIPOS         

Amplificador operacional uA741. Resistencias: 100Ω (2), 4.7K, 10K (4), 1K y 100K (2) de 0.5W. Potenciómetro de 1KΩ y 10Ω de 0.5W. Condensadores electrolíticos: 0.022uF de 50V. Fuente de alimentación doble de 30V. Osciloscopio. Generador de Funciones. Multímetro Digital. Panel de Experimentos.

V. CUESTIONARIO 1.

Dibuje un esquema que permita desechar rápidamente un amplificador operacional malo. Los amplificadores operacionales son complejos y sofisticados dispositivos que están sujetos a muchos fallos internos mientras se encuentran funcionando. Sin embargo, un amplificador operacional como tal no puede ser testeado. Si hubiera algún problema interno, no es posible detectarlo y repararlo. Por lo tanto si el amplificador no funciona la única opción es reemplazarlo. Por lo general hay tan solo unos pocos componentes externos a los amplificadores operaciones. Un circuito típico consiste en una resistencia de entrada, una resistencia de realimentación y un potenciómetro para la compensación del voltaje “offset”. Si el circuito funciona mal, los componentes de alrededor son los que tienen que ser testeados primero. Puede haber soldaduras frías, o componentes quemados o fuera de rango. Si no es ninguna de las anteriores, tenemos que chequear los contactos del mismo amplificador operacional. Es posible que alguno de ellos este dañado. Finalmente, si todo lo demás parece estar en buen funcionamiento, pero el circuito sigue sin funcionar,

típicos

de

amplificadores

Voltaje de alimentación: Esta es una de las primeras cosas que se deben ser comprobadas (como en el caso de testea cualquier otro circuito). Un correcto voltaje de alimentación y tierra tiene que estar presentes. Debe recordarse que el nivel de voltaje de alimentación es bastante críti co para los CI. Resistencia de feedback abierta: Este fallo se traduce en un importante recorte de voltaje a la salida, ya que el amplificado funciona a su máxima ganancia de voltaje (por ej. El circuito para como esta como un amplificador en bucle abierto) Cortocircuito de la resistencia de feedback: En este caso, la salida tiene que ser de la misma que la entrada de la señal. Entrada de circuito abierta: Es el caso de un amplificador inversor, no hay señal a la salida, ya que no hay señal a la entrada. En el caso de un amplificador no inversor, la ganancia es igual a 1 y la salida de voltaje sigue exactamente lo que haya a la entrada. En otras palabras el amplificador actuará como un seguidor de voltaje. Potenciómetro mal ajustado: Es fallo te traduce en tan solo el pico positivo o negativo en la tensión salida.


2.

Copie las especificaciones de un OPAMP y explique su significado. I.

Ganancia de lazo abierto Av.

La diferencia más significativa entre el AO ideal y el real es la ganancia de tensión en lazo abierto, también cono- cida como ganancia diferencial. Mientras AO ideal tiene ganancia infinita, la ganancia AO real es finita y además disminuye a medida que aumenta la frecuencia de trabajo. La ganancia de tensión se especifica en decibeles.

La ganancia es alta para entradas cuya frecuencia fluctúa entre c.c. y 10 KHz aproximadamente, para luego empezar a decaer. Esta frecuencia de corte varía de acuerdo al tipo de AO, para el caso de la Fig. 2, la alta ganancia se mantiene hasta los 100Hz, decayendo a medida que aumenta la frecuencia.

Este parámetro es independiente de la ganancia del AO, y su polaridad puede ser positiva o negativa. El efecto del voltaje Vio, se modela como una fuente de tensión continua en una de las entradas del AO ideal III.

Corriente de polarización de entrada (IB )

Las entradas del AO ideal no requieren corriente, sin embargo, en el caso real ingresa una corriente de polarización en cada terminal de entrada. Esta corriente IB (la letra B corresponde a la abreviación Bias) es la corriente de base del transistor de entrada, que se define como la semi-suma de las corrientes de entradas individuales de un AO balanceado de acuerdo a la ecuación (3). La corriente de polarización de entrada se puede modelar como dos fuentes de corrientes como se indica en la siguiente figura.

Errores de desplazamiento II.

Tensión de desplazamiento (Offset) en la entrada (Vio)

En el AO real si ambas entradas son conectadas a tierra, la salida es distinta de cero, pues existe una pequeña tensión de desplazamiento. Esta tensión en la entrada, llamada Vio, se define como la tensión de entrada necesaria para que la salida sea igual a cero. Si este valor es distinto de cero, el AO amplificará cualquier desplazamiento en la entrada, provocando un error grande en corriente continua en la salida.

IV.

Coeficientes que varían con respecto a la temperatura

Tanto Vio, IB e Iio son dependientes de la temperatura, es por eso que se dependen de coeficientes que relacionan su variación con la variación de temperatura. Parámetros relacionados con la respuesta en frecuencia

V.

Producto Ganancia - Ancho de Banda (GBP)

Es el producto de la ganancia en lazo abierto disponible y el ancho de banda a una frecuencia específica. En gran parte de los AO (compensados internamente en frecuencia) cuya respuesta en frecuencia cae con una pendiente de 20 dB/dec, el GBP se considera constante. Este parámetro está


ligado a la frecuencia a ganancia unidad (ft) y en algunos casos son la misma cosa. Cuando se trabaja a ganancia unitaria, el GBP es igual al ancho de banda. VI.

cero, sin embargo, debido a la componente en modo común esto no ocurre. La capacidad de atenuar esta componente es lo que se conoce como CMRR y comúnmente se expresa en decibeles (dB).

Rise Time (tr )

Es el tiempo que se demora la señal de salida en ir desde 10% hasta el 90% de su valor final, bajo condiciones de pequeña señal y en lazo cerrado. Se define en base a la respuesta de una entrada escalón y se relaciona con el ancho de banda.

Donde, Ad, es la ganancia diferencial y Acm es ganancia en modo común. IX.

Resistencia De Entrada (Rin)

Es la resistencia vista desde un terminal de entrada con la otra entrada puesta a tierra. Esta varía para cada AO. El tr está dado para ganancia unitari a, así el ancho de banda calculado recibe el nombre de GBP. VII.

Slew Rate (SR)

La respuesta debida a un escalón no es ideal. Si se quiere llevar la salida entre dos extremos, la respuesta del amplificador no es instantánea. La velocidad que toma la salida en ir desde un extremo a otro es la que se conoce como razón de cambio o slew rate y está medida en V. Comúnmente el SR se relaciona con el ancho de banda de potencia, fp, que se define como la frecuencia a la cual una señal senoidal de salida, a una tensión predeterminada, comienza a distorsionarse. Si vo = V sen2nfpt, donde V es la amplitud máxima de salida, el ancho de banda de potencia se define como la habilidad para entregar el máximo de voltaje de salida con incremento de frecuencia. Características Eléctricas VIII.

Relación de rechazo en modo común (CMRR)

Mide la habilidad de un AO para rechazar señales en modo común. Si la misma señal alimenta a la entrada inversora como a la no inversora de una configuración diferencial, la salida vo debiera ser

X.

Resistencia de salida (ro)

Es la resistencia vista desde el terminal de salida. Este parámetro se define bajo condiciones de pequeña señal con frecuencias por encima de algunos ciento de Hertz.

XI.

Tensión de alimentación (V+ y V-)

Es la tensión de alimentación máxima permitida que puede aplicarse con seguridad al amplificador. Aunque se designa como estándar 15 [V] de alimentación, la mayoría de los AO integrados operan sobre un amplio rango de potenciales, algunos van desde valores tan bajos como 1 [V], y otros hasta 40 [V]. XII.

Tensión de entrada diferencial (Vid)

Es la tensión máxima que puede aplicarse con seguridad entre los terminales de entrada diferencial sin flujo excesivo de corriente. Estos valores son variables, los AO con entrada pnp/npn soportan hasta ±30 [V], similares a los AO con entrada FET. XIII.

Voltaje de entrada en modo común (Vcm)

Es el rango de voltaje que se puede aplicar en ambas entradas respecto a tierra.


3. Explique el uso de las curvas de densidad de ruido en un amplificador operacional. El modelado de generación de ruido en un amplificador operacional se puede hacer utilizando una fuente de ruido de tensión en, y dos fuentes de ruido de intensidad inn e inp, como se muestra en la figura. Las dos fuentes de intensidad son de características similares, pero no están correlacionadas, por lo que es conveniente mantenerlas con diferente denominación durante la obtención de las expresiones, aunque al final, en el cálculo de los valores, hagamos inn=inp=in. Para evaluar los niveles rms de ruido Eno en la salida de un circuito basado en amplificador operacional, se estudia el circuito básico de amplificador inversor y no inversor, en el que las fuentes de señal se han cortocircuitado a tierra.

Los parámetros que caracterizan el ruido de tipo integrado que ofrece el amplificador AD741, son, Ruido tensión: e2nw=4.0 10-16 V2/Hz

fce= 200 Hz

Ruido de intensidad: i2nw=3.0 10-25 A2/Hz

fci=2000 Hz

En la siguiente figura se muestra el modelo para el análisis de ruido de una etapa básica. A efecto de modelar las diferentes fuentes de ruido internas del amplificador, se ha incluido el modelo del amplificador operacional, y así mismo, para modelar el efecto de las resistencias, se incluyen las fuentes de ruido térmico correspondientes.

En la figura se muestran las curvas característ icas de ruido de un amplificador operacional LM741.

Inicialmente calculamos la densidad espectral de tensión en la entrada del amplificador: - La fuente de tensión contribuye directamente con la densidad espectral de potencia en2. - Las fuentes de ruido de corriente inp e inR3, fluyen a través de R3, y contribuyen con la densidad espectral de potencia,


- Las fuentes de ruido de corriente inn, inR1 y inR2 fluyen a través del paralelo de las resistencias R1 y R2, y contribuyen con la densidad espectral de potencia,

En cualquier caso, la salida sufrir a recorte una vez alcance el voltaje de saturación en el lado positivo o negativo. II.

Habiendo denominado Rp=R3 y Rn=(R1// R2). Estableciendo inn = inp = in y combinando los diferentes fuentes de potencia de ruido, resulta para la densidad espectral de tensión de entrada,

El AO tiene un circuito de protección que limita la corriente a un valor máximo, llamado la corriente de corto circuito (short-circuit current, SCC). Si la corriente de salida que el AO suple o absorbe alcanza este valor, la magnitud el voltaje de salida deja de aumentar, limitando así la corriente al valor de este parámetro. III.

Es importante observar, que en esta expresión, se pone de manifiesto que cuando las resistencias son altas, dominan las fuentes de ruido de tipo intensidad, y que cuando las impedancias son bajas, domina la fuente de ruido de tensión. Cuando Rp y Rn son tales que,

Corriente de corto circuito

Disipación de corriente

La operación del AO requiere la extracción de una cantidad de corriente IQ (llamada el quescient current en inglés), aun cuando la salida se mantenga en cero. Si vO = 0V , el AO disipa internamente

una potencia igual a

P = (VCC + VEE )IQ

La contribución de in y en son iguales. A Zn se le denomina resistencia de ruido características del amplificador operacional. Nótese que a efecto del ruido, es más adecuado que Rp = 0, en contra de lo requerido a efecto de minimización del offset.

4. Explique el porqué de las limitaciones del uA741 en frecuencia mayores de 100KHz. I.

Saturación

La salida máxima del amplificador es aproximadamente 80%−90% del voltaje de las fuentes de potencia (más o menos ±13V si las fuentes son ±15V) a menos que sean del tipo “railto- rail”. Estos últimos pueden alcanzar voltajes muy cercanos a los de la fuente de potencia.

Donde VCC y −VEE representan los voltajes positivo y negativo de la fuente de potencia, respectivamente. Valores típicos son VCC = +15V y −VEE = −15V. Si la salida no es cero, una corriente iO debe ser provista a la carga y a la red de retro-alimentación. La misma debe ser extraída de la fuente de potencia en adición a I Q. Esta corriente entrará o saldrá del AO dependiendo de la polaridad de v O. Si vO > 0, iO sale del AO y la corriente de la fuente VCC se convierte en I Q + iO. La potencia disipada internamente es P = (VCC + VEE )IQ + (VCC− vO )iO Si vO < 0, iO entra al AO y la corriente de la fuente VEE se convierte en IQ + iO. La potencia disipada internamente es P = (VCC + VEE )IQ + (vO + VEE )iO Note que los voltajes del power supply son V CC y − VEE (o sea, VEE es un voltaje positivo).


IV.

Razón de cambio máxima (Slew-rate)

Para determinar el tamaño máximo del escalón que será´ libre de este tipo de distorsión, observe que

La respuesta de escalón de un amplificador de GBP constante debe ser

es máximo en t = 0. Por tanto, si pues actúa como un sistema de primer orden. En esta expresión  =

1 2

. Sin embargo, debido a

limitaciones del circuito interno del AO, si el escalón supera un tamaño particular, una respuesta de pendiente constante precederá´ a la respuesta exponencial, tal como muestra en la siguiente figura.

la salida no será limitada por el SR. Esta fórmula se puede expresar como

Donde Vm representa el tamaño del escalón en la salida del amplificador y fbw es el ancho de banda del amplificador.

VI. REFERENCIAS [1] Circuitos electrónicos amplificación lineal con circuitos discretos e integrados, C. Medina Ramos.

La razón máxima a la que puede cambiar el voltaje de salida se conoce como slew-rate (SR). Si la señal requiere un cambio más rápido, la señal se distorsiona y la razón de cambio se limita al slewrate. Ejemplos de señales limitadas de este modo son los siguientes:

[2] http://fuhrerluftwaffe.blogspot.pe/2009/04/prob ador-de-op-amp.html [3] http://www.profesormolina.com.ar/tutoriales/am pli_oper.htm [4] http://quidel.inele.ufro.cl/~jhuircan/PDF_CTOSII/aoetie ee.pdf

IP4.Electronicos II

Recommend Documents