Capí tulo tulo 10: Amplificadores Operacionales
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Op-Amp Básico
Un amp ampli lifi fica cado dorr oper operac acio iona nall o op-am op-amp, p, es un ampl amplif ific icad ador or dife difere renc ncia iall con con una muy alta lta gana gananc ncia ia y alta lta impe impeda danc ncia ia de en entr tra ada ( típ típica icament mentee en Mega egaOhms Oh ms)) y baja baja impe impeda danc ncia ia de sal salid ida a (men (menos os de 100 100 ). Note Note qu quee el op-a op-amp mp tien tienee dos dos en entr trad adas as y un una a sali salida da..
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Ganancia de un Op-Amp
Los Op-Amps tienen muy alta ganancia. Pueden conectarse en lazo abierto o lazo cerrado. •
Open-loop se refiere a la configuración donde no hay una retroalimentación hacia la entrada. En la configuración lazo abierto la ganancia puede exceder 10,000.
•
Closed-loop reduce la ganancia. Con el propósito de controlar la ganancia de un op-amp es necesario tener retroalimentación. Esta retroalimentación es de tipo negativa. Un retroalimentación negativa reduce la ganancia y mejora muchas características del op-amp.
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Op-Amp Inversor
• • •
La señal de entrada se aplica a la terminal inversora ( – ) La terminal no-inversora (+) se conecta a tierra La resistencia R f es la resistencia de. de Se conecta de la salida a la entrada inversora. Esto es retroalimentaci retroalimentaci ó ó n negativa. negativa
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Tierra virtual Al entender el concepto de tierra virtual entenderemos mejor como opera un opamp. La entrada no-inversora va a tierra. La entrada inversora estará a 0V para una señal AC signal.
El op-amp tiene una alta impedancia de entrada de forma que aún teniuendo alta gananciano hay corriente de la entrada inversora, por lo tanto no hay voltaje de la entrada inversora a la – toda la corriente pasa por R f .
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Circuitos prácticos con Op-Amp
Los siguientes circuitos con op-amp son de uso común: • • • • •
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Amplificador inversor Seguidor unitario Amplificador sumador Integrador Diferenciador
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Op-Amps Inversores/No inversores Amplificador inversor Vo
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R f R 1
Amplificador No inversor Vo
V1
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(1
R f R 1
)V1
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Seguidor Unitario
Vo
V1 porque R f = R 1
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Amplificador sumador
Debido a que el op-amp tiene una alta impedancia de entrada, entradas múltiples se consideran como entradas separadas. Vo
R f
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R 1
V1
R f R 2
V2
R f R 3
V3
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Integrador
La salida es la integral de la entrada. Integrar es sumar el área bajo una curva en un periodo de tiempo. Este circuito es útil en circuitos filtro pasa bajas y circuitos acondicionadores de señales de sensores.
v o (t)
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1 RC
v 1 (t)dt
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Diferenciador
El diferenciador toma la derivada de la entrada: Este circuito es útil en circuitos filtros pasa altas.
v o (t)
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RC
dv 1 (t) dt
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Especificaciones de Op-Amp — Par Parámetros de DC
Aún cuando el voltaje de entrada es cero, habrá una salida distinta de cero llamada offset. offset Lo siguiente es causa de offset: • • • •
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Offset en el voltaje de entrada Offset en la salida, debido a un offset de corriente en la entrada Offset total de voltaje debido a offset de voltaje de entrada y offset de corriente de entrada Corriente de polarización de entrada
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Offset de Voltaje de entrada (VIO) La hoja de especificaicones de un op-amp indica offset de voltaje de entrada (VIO). El efecto de este offset de voltaje de entrada en la salida puede ser calculado con Vo(offset)
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VIO
R 1
R f
R 1
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Voltaje de Offset a la salida debido a un Offset de Corriente a la entrada (IIO) Si hay una diferencia entre la corriente de DC para la misma entrada aplicada, esto también produce un Offset en el voltaje de salida: • •
El offset de corriente de entrada (IIO) se especifica en la hoja de datos del opamp. El efecto en la salida se calcula con Vo(offset due to I
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IO
)
I IO R f
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Offset Total debido a VIO y IIO
Op-amps pueden tener un offset de salida en voltaje debido a los dos factores VIO y IIO. El offset total de voltaje de slaida será la suma de ambos efectos: Vo (offset) = Vo( offset por VIO ) + Vo (offset por IIO )
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Corriente de Bias a la entrada (IIB) Un parámetro que está relacionado con el Offset de corriente de entrada (IIO) es la corriente de bias de entrada (IIB) Las corrientes de bias de entrada son: −
I IB =I IB −
I IO
I IB
2
I IB
I IO 2
La corriente de bias de entrada es el promedio : I IB
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I IB
I IB 2
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Especificaciones de Op-Amp — Par Parámetros de Frecuencia Un op-amp es un amplificador de banda amplia. Lo siguiente afecta el ancho de banda del op-amp: • Ganancia • Slew rate
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Ganancia y ancho de banda
La respuesta de alta frecuencia de un op-amp está limitada por los circuitos internos. La gráfica muestra una ganancia de lazo abierto (AOL or AVD). Esto significa que el op-amp está operando a la ganancia más alta posible sin retroalimentación en el resistor. En lazo abierto, el op-amp tiene un ancho de banda estrecho. El ancho de banda aumenta en lazo cerrado, pero la ganancia es menor.
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Slew Rate (SR)
Slew rate es la tasa máxima en la cual un op-amp puede cambiar la salida sin distorsión.
SR
ΔVo Δt
V/ s
El SR se da en las hojas de especificaciones como V/ s .
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Frecuencia Máxima de Señal
El slew rate determina la frecuencia más alta en que puede operar el op-amp sin distorsión. f
SR 2 πVp
donde VP es el voltaje pico
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Especificaciones Generales de un Op-Amp
Otras razones para un op-amp que se encuentran en las hojas de especificaciones son: • Razones absolutas (Absolute Ratings) • Características eléctricas • Desempeño
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Razones absolutas
Comúnmente son las razones máximas para un op-amp.
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Cracterí sticas sticas Eléctricas
Note que estos valores son para condiciones específicas del circuito, con frecuencia incluyen valores mínimos, máximos y típicos.
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CMRR
Un valor que vale la pena comentar y que es único para los op-amps es CMRR ó tasa de rechazo de modo común (common-mode rejection ratio). ratio) Debido a que el op-amp tiene dos entradas que están opuestas en fase (entrada inversora y entrada noinversora) cualquier señal que es común a ambas entradas se cancelará. Un habilidad para cancelar señales comunes es llamada CMRR.
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Desempeño del Op-Amp
Las hojas de especificaciones también incluyen gráficas que indican el desempeño del op-amp en un amplio rango de condiciones.
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