39526817-Amplificadores-operacionales

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Área de Tecnología Electrónica

Universidad de Oviedo

Electrónica y Automatismos

Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de Mieres

ELECTRÓNICA Y AUTOMATISMOS

2º Curso de Instalaciones Electromecánicas Mineras

Tema 2: Electrónica Analógica

Amplificadores operacionales

Profesor: Javier Ribas Bueno

Nota: las animaciones contenidas en esta presentación requieren Powerpoint de Office XP o posterior

Parte de los contenidos ha sido desarrollada por Diego González Lamar





Electrónica analógica: Conceptos generales de amplificación

• Introducción

• El amplificador operacional ideal

• El amplificador operacional con realimentación negativa

Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales

• Características del amplificador operacional real

• El amplificador operacional con realimentación positiva

Aplicaciones no lineales de los amplificadores operacionales

• Otros montajes

• Amplificadores operacionales y comparadores comerciales

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Introducción

El amplificador ideal de tensión

AVE VS VS = A·VE

El amplificador diferencial de tensión

AdVS = Ad · (V1 – V2)

V1VS

V2

+

-

iE = 0 iS

Impedancia de entrada infinita:

iE = 0





El amplificador operacional ideal

El amplificador diferencial de tensión

V1VS

V2

+

-

Amplificador operacional ideal

¿Para qué sirve un amplificador que para cualquier entrada no nula tiene salida infinita?

i1 = 0

i2 = 0 ↓∞

Ad

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El amplificador operacional con realimentación negativa

Sistema realimentado:

VE VS

VR

A

β

-

+

-

Amplificador operacional realimentado:

VS

VE

VR

VS = VE · A

1 + A · β

R1

R2

A →∞

VS = VE · 1

β

β = R2

R1 + R2VS = VE ·

R2

R1 + R2






+

-

Amplificador de ganancia positiva:

VS

VE

R1

R2

VS = VE ·R2

R1 + R2= VE · ( 1 + )

R2

R1

Se cumple la relación: V+ = V-

V+

V-

VS = Ad · (V+ - V-)

Valor finito ∞ CERO

Siempre que hay realimentación negativa, la tensión de salida sube o baja hasta igualar estas dos tensiones.

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+

-

Amplificador de ganancia positiva:

VS

VE

R1

R2

V+ = VE

V+

V- La ganancia se puede calcular empleando la relación V+ = V-

V- = VS ·R2

R1 + R2

V+ = V-VE = VS ·

R2

R1 + R2VS = VE ·

R2

R1 + R2






+

-

Amplificador de ganancia negativa:

VS

VE

R1

R2

V+ = 0

V+

V-

V+ = V-VS = VE ·

-R1

R2

i

i

i =VE - VS

R1 + R2

V- = VS + i · R2

V- = VS + R1 ·VE - VS

R1 + R2

R2

R1 + R2V- = VS · + VE ·

R1

R1 + R2

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+

-

Sumador inversor:

VS

V1R1

R2

V+

V-V+ = V-

V- = 0

iA = i1 + i2

V2

RA

i2

i1 iA

VS = -RA · ( + )V1

R1

V2

R2

VS = - iA · RA i1 =V1

R1i2 =

V2

R2






+

-

Sumador no inversor:

VS

V1R1

RA

V+

V-

V+ = V-V2

RB

R2

R3

V- = VS ·RA

RA + RB

V+ =

V1

R1

V2

R2+

1R1

1R2

+1R3

+

VS =RA

RA + RB ·

V1

R1

V2

R2+

1

R1

1

R2+

1R3

+

6






+

-

Amplificador diferencial (restador):

VSV1R1 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)






+

-

Conversor I-V:

VS

R

V+

V-

V+ = V-VS = -R · i

i

i

V- = 0

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+

-

Conversor V-I:

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






+

-

Seguidor de emisor:

VSV+

V-

V+ = V- VS = VEVE

Este circuito se emplea para adaptar impedancias

Equipo de

medida

señal muy débil (corriente máxima 50μA)

VS

+

-iE = 0

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+

-

Integrador:

VS

VE

C

R

V+

V-i

i

VS = -VC

VC i =VE

R

( ) ∫ ⋅+==t

0CC dti

C10tVV

dtdVCi C⋅=

( ) ∫ ⋅⋅

−==t

0ESS dtV

RC10tVV






+

-

Integrador:

VS

VE

C

R

V+

V-

La integral de una tensión constante es una rampa que tiende a infinito. En un circuito práctico es imposible evitar que exista una cierta componente de continua en las señales que maneja el operacional. Por lo que se suele añadir una resistencia de valor elevado en paralelo con el condensador.

R2

9






Rectificador de precisión:En ocasiones puede ser necesario rectificar una señal de baja amplitud.

VE

+

VSD

R

1V

VE

+

ideal 0,6V

Con un diodo no se pueden rectificar señales de baja amplitud. Es necesario emplear un rectificador de precisión.






+

-

Rectificador de precisión:

VS

VE

R2

R1

D1

D2

En función del signo de la tensión de entrada conduce D1 o D2:

•Si VE > 0 conduce D2 y D1 está en bloqueo

•Si VE < 0 conduce D1 y D2 está en bloqueo

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+

-


VS

VE

R2

R1

D1

Comprobamos el estado de los diodos D1 y D2:

•D2 conduce la corriente i

•D1 está en bloqueo

VE > 0

i

i

i

0,6V

i

i =VE

R1

VS = - i · R2VD1

VS = VE ·-R2

R1

VD1 = 0,6 - VS

VD1 > 0






+

-


VS

VE

R2

R1

D1

D2

Comprobamos el estado de los diodos D1 y D2:

•D1 conduce la corriente i’

•D2 está en bloqueo

VE < 0

i’

0,6Vi’ =

-VE

R1

VD2

VS = 0

VD2 = 0,6

VD2 > 0

i’

11






+

-


VS

VE

R2

R1

D1

D2

Conclusión:

•Si VE > 0 se cumple: VS = VE ·-R2

R1

•Si VE < 0 se cumple: VS = 0

1V

VE






+

-


VS

VE

R2

R1

D1

D2

Cambiando la orientación de ambos diodos:

•Si VE > 0 se cumple:

VS = VE ·-R2

R1

•Si VE < 0 se cumple:

VS = 0

1V

VE

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VX

+-VE

R

R

D1

D2

VX=VE si VE<0

VX=0 si VE>0

VE VX

R+-

R/2R

VS

VS=-VE-2VX

VX







R+-

R/2R

VS

VS=-VE-2VX

VX

VX

+

-VE

R

R

D1

D2

VX=VE si VE<0

VX=0 si VE>0

VE VX

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En todos los circuitos analizados se ha supuesto comportamiento IDEAL del amplificador operacional

¿qué pasa cuando se emplea un amplificador operacional real?

Características del A.O. real





Características del amplificador operacional real

• 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

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• Impedancia de entrada no infinita

+

-Ri

Ri

Idealmente: Ri = ∞En la práctica: Ri = 105 ~ 108

• Impedancia de salida no nula

+

-Ro Idealmente: Ro = 0

En la práctica: Ro = 20 ~ 100Ω






• Corriente máxima de salida limitadaLos amplificadores operacionales comerciales suelen incluir una protección de sobrecorriente que limita la corriente de salida máxima

ismax = 20 ~ 100mA

• Ganancia no infinita

+

-

us = Ad·udud

Idealmente: Ad = ∞En la práctica: Ad = 20000 ~ 500000

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Escuela Universitaria de Ingenierías Técnicas de MieresV-


• Ancho de banda limitado

• Los amplificadores operacionales amplifican continua• A partir de cierta frecuencia la ganancia cae

• Errores en continua

Idealmente: VS = 0

En la práctica: VS ≠ 0

100Hz

80dBAd

+

-VS

R1

R2

Normalmente VS toma un valor muy pequeño. Si es necesario compensarlo, se usan las entradas de offset-null.





Zona lineal


• Tensiones de entrada limitadas por la alimentación

La tensión de las entradas no puede salirse del rango fijado por la alimentación

+

-VS

VCC

-VCC

V+

V-

VCC-VCC 0

Zonaprohibida

Zonaprohibida

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• Excursión de la tensión de salida limitada por la alimentación

La tensión de la salida no puede superar la tensión de alimentación positiva ni bajar por debajo de la de alimentación negativa.

+

-VS

VCC

-VCC

ud ud

VS

VCC

-VCC≈2V

≈2V

Para la resolución de problemas usaremos la siguiente aproximación: ud

VS

VCC

-VCC





El amplificador operacional como comparador

V-

+

-

V+

No hay realimentación positiva, la tensión diferencial no es nula

⎪⎩

⎪⎨

⎧

<−

>

=

−+

−+

VVV

VVVV

cc

cc

sVS

VCC

-VCC

VE

+

-VS

VCC

-VCC

Comparador

Vcomp

Vcc

-Vcc

Vcomp

VE

VS

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El amplificador operacional como comparador

VE

+

-VS

VCC

-VCC

Comparador

Vcomp

Vcc

-Vcc

Rebotes

Vcomp

VE

VS

Si hay ruido en la señal de entrada ¿Cómo evitar los rebotes?





El amplificador operacional con realimentación positiva

VE

+

-VS

VCC

-VCC

Comparador con histéresis

Vcomp

R2

R1

Variar el nivel de comparación en función de la salida.

⎪⎪

⎩

⎪⎪

⎨

⎧

−=+

−

=+

=

ccs21

1cc

ccs21

1cc

comp

VVRR

R·V

VVRR

R·V

V

Vcc

-Vcc

VE

Vcomp

VS

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El amplificador operacional con realimentación positivaComparador con histéresis

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1

RRR+

Símbolos Nivel de Histéresis

VS

VE

VS

VE






Multivibrador astable (I)

C +

-VS

VCC

-VCC R2

R1

Vcomp

00)(tVC == ccs VV −=y

Suponemos

cc21

1comp ·V

RRRVV+

−==+

0VV C ==− ccs VVVV −=⇒> +−

00)(tVC == ccs VV =y

Suponemos

cc21

1comp ·V

RRRVV+

==+ 0VV C ==− ccs VVVV =⇒< +−

RVC

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C +

-VS

VCC

-VCC R2

R1

Vcomp

00)(tVC == ccs VV =yR

VCCC

R

[ ] τt

0 ·eAAAA(t)−

∞∞ −−= R·C=τ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

−R·C

t

CCC e1·V(t)V

VC

Vcomp

Multivibrador astable (II)

VC

VCC

-VCC

VS

CC21

1 VRR

R+

CC21

1 VRR

-R+






C +

-VS

VCC

-VCC R2

R1

Vcomp

CC21

1C V

RRR0)(tV+

== ccs VV −=yR

-VCCC

R

[ ] τt'

0 ·eAAAA(t)−

∞∞ −−= R·C=τ

VC

VCC

-VCC

VS

VC

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−−=

−R·C

t'

21

21CCC ·e

RRR2·R1·V)(t'V

Vcomp

Multivibrador astable (III)

20






C +

-VS

VCC

-VCC R2

R1

Vcomp

CC21

1C V

RRR0)(tV+

−== ccs VV =yR

VCCC

R

[ ] τ't'

0 ·eAAAA(t)−

∞∞ −−= R·C=τ

VC

VCC

-VCC

Vcomp

VS

VC

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−=

−R·C

't'

21

21CCC ·e

RRR2·R1·V)'(t'V

Multivibrador astable (IV)






C +

-VS

VCC

-VCC R2

R1

Vcomp

RVC

VCC

-VCC

VS

Multivibrador astable (V)

CC21

1R·C2T

21

21CCC ·V

RRR·e

RRR2·R1·V)

2T(V

+=

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

++

−=−

T/2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−=

−R·C

't'

21

21CCC ·e

RRR2·R1·V)'(t'V

( ) R·C2T

212 ·eR2·RR−

+=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +=2

21

RR2·R2·R·C·lnT

21






C +

-VS

VCC

-VCC R2

R1

Vcomp

RcVC VCC

-VCC

VS

Multivibrador astable (VI)

t2

Rd

t1

La descarga del condensador se realiza a través de Rd τ =CRd

La carga del condensador se realiza a través de Rc τ =CRc





Otros montajes

Detector de pico (I)

CVE VSD

CD RVE VS

VE

VS

VE

VS

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Otros montajes

Puede sustituirse el rectificador por uno de precisión para evitar el error que introduce la tensión directa del diodo

+

-

VE

D

C R VS

VE

VS

Detector de pico (II)





Otros montajes

Limitador (I)

VE VS

R1

VZ1

VZ2

VE

VS

VZ2+VγZ1

VZ1+VγZ2

Un limitador es un circuito que permite, mediante el uso de resistencias y diodos, eliminar tensiones que no nos interesa que lleguen a un determinado punto de un circuito.

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Otros montajes

Limitador (II)

+

-R

VS

VE

Si VE>VREF, la corriente puede ser conducida por el diodo; hay realimentación negativa.

VS=V-=VREFD

VREFSi u VE<VREF, la corriente NO puede ser conducida por el diodo; NO hay realimentación negativa,

VS=VE

0Vd ≠





Amplificadores operacionales y comparadores comerciales

Fabricantes

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)

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LM741






TL081

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Comparadores

Algunos AO modifican su salida para trabajar en saturación con mayor eficiencia. La etapa de salida es un único transistor (Salidas en Colector abierto o Drenador Abierto).

Salida típica en colector abierto

Sat. + transistor cortadoSat. - transistor saturado

Salida con emisor accesible

Sat. + transistor cortadoSat. - transistor saturado

-VCC

+VCC

+

-C

COMP+VCC

-VCC

+

-C

E

COMP






LM393

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