1 Aplicaciones del Ampli…cador Operacional J. I. Huircán Abstract— Existen numerosas aplicaciones construidas con el Op Amp. La metodología básica de análisis en aplicaciones lineales considera el Op Amp ideal para la determinación de la relación de entrada-salida. El uso de la relación de entrada-salida permite describir las aplicaciones no lineales en lazo abierto y sistemas realimentados positivamente. El análisis en el caso de los generadores de función y osciladores resulta más complejo debido al estudio cualitativo y matemático involucrado . Av Av dB dB -Rf R 20 0 ω [r a d/s e g] 1 0.1 RC 0 1 Rs C RC (a) 1 ω [r a d/s e g] RC (b) Fig. 2. Respuesta en frecuencia del integrador. (a) Ideal. (b) Práctico. Index Terms— uAmp Op Application I. Introduction El Op Amp permite diseñar distintas aplicaciones, tanto lineales como no lineales. El análisis es distinto para cada aplicación, pero es vital para comprender su diseño. En los siguientes apartados se presentas distintas aplicaciones, donde se presentan los correspondientes análisis y algunas sugerencias para éllo. II. El computador Analógico Esta es la aplicación más clásica del Op Amp y permite la resolución de ecuaciones diferenciales, mediante una combinación de integradores y derivadores. En el clásico articulo de Ragazzini et al. (1947) fue de…nido y nombrado formalmente el concepto de Op Amp, y se presenta un sistema electrónico para solucionar ecuaciones integro-diferencial. Se diseña Rf = 10R, y RC debe ser igual al período de la señal de entrada. B. El diferenciador práctico El problema del circuito de la Fig. 3a, es que la reactancia capacitiva varía en forma inversa con la frecuencia, haciendo muy sensible el circuito al ruido de alta frecuencia. La con…guración práctica de la Fig. 3b inhibe estos efectos, pues la resistencia Rs en serie con el condensador C, hace que disminuya la ganancia para alta frecuencia a R la relación Rfs . El circuito actuará como diferenciador sólo a frecuencias menores que fc = 2 R1f C (o ! c = Rf1C ). C El integrador de la Fig. 1a se modi…ca mediante un resistor Rf en paralelo al capacitor C, lo cual limita la ganancia en baja frecuencia. Para frecuencias menores a 1 fC = 2 1RC o ! C = RC , el circuito se comportará como R un ampli…cador inversor, con ganancia igual a Rf , para f > fC , el circuito será un integrador, de acuerdo a la respuesta en frecuencia de la Fig. 2b, cuya función de transferencia esta dada por (1). Rf C vi R vi vo (a) R _ vi _ + vi C _ vo + (a) (b) Fig. 3. Derivador. (a) Ideal. (b) Práctico. Vo (s) = Vi (s) Rf Cs Rs Cs + 1 (2) vo + Av Av dB 20 (b) Fig. 1. Circuito integrador. (a) Ideal. (b) Práctico. Rf R (Rf Cs + 1) ω [ra d/seg] 0 (1) Haciendo s = j!, se determina la respuesta en frecuencia de la Fig. 2b. Preparado para Circuitos II - DIE, UFRO. Ver. 3.0, 2015 dB Rf Rs 1 10 Rf C Rf C (a) Vo (s) = Vi (s) vo Rs La función de transferencia estará dada por (2), haciendo s = j! en (2) se determina la respuesta en frecuencia indicada en la Fig. 4b. C _ + Rf Rf A. Integrador práctico 0 ω [ra d/seg] 1 Rf C 10 Rs C (b) Fig. 4. Respuesta en frecuencia Derivador. (a) Ideal. (b) Práctico. El valor Rf C se conoce como constante de tiempo y se suele hacer igual al período de la señal de entrada. Rs en la práctica se considera entre 50 200 [ ]. 2 C. Simbología de computación analógica III. Circuitos comparadores La computación analógica introduce una simbología basada en diagramas de bloque, la cual permite implementar computadores en forma simple. En ella se encuentran los integradores, sumadores y ampli…cadores. u -k u y _ y Son circuitos que permiten comparar y determinar cual de dos voltajes es mayor. Los comparadores se construyen mediante Op Amp en lazo abierto o con realimentación positiva. A. Comparadores de lazo abierto y u Como la salida un Op Amp está dada por u-y + u ≡ − ∫ y dt ≡ u -k y vo = Av v + Fig. 5. Simbología básica de Computación Analógica. D. Ejemplo Sea la ecuación diferencial, con las condiciones iniciales igual a cero. d2 v (t) dv (t) + k1 + k2 v (t) + v1 (t) = 0 (3) 2 dt dt Donde v (t) es una función del tiempo. El computador se construye despejando la derivada más alta, luego, integrado la variable deseada se reconstruye el lado derecho de la ecuación de tal forma de que este término es igual a la derivada más alta, así d2 v (t) = dt2 2 d v(t) dt 2 dv (t) k1 dt − k2 v (t) dv(t) dt v1 (t) v(t) − (4) vo vi V +VCC _ ref vo =+VCC VCC vo + V ref vi -VCC (a) V _ vi + ref vo VCC +Vcc vo =+VCC vo V ref -Vcc si i v V < ref vi -V cc + Fig. 8. Comparador por saturación. (a) Inversor. (b) No inversor. -1 + + v1(t) Fig. 6. Computador analógico básico. La solución se obtiene midiendo en el punto v(t), una vez cerrado el interruptor. El circuito de la Fig. 8a corresponde a un comparador de saturación, donde vo = +VCC si vi < Vref y vo = VCC ; cuando vi > Vref . En el circuito de la 8b, se ha cambiado la referencia al terminal v , por lo que en este caso se tiene que si vi > Vref , entonces vo = VCC , luego si vi < Vref , entonces vo = +VCC . vo vo +VCC E. Condiciones iniciales Las condiciones iniciales se incorporan como una fuente contínua en serie con el capacitor, como se indica en la Fig. 7. V -VCC + vi t1 t2 _ i vo Fig. 7. Integrador con condiciones iniciales. t Fig. 9. Curva vo t1 -V CC Vm C CC vi Vref +V( to) + v v V>ref i -VCC k1v(t) _ R si (b) k 1 dv(t) dt -k1 (5) Si v + > v ; la diferencia es positiva, luego al multiplicarla por la ganancia en lazo abierto (que es muy grande), hará que vo sea muy grande, pero estará limitado por la tensión de alimentación +VCC . Si v + < v , entonces el voltaje aplicado es negativo, luego vo = VCC . La comparación entonces se realiza entre los voltajes v + y v : -k2 t=0 v vi del comparador. t2 t APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL 3 La respuesta del comparador en el tiempo se puede obtener proyectando la señal de entrada en la curva vo vi indicada en la Fig.9. En la curva mostrada, mientras la señal vi es menor que Vref , la salida será VCC , cuando vi iguala y sobrepasa la referencia en t = t1 , el comparador cambia de estado a +VCC . Luego, en t = t2 , nuevamente la señal vi pasa por la referencia, haciendo que la salida tome el valor VCC . En un Op Amp ideal, el paso de un estado a otro es instantáneo, pero en un Op Amp real, el cambio requiere de un tiempo, que puede ser de algunos microsegundos. Para un Op Amp 741, será de aproximadamente 40 [ s]. La velocidad dependerá del Slew rate. En la Fig.10 se observa el caso ideal en la salida y una respuesta que incorpora el SR, haciendo presente el efecto de la velocidad en el Op Amp. R1 R 2 ref t1 vi V ref _ +VCC t3 t4 vi -VCC -Vcc vi V ref R2 t Fig. 10. Diagrama temporal del comparador Sin embargo, algunas aplicaciones pudieran requerir valores menores al voltaje de alimentación, de esta forma la salida del comparador puede limitarse usando diodos zener de acuerdo a lo indicado en la Fig. 11. Para este caso se tiene que vo = Vz : V _ ref R1 vo _ vo R2 + R 1 R 2 R1 -Vcc (b) V ref vi -Vcc Fig. 12. Comparador con referencia variable. (a) Inversor. (b) No inversor. Vref R2 vi R1 + R1 + R2 R1 + R 2 (7) 1 kΩ El circuito de la Fig. 13, es un comparador de ventana y permite discriminar si un voltaje vi se encuentra entre dos niveles, uno superior (VrU p ) y otro inferior (VrLow ). Se tienen tres casos: Caso 1: vi < VrLow < VrU p v1 = Av (vi VrU p ) ! v1 = VCC v2 = Av (VrLow vi ) ! v2 = +VCC (8) (9) Luego D2 conduce y D1 no conduce, así cuando la entrada se encuentra bajo la referencia inferior, vo = +VCC . Caso 2: VrLow < vi < VrU p +VCC vo _V z + -VCC Vz v1 = Av (vi VrU p ) ! v1 = VCC v2 = Av (VrLow vi ) ! v2 = VCC Fig. 11. Comparador con salida limitada. Los circuitos mostrados en la Fig. 8, se pueden modi…car para obtener la referencia variable usando dos resistores, como se indica en las aplicaciones de la Fig. 12. Para encontrar el punto de conmutación en este comparador primero se determinan v y v + : Se observa que v = 0; luego aplicando la LCK en v + para el circuito de la Fig. 12a, se tiene Vref v + vi v + + =0 R1 R2 Despejando v + se tiene +Vcc +Vcc B. Comparador de ventana V ref vi vi V ref El cambio de estado ocurre cuando v + = v ; usando esa 2 condición se determina que para vi = Vref R R1 , el comparador cambia de estado, como lo indica la Fig. 12a. -VCC vo + t2 R1 (a) v+ = t R2 -Vcc vo +V CC SR vo + R2 v i +Vcc vo R1 V +Vcc _ (6) En este caso D1 y D2 no conducen pues v1 = v2 = entonces vo = 0. Caso 3: vi > VrLow > VrU p v1 = Av (vi VrU p ) ! v1 = +VCC v2 = Av (VrLow vi ) ! v2 = VCC (10) (11) VCC , (12) (13) Finalmente D2 ; no conduce y D1 si, entonces vo = +VCC . Si vi se encuentra en la ventana, vo = 0 (estado bajo). Si vi se encuentra fuera de la ventana, vo = +VCC . 4 Vr Up + VCC _ v1 + +VCC _ _ vo + D1 R 1 -VCC v i v _ V CC +V + VCC vo R1 _V R 2 RL v2 CC R2 (a) D2 + CC + i vo _ Vr Low iv (b) Fig. 15. Schmitt Trigger. (a) No inversor. (b) Inversor. -VCC Fig. 13. Comparador de ventana. posibles, entonces el valor de v + también tendrá dos valores. Por lo tanto el voltaje v tendrá dos referencias posibles con las cuales se ha de comparar dependiendo del valor en que se encuentre la salida. Determinando v + y v se tiene C. Comparadores realimentados C.1 Señales ruidosas y comparadores Sea un comparador cuya referencia es 0[V ], alimentado con dos tipos de señales, una sin ruido y otra con ruido, donde el ruido será una pequeña señal cuadrada de alta frecuencia, la cual será sumada a la señal de entrada. Ambas situaciones están indicadas en la Fig. 14. vi vi t t vo vo t t Fig. 14. Respuesta del comparador: (a) Sin ruido. (b) Con ruido. Note que en la Fig. 14a el cambio de estado del comparador se produce cuando la señal triangular cruza por cero. Para la segunda situación (Fig. 14b), ocurre exactamente lo mismo, sin embargo, el efecto del ruido hace que el cambio se produzca más veces. Esto trae consecuencias desastrosas sobre el dispositivo …nal (sobre el cual se realiza la actuación) si éste es de caracter electromecánico. Para solucionar este problema, se introduce una realimentación positiva en el comparador, con el …n de de…nir una banda para la cual el circuito permanezca insensible al ruido. v = vi (14) v+ R1 = vo R1 + R2 (15) Como la conmutación ocurre cuando v + = v ; se puede determinar el punto de conmutación conociendo el valor de vo , sin embargo, no se sabe en que estado se encuentra el circuito. Para poder determinar el punto de conmutación se supondrá conocido el valor de la salida, sea esta igual a vo = +VCC . Luego, si vo = +VCC ; entonces se debe cumplir que v + > v , así reemplazando los valores respectivos, se tiene R1 > vi R1 + R2 Reemplazando el valor de vo , vo R1 > vi R1 + R2 De esta forma se establece que vi de puede tomar valores 0 o negativo y la salida sigue estando en +VCC , como se 1 ; se muestra en la Fig. 16a. Cuando vi = +VCC R1R+R 2 produce la conmutación y vo ! VCC ; esto de acuerdo a la Fig.16b, además la salida se mantendrá en el valor VCC si vi aumenta. +VCC vo C.2 Schmitt Trigger El disparador de Schmitt (Schmitt Trigger ) es un comparador que usa realimentación positiva para acelerar el ciclo de conmutación. Note que en la Fig. 15, la señal de salida es realimentada a través de R2 al terminal no inversor del Op Amp. Esto aumenta la ganancia y agudiza la transición entre los dos niveles de salida. El circuito de la Fig. 15a, se conoce como disparador de Schmitt inversor. La comparación se produce entre los voltajes v y v + ; luego la salida dará como resultado el valor +VCC o VCC , dependiendo si v + > v o v + < v respectivamente. Sin embargo, dado que el terminal v + está conectado a la salida y ésta puede tener dos estados vo +VCC +VCC VCC R 1 + R 1 R 2 vi VCC R 1 R 1+ R 2 vi -VCC (a) (b) Fig. 16. (a) Punto de conmutación cuando vo = +VCC . (b) Con1 mutación cuando v + = +VCC R R+R : 1 2 Sin embargo, cuando se produce la conmutación el valor de v + cambia ya que depende de la salida haciendo que el APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL 5 punto de conmutación cambie, dicho valor se muestra en la Fig. 17a. Al disminuir el valor de vi , el cambio de estado se produce nuevamente cuando v + = v , pero como el valor de v + se ha modi…cado, entonces este nuevo cambio 1 : Al producirse se produce cuando vi = v + = VCC R1R+R 2 esta conmutación, la salida cambia de valor haciendo que vo ! +VCC como se muestra en la Fig. 17b. Este valor en la salida se mantendrá mientras vi siga disminuyendo. vo vo +VCC -VCC vi R 1 R1+ R2 VCC -VCC R1 + v+ vo R2 v = 0 (16) = 0 (17) Despejando v + de (16). v + = vi R2 R1 + vo R 1 + R2 R1 + R 2 (18) Suponiendo la salida en el estado vo = +VCC , entonces se debe cumplir que v + > v , luego se tiene que +VCC R 1 R1+ R2 v+ vi R1 R1+ R2 vi vi R 1 R1+ R2 VCC R2 R1 + vo >0 R1 + R 2 R 1 + R2 (19) Como vo = +VCC , despejando vi se tiene -VCC -VCC (a) (b) vi > Fig. 17. (a) Nuevo punto de conmutación considerando vo = 1 VCC .(b) Conmutación en el punto v + = VCC R R+R : 1 Finalmente, la curva vo 2 vi se muestra en la Fig. 18. vo vo +VCC VCC R1 R2 (20) Así, mientras se cumpla (20), la salida se mantiene en +VCC , como se muestra en la Fig. 19a. Al disminuir el valor de la entrada, la conmutación se produce cuando R1 ; como se muesv + = v , ocurriendo cuando vi = VCC R 2 tra en la Fig. 19b. Al producirse la conmutación, el valor v + cambia debido a que cambia el valor de la salida. +VCC vo vo +VCC -VCC R1 R1+ R2 V CC -V CC R1 R1+ R2 vi vi t1 t2 +VCC t -VCC -VCC vi R 1 R 2 -VCC vi R 1 R 2 -VCC (b) (a) t1 Fig. 19. (a) Punto de conmutación v + = mutación. R1 VCC R : (b) Con2 t2 Fig. 18. Curva vo vi del Schmitt trigger En la …gura se observa que el comparador es sometido a una excitación con diversos niveles de ruido, la primera conmutación cuando la entrada sobrepasa la referencia 1 ocurre en t = t1 . Al cambiar de es+VCC R1R+R 2 tado el comparador, la referencia cambiará su valor a 1 , por lo tanto aunque la excitación ‡uctue en VCC R1R+R 2 torno a la referencia original, el comparador no volverá a cambiar su estado. La siguiente conmutación ocurre en 1 t = t2 cuando la excitación traspasa el valor VCC R1R+R ; 2 lo que producirá nuevamente el cambio de la referencia. Se observa entonces que el sistema es más inmune al ruido. En el circuito de la Fig. 15b, la curva vo vi se obtiene determinando para que valor de vi ocurre la conmutación. El cambio de estado del comparador siempre ocurre cuando v + = v , luego planteando las ecuaciones en v + y v se tiene En la Fig. 20a, se muestra el nuevo punto de conmutación. Si la señal vi aumenta, entonces la conmutación ocurre en dicho punto como se muestra en la Fig. 20b, si el voltaje vi aumenta, la salida se mantendrá en vo = +VCC : vo vo +VCC vo +VCC 1 - VCC R R 2 VCC 1R 2R vi - VCC +VCC VCC 1R R 2 - VCC 1R R 2 vi VCC 1R R 2 1 - VCC R R 2 - VCC (a) (b) ( c) Fig. 20. (a) Cambio de punto de conmutación. (b) Conmutación en 1 el punto v + = VCC R : (c) Curva de…nitiva. R 2 La curva de…nitiva se muestra en la Fig. 20c, se puede observar que es una especie de histéresis, se utiliza para describir una situación en la que el sistema tiene memoria. vi 6 El circuito de la Fig. 15a o 15b, puede ser modi…cado para que la referencia sea distinta de cero, como se muestra en la Fig 21a. En este caso la curva está desplazada en un 2 ; respecto de la referencia. valor Vref R1R+R 2 Vref _ vo + R2 R1 +VCC +VCC _ Fig. 23. Oscilador de Relajación. vo R1 C R1 V R2 V ref + R1+ R 2 CC R1 + R2 vo vi R + vi -VCC R2 Su funcionamiento se basa en la carga y descarga de C, la cual se produce por el cambio de estado del comparador, note que v = vc corresponde al voltaje desarrollado en C, el cual se compara con v + ; donde -V CC R2 V R1 + R2 ref R1 VCC + R2 Vref R1 + R2 R1 + R2 (a) (b) Fig. 21. (a) Schmitt Trigger con referencia distinta de cero. (b) Curva vo vi . IV. Circuitos Generadores de señal Los circuitos generadores de señal permiten proveer una señal arbitraria mediante un circuito que no necesita excitación. Todos estos circuitos presentan realimentación positiva, es por esto que los más básicos están basados en un disparador de Schmitt. Sea el circuito de la Fig. 22 con red RC, el cual es excitado con una señal vx bipolar. El comparador cambiará de estado cuando vx sobrepase la referencia haciendo que vo tome los valores VCC . La red RC proporcionará entonces una señal exponencial v1 también de caracter bipolar. R1 (21) R1 + R 2 Si el condensador inicialmente esta descargado, el circuito será un comparador realimentado, que puede estar en cualquier estar estado. Si se cumple para este caso que 1 ; v + > v , entonces vo = +VCC , así, v + = +VCC R1R+R 2 luego el capacitor a través de R, recibe un voltaje tipo escalón de valor +VCC , por lo que se cargará exponencialmente a dicho valor. Sin embargo, al llegar la carga al valor v + en t = t0 y sobrepasarlo, se tendrá que v > v + , entonces el comparador cambia de estado haciendo que 1 vo = VCC ; con lo cual v + = VCC R1R+R . Como el 2 capacitor recibe un voltaje negativo de vo , entonces vC disminuirá exponencialmente hacia el valor …nal, pero cuando v = v + ; nuevamente se produce la conmutación en t = t1 . v + = vo vo (t) vo VCC vx Vcc Vref -Vref t1 t2 t4 t3 t1 t t2 t3 t4 t v+= +Vcc -VCC v1 R1 R1 + R2 _ v = vc t vx R1 t0 +VCC _ vo + _V CC t1 t t2 Vcc + v+ v1 R C R2 R _ -v+= Vcc 1 R1+ R2 _V cc Fig. 22. Schmitt trigger con red RC. Fig. 24. Evolución de las curvas. Note que al suprimir la señal en el terminal vx y reemplazando ésta por la señal proveniente de v1 , que tiene las mismas caracteristicas, el sistema producirá una conmutación automática. A. Generador de onda cuadrada El circuito de la Fig. 23 se conoce como oscilador de relajación, el cual genera una onda cuadrada. Consiste en un comparador de Schmitt cuya salida es realimentada negativamente a través de un red RC. La curva de carga del condensador evoluciona en forma exponencial hasta un valor …nal +VCC desde un valor inicial v + , como se indica en la Fig. 24, la constante de tiempo es = RC. La curva de descarga en el terminal v para to < t < t1 vc (t) = VCC + v + 1 e t to RC + v+ Para el tramo t1 < t < t2 , el valor inicial es valor …nal es +VCC . (22) v + y el APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL vc (t) = VCC + v + 1 t t1 RC e v+ 7 (23) Para t = t1 ; igualando (23) y (22) se determina el período de oscilación T , así VCC + v + 1 t1 to RC e = VCC + v + VCC + v + 1 t1 to RC e 1 e + v+ = t1 t1 RC v+ v+ (24) Despejando el tiempo t1 to = RC ln Vcc + v + Vcc v + t1 to = RC ln v + (t1 ) = 0 = VCC 2R1 +1 R2 (26) 2RC ln 1 n 2R1 R2 o +1 (27) Simpli…cando para R1 = R2 , entonces fosc = 0:455 RC vo (t1 ) = VCC R1 R2 (33) R1 R2 + vo (t2 ) R1 + R 2 R1 + R 2 (34) Luego despejando la salida vo (t2 ) = VCC R1 R2 (35) Como consecuencia se obtiene la curva de la Fig. 26. vo (t) Vcc V a R2 V cc R1 _ vo + + R1 VCC En ese punto Va ! VCC , luego vo crece proporcionalmente hasta hacerse positivo, así, para un instante de tiempo t = t2 ocurrirá que vo será tan positivo que v + (t2 ) = 0, donde se producirá una nueva conmutación. Evaluando para t = t2 C R (32) Se obtiene el valor de la salida que permite la conmutación v + (t2 ) = 0 = Se puede implementar un generador de onda triangular, usando un oscilador de relajación con un integrador. Sin embargo, para variar la frecuencia, se deben variar parámetros en el oscilador y el integrador. Un sistema más óptimo debiera considerar el comparador dentro de la realimentación y dependiente de la salida del integrador. Va R2 R1 + vo (t1 ) R 1 + R2 R 1 + R2 (28) B. Generador de onda triangular _ (31) Si Va ! VCC ; la salida vo diminuye proporcionalmente hasta hacerse negativo. Como (31) depende de éste, en algun instante de tiempo t = t1 , el valor vo hará que v + = 0; lo cual producirá un cambio en la salida del comparador, haciendo que Va ! VCC . Es decir, para vo (t1 ), se tiene v + (t1 ) = 0, entonces La constante de tiempo es la misma en los dos tramos, entonces se asume que T = 2 (t1 to ) ; luego fosc = R1 R2 + vo (t) R 1 + R2 R1 + R 2 (25) 1 Si v + = +VCC R1R+R ; entonces 2 (30) Para saber en que momento conmuta el comparador se debe determinar v + , así aplicando la LCK, se tiene v + = Va + v+ VCC t+k RC vo (t) = t1 R2 t2 R2 Vcc R1 Vcc t - Va Fig. 25. Generador de onda triangular. Fig. 26. Forma de onda generador Triangular. Para el circuito de la Fig. 25, la primera etapa es un comparador. Si v + > 0, entonces Va = +VCC . Para el análisis, estos cambios se asumen como pequeños escalones, la salida vo será una rampa negativa. vo (t) = VCC t+k RC Si v + < 0; entonces Va ! positiva. (29) VCC , vo será una rampa La frecuencia de oscilación será fosc = 2(t11 t2 ) : Calculando la pendiente de la curva en el tramo t1 < t < t2 ; e igualando con la pendiente de la rampa (30) 1 2VCC R R2 t2 Se despeja el tiempo t1 = VCC RC (36) 8 Pero T = 2 (t2 B. Oscilador seno-coseno (oscilador de cuadratura) R1 t2 t1 = 2RC R2 t1 ) entonces T = 4RC fosc = (37) R1 R2 (38) 1 R2 4RC R1 El oscilador de cuadratura (seno-coseno), consta de un doble integrador, este entrega en v1 la señal cos (!t) y en vo la señal sin (!t). Es muy útil cuando se requiere tener dos señales que tengan un desfase de 90o . En teoría, todas las resistencias deben ser iguales, pero en la práctica, R1 es levemente menor que las otras para asegurar la partida. (39) R1 A. Oscilador de Wien También llamado oscilador Puente de Wien, emplea un puente de impedancias como red de realimentación. C R _ _ + + vo R C R2 R1 v1 C V. Circuitos Osciladores senoidales _ Fig. 28. Oscilador Seno-Coseno. vo + C R Planteando las ecuaciones en el dominio s. R C V + V1 R1 Fig. 27. Oscilador de Wien. V V+ Vo V + sC + R La frecuencia de oscilación se determina, planteando las ecuaciones de nudos en v y v + en el dominio s. Vo (s) V (s) V (s) = 0 R1 V + (s) = 0 1 Rjj sC R2 Vo (s) V + (s) 1 R + sC (40) Vo (s) R2 C 2 s2 R2 R1 2 RCs + 1 =0 vo (t) = K1 es1 t + K2 es2 t Vo (s) s2 R2 C 2 + 1 = 0 (42) (43) ! osc = R2 R1 2 1 2R2 C 2 (50) 1 RC (51) Sea oscilador Twin-T o doble integrador, de la Fig. 29. v2 R 2C R2 R1 2 R2 C 2 4R2 C 2 R/2 (44) La condición de oscilación se satisface para raíces complejas conjugadas sin parte real, así R2 = 2R1 vo (t) = K1 ej RC t + K2 e C R2 (45) Luego (46) corresponde a una señal sinusoidal con fre1 : cuencia ! osc = RC 1 (49) C. Oscilador sinusoidal Twin-T R 1 2RC 1 V1 RCs Luego si V + = V Determinando las raíces de (42). s1;2 = (48) Así Donde (42) representa una ecuación diferencial de 2o orden homogénea, cuya está dada por (43). s (47) = 0 Vo = (41) Luego, considerando V + = V ; se tiene sC = 0 1 j RC t (46) v1 C _ vo + R1 Fig. 29. Oscilador T-T. Planteando las ecuaciones de nudos en v + ; v , v1 y v2 . APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL 9 In te r fe r e n c ia V + = Vo V1 V + 1 sC V V1 1 sC V + V2 R V V2 V1 1 sC + Vo V2 R V = 0 R + + R2 R1 + R 2 vs vn + _ v 1 vc P to. común 2V2 A mplificador Diferencial + + (53) 2V1 = 0 R 1 s2C + (52) vn v2 Transductor (54) vo R iel común Fig. 30. Amplicador diferencial. = 0 (55) Luego, el polinomio característico es Vo (s) R1 2 2 2 R C s + 4RCs R2 R1 R2 =0 Determinando las raices de (56), la frecuencia de oscilación será fosc = 1 2 RC (57) Las consideraciones prácticas para el diseño son R2 = 2R y R1 = 10R2 vo = Adm (vs + vn + vc = Adm vs (56) (62) Rf Ra v2 La parte real no es cero, pero es muy pequeña. _ Ra v1 VI. Amplificadores de Instrumentación vo + R Ajuste del CMRR f (a) v + v2 + 2 R RL vo vo gR R _ v1 _ + v1 + (b) (c) Fig. 31. (a) Ampli…cador diferencial básico. (b) Bu¤er G = 1. (c) Bu¤er G 6= 1. Así, se tiene A. Ampli…cador diferencial vo = v2 Sea el ampli…cador diferencial de la Fig. 30, en un circuito de medición afectado por un interferencia, determinando v1 y v2 v2 )) El ampli…cador diferencial de la Fig. 31 se usa como parte de un AI, pero requiere una modi…cación para el ajuste del CMRR. El circuito no tiene una resistencia de entrada elevada, pero se mejora usando un seguidor de emisor en cada entrada de acuerdo a la Fig. 31b. (58) El Ampli…cador de Instrumentación (AI) es uno de los circuitos electrónicos más versátiles usados en los sistemas de instrumentación moderna. Básicamente, es un ampli…cador con entrada diferencial de muy alta impedancia de entrada y muy alto CMRR, normalmente de ganacia ajustable y baja impedancia de salida, usado con señales continuas y alternas. En los sistemas de instrumentación se requiere un ampli…cador que responda a la diferencia de dos señales, las cuales son referenciadas sobre un punto común, debe tener un alto CMRR (para atenuar al máximo las señales en modo común). Como el transductor es una fuente de alta impedancia, esto implica que el ampli…cador debe tener una alta resistencia de entrada para obtener una mejor prestación. (v1 v1 (63) Para ganancia variable, como se indica en la Fig. 31c vo = i (2R + gR) v1 = vs + vn + vc v2 = vn + vc (59) (60) Como v2 v1 gR , …nalmente vo = vo = Adm (v1 Finalmente Como i = v2 ) (64) (61) = v2 v1 gR (2R + gR) 2 + 1 (v2 g v1 ) (65) (66) 10 B. Ampli…cador de Instrumentación i La Fig. 32 muestra dos AI, dependiendo del tipo de Op Amp que se utilicen, la prestación será incrementada, así, la salida no depende del voltage en modo común, sino de la diferencia de las entradas. La impedancia de entrada será muy alta, la ganancia varía, y sólo depende de un resistor. iD vi RF RF RD RA D2 RA vi vo v1 v2 Rf v2 v1 Ra + + Rf R vo R R Ajuste del CMRR vo (b) v o + R _ v1 Vy _ R gR + Fig. 34. Circuito recti…cador (a) Con D1 ON y D2 OFF (b) Con D1 OFF. D2 ON. R _ _ Ra + + RD + (a) _ _ Ajuste del CMRR Como la entrada no puede ser positiva, entonces para vi < 0; la salida será positiva. La característica de vo vi del recti…cador se indica en la Fig. 35. + (a) vo (b) Vm RF Fig. 32. (a) AI sin ganancia ajustable. (b) AI con ajuste de ganancia RF vo RA RA t Vm vi VII. Rectificadores de Precisión A. Recti…cadores de media onda Es una de las aplicaciones no lineales más básicas y útiles. Se diseña para recortar la parte negativa (o positiva) de una señal. El circuito de la Fig. 33a se conoce recti…cador inversor de media onda. RF RF 1D 1D vi RA _ D2 vi v o + RA D2 _ vo + (a) t Fig. 35. Curva vo vi recti…cador inversor y diagrama de señales. Modi…cando el resistor RF , se varía la amplitud de vo . El circuito de la Fig. 33b es una variación del recti…cador de media onda. En este caso, cuando vi > 0, el circuito se F comporta como ampli…cador inversor, donde vo = R RA , pero cuando vi < 0; vo = 0. (b) vo vo Fig. 33. Recti…cador de media onda. vi RF Sea un Op Amp ideal, v = v + = 0. Se observa que cuando el diodo D1 esta en conducción, su modelo se reemplaza por un resistor RD de acuerdo a la Fig.34a. Como dicho resistor es menor que RF , se tiene que iD > 0 e i = 0. La con…guración actúa como un inversor haciendo v1 < 0: Luego como i = 0, entonces de acuerdo a la LVK planteada vo = i RF + v , la salida vo = 0. Como iD = viRAv > 0; entonces se debe cumplir que vi > 0:De esta forma si vi > 0, v1 < 0 luego D1 conduce y D2 no conduce. La otra situación ocurre cuando D1 no conduce, como se muestra en la Fig. 34b. en la cual se tiene que iD = 0, luego el circuito se comporta como un inversor, pues vi v vo v = 0; entonces RA + RF vo = RF vi RA (67) t - Vm RF RA RA vi t Fig. 36. señales. La curva vo vi del recti…cador inversor y diagrama de B. Recti…cador de onda completa El recti…cador de onda completa entrega el valor absoluto de una señal, de acuerdo a la Fig. 37. Considerando dos recti…cadores de media onda, cada uno recti…cando un cilco de la señal y luego sumando ambas APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL vo 11 RF vo vi t R F1 RA vi D1 _ R A1 D2 + R _ vo A2 + RA RF RF1 R A1 R A2 t Fig. 40. Recti…cador de onda completa utilizando dos AO. Fig. 37. Respuesta de un recti…cador de onda completa. se tiene el circuito que se indica en la Fig. 38. Note que requiere 3 Op Amp. vo RF 1 t v i RA R D1 _ vo vo 2 R F RA t R 1 D2 + vo RF 1 RF 1 =1 = RA1 RA2 RF = 2 RA + entonces vo + vo = vi para vi > 0 vo = vi para vi < 0 R (71) (72) VIII. Amplificador logaritmico y antilogaritmico D 2 (b) Fig. 38. (a) Respuesta de recti…cador de 1/2 onda. (b) Circuito recti…cador de onda completa. Analizando la situación de la Fig. 39, se tienen dos señales, una de amplitud 2A y otra de amplitud A, las cuales se suman (restan) para obtener la señal recti…cada. Dicha situación sólo requiere de dos Op Amp. Los ampli…cadores logarítmicos y antilogarítmicos son usados para implementar la multiplicación y división de señales analógicas o para obtener la función indicda sobre la señal. El ampli…cador, se debe usar un dispositivo que tenga dicha característica, tal como el diodo semiconductor. La corriente a través de este dispositivo está dada por iD = Is e vo1 (70) _ D1 - (a ) R 2 (69) qvD kT 1 ' Is e qvD kT (73) Analizando el circuito de la Fig 41a. vo t iD t v o2 -2A vi A R1 D1 i1 _ i1 vo + vi _ iD t Sólo se requiere invertir la señal vo1 la respuesta deseada. vo = Si RF 1 RF RA vi RA1 vi + RA2 ! = + vo (b) (a ) Fig. 39. Manejo de señales para la obtención de un recti…cador de onda completa. R1 D1 Fig. 41. (a) Ampli…cado logaritmico. (b) Antilogaritmico. vo2 , para obtener R F 1 RF vi RA RA1 vo = vD + v = vD vi = i1 R1 + v = i1 R1 RF 1 vi (68) RA2 Luego i1 = vi R1 y como i1 = iD , se tiene que qvD vi = Is e kT R1 Finalmente (74) (75) (76) 12 vi R1 Is kT ln q vo = (77) La salida es función del logaritmo natural de la entrada. Usualmente kT =q t 26 [mV ] a 25o C. Intercambiando el resistor R1 por el diodo D1 en el circuito de la Fig. 41a, se obtiene el circuito de la Fig. 41b, el cual corresponde a un ampli…cador antilogarítmico. vo = vD v1 v2 Amp Log v01 Amp Log v qvD kT vo = iD R1 = R1 Is e qvD kT (80) A. Multiplicación de señales analógicas = v2 Amp v 02 Log R R + Amp Anti-Log F2 R4 R3 Haciendo k2 e F1 k1 ln k2 e R4 R3 = _ + vo n vo v2 k2 (88) f vv12 g k1 ln = v1 v2 1 k2 , _ + k1 ln v1 v2 o k2 e = k1 k2 R F1 v1 k2 v01 + v02 = k1 ln = k1 ln F2 = Sea el sistema de la Fig. 42. _ F2 Fig. 43. Divisor. F1 = R R3 Amp Anti-Log F1 + (79) Luego Amp v01 Log R 02 R4 _ (78) iD = Is e v1 R R vo = v1 v2 (89) se tiene R4 R3 k2 v1 v2 = v1 v2 (90) IX. Conclusiones Fig. 42. Multiplicador. De…niendo k1 = ciones kT q ; k2 = R1 Is : Planteando las ecua- v1 k2 v2 k2 vo1 = k1 ln vo2 = k1 ln F1 = (vo1 + vo2 ) = F2 = k2 e k1 = k2 e v1 v2 k2 = k2 k2 = F1 (81) (82) v1 k1 ln k2 v v k1 ln( 1 ) k1 ln( 2 ) k2 k2 k1 ln v2 k2 (83) k1 v1 v2 k2 Finalmente, se de…ne k2 = R4 R3 , (84) luego la salida será R4 v1 v2 vo = R3 k2 vo = v1 v2 References (85) B. División de de señales analógicas vo1 = k1 ln vo2 = k1 ln v1 k2 v2 k2 Muchas de las aplicaciones con Op Amp están consisten en sistemas que procesan señales, tales como integradores, ampli…cadores logaritmicos, recti…cadores, etc. y su análisis consiste en determinar la relación entrada-salida, lo cual queda establecdido a través de una ecuación o una curva. Los Op Amp permiten implementar sistemas generadores de señal, los cuales son muy útiles para alimentar otros sistemas electrónicos (medición, comunicaciones, etc.), una vez análizados es posible establecer el diseño de éstos en base resistores y capacitores. Los análisis más complicados resultan de los sistemas que contienen elementos no lineales, tales como los diodos, para este tipos de sistemas, es imprescindible considerar las condiciones de conducción o no conducción del elemento. Los sistemas con realimentación positiva, resultan complejos de analizar, debido a que la referencia depende de la salida. (86) (87) [1] Savat, C., Roden, M (1992). Diseño Electrónico. Addison-Wesley [2] Sedra, A., Smith, K. (1998). Microelectronic Circuit. Oxford Press [3] Rutkowski, G. (1993). Operational Ampli…ers. Integrated and Hybrid Circuits. Wiley [4] Horenstein, M. (1995). Microelectronic Circuit and Devices. Prentice-Hall. [5] Jung, W. (1977) IC Op Amp Coock book, Sams [6] Ragazzini, J., Randall, R., Russel, F. (1947) Analisys in Problems in Dynamics by electronic Circuits. Proceedings of I.R.E.