Tema 2. Amplificadores Operacionales Joaquín Vaquero López Electrónica, 2007 Joaquín Vaquero López 1 Amplificadores Operacionales (AO): Índice 2.1) Introducción a los AO 2.2) Modelo simplificado. Modelo Ideal 2.3) Circuitos Lineales con AO 2.4.1) Amplificador No Inversor 2.4.2) Amplificador Inversor 2.4.3) Seguidor de tensión 2.4.4) Amplificador diferencial 2.4.5) Integrador 2.4.6) Diferenciador 2.5) Circuitos No Lineales: Comparador y Disparador Schimtt 2.6) AO No Ideal. Apéndice. Realimentación Negativa. Electrónica, 2007 Joaquín Vaquero López 2 Introducción a los Amplificadores Operacionales Es un Circuito Electrónico Integrado (CI) Es un componente no lineal, aunque se puede utilizar en aplicaciones lineales. Es un componente de ganancia muy alta. Numerosas aplicaciones en electrónica analógica (amplificación, filtrado analógico, acoplamiento, rectificación, detección de umbrales y conmutación digital. +Vcc Ao(V+-V-) -Vcc Electrónica, 2007 Joaquín Vaquero López 3 Modelo Simplificado del Amplificador Operacional Símbolo del AO: +vcc v+ ¡¡Todas las tensiones referidas a una tierra común!! vs v- -vcc Modelo simplificado: Ganancia interna del AO vpos v+ (no inversora) rs re v- (inversora) Entradas Electrónica, 2007 Vs A0 (v v ) vs vneg Salida Valores típicos: 104 A0 106 re 106 rS 100 Joaquín Vaquero López 4 Modelo Simplificado del Amplificador Operacional El AO es un dispositivo electrónico con dos entradas a las cuales se conectan una señal llamada fuente (source) y produce una señal de salida proporcional, ganancia (gain), a la señal de entrada. Esta señal de salida se conecta normalmente a otro circuito o elemento, llamado carga (load). rg Vg rs v+ Ve re V0=A0·(v+-v-) Vs RC v- Generador Vs r R e ·A0 · C Vg re rg rs RC Electrónica, 2007 Amplificador idealmente Carga Vs A0 Vg Joaquín Vaquero López 5 Modelo Ideal del Amplificador Operacional Los límites para la saturación de la salida son Vo A0 (v v ) si Vneg A0 (v v ) V pos las tensions de alimentación (Vpos y Vneg) Ganancia muy alta A0 re muy alta rs muy baja v (v v ) 0 ; v v A 0 i i 0 vs v0 vo V pos si A0 (v v ) V pos vo Vneg si A0 (v v ) Vneg vs Saturación positiva Vpos Zona Lineal (pendiente A0) v+ i+=0 v- I-=0 v+-vvs=Ao (v+-v-) Saturación negativa Vneg Electrónica, 2007 Joaquín Vaquero López 6 Circuitos Lineales con Amplificadores Operacionales Consideraciones de partida: 1) El Amplificador Operacional (AO) es ideal (v v ; i i 0; vs v0 ) 2) El OA trabaja en lazo cerrado (realimentaión negativa) 3) Se verá que las carácterísticas en lazo cerrado dependen de los componentes externos del circuito en el que se encuentra el AO. 4) La precisión del circuito no depende tanto de la calidad de lo componentes sino de su relación entre ellos (p.e. la deriva de temperatura) Los circuitos lineales con AO son independientes de la ganancia interna del AO (A0), de re y de rs Electrónica, 2007 Joaquín Vaquero López 7 Circuitos Lineales con Amplificadores Operacionales Amplificador no inversor ve i+=0 i-=0 + - vs R1 Función de transferencia (modelo simplificado) R2 vs A0 ·(v v ) A0 (ve vs ); R1 R2 vs 1 1 ve 1 1 A0 · Función de transferencia (modelo ideal) R2 vs 1 R2 R1 ve R2 Impedancia de entrada v Re e ie A0 ; ¡¡Corriente de entrada 0!!, la salida no carga la entrada Electrónica, 2007 Joaquín Vaquero López 8 Circuitos Lineales con Amplificadores Operacionales Seguidor de tensión (o de emisor) Función de transferencia: i+=0 ve i-=0 No inversora con R1 0 y R2 + - vs vs 1 ve No es un amplificador, es un desacoplador de impedancias. Impedancia de entrada: Re ve ie ¡¡Corriente de entrada 0!!, la salida no carga la entrada Electrónica, 2007 Joaquín Vaquero López 9 Circuitos Lineales con Amplificadores Operacionales Amplificador Inversor i1 i1 Vin Función de transferencia (modelo ideal) R2 vs R 2 ve R1 R1 + Vout (Para formas de onda senoidales, produce una inversión de fase o un desfase de 180º) Impedancia de entrada: El concepto de “Cortocircuito virtual” simplifica el análisis Re ve R1 ie La corriente de entrada depende de R1, La salida puede cargar la entrada. Electrónica, 2007 Joaquín Vaquero López 10 Circuitos Lineales con Amplificadores Operacionales Amplificador restador Amplificador sumador Rr ir v1 R1 i1 v2 R2 vn Rn . . . i2 v2 + in Función de transferencia v v v vs Rr 1 2 ... n Rn R1 R2 Utilizado en mezcla de audio Electrónica, 2007 R3 R4 vs + - vs v1 R1 R2 Función de transferencia R R4 R v2 2 v1 vs 1 2 R1 R1 R3 R4 Si R2 R4 R ; vs 2 v2 v1 R1 R3 R1 Puente equilbrado Amplificador de instrumentación Joaquín Vaquero López 11 Circuitos Lineales con Amplificadores Operacionales Integrador Diferenciador C R R + ve Función de transferencia vs 1 ve dt vs 0 RC vs 1 ve jRC Usado en generadores de funciones, filtros activos, CAD y control analógico Electrónica, 2007 C vs ve vs + Función de transferencia vs RC dve dt vs jCR ve Joaquín Vaquero López 12 Circuitos No Lineales con AO • Un AO sin realimentación se satura circuitos no lineales • El AO trabaja en la zona no lineal excepto en las transiciones de Vpos a Vneg • Los circuitos no lineales tienen muchas aplicaciones en procesamiento de señal. Vpos Ve ve 0 Vs Vpos + Vout - ve 0 Vs Vneg Vneg Electrónica, 2007 Joaquín Vaquero López 13 Circuitos No Lineales con AO Comparador en Lazo Abierto y Detector de Polaridad Ve Tensión a la entrada + _ ve vr vs Vr t Vs Tensión a la V pos salida Vneg t Electrónica, 2007 Si ve > vr (ve- vr) > 0 vs = Vpos Si ve < vr (ve- vr) < 0 vs = Vneg Joaquín Vaquero López 14 Disparador Schmitt (Schmitt Trigger). Realimentación positiva Tensión a la entrada Ve Vr Vs t Vpos Tensión a la salida Vneg t Fluctuaciones de la salida (sin histéresis) Electrónica, 2007 Joaquín Vaquero López 15 Circuitos No Lineales con AO Disparador Schmitt (Schmitt Trigger). Realimentación positiva ve + vs Función de transferencia con histéresis Vs R2 V pos Vneg R1 R1 R2 V pos R1 R1 R2 Ve R1 V pos R1 R1 R2 Electrónica, 2007 Vneg Joaquín Vaquero López 16 Circuitos No Lineales con AO Disparador Schmitt (Realimentación positiva) Para Ve = 0 v Vs puede ser Vpos o Vneg: vs ·R1 R1 R2 Si vs V pos v V pos·R1 R1 R2 (v v ) 0 vs V pos Si ve v (v v ) 0 vs Vneg v Vs conmuta a Vpos Electrónica, 2007 Vneg ·R1 R1 R2 si Ve se hace más negativa que v+, por tanto si Ve Vneg ·R1 R1 R2 Joaquín Vaquero López 17 Disparador Schmitt (Schmitt Trigger). Realimentación positiva Ve V pos R1 R1 R2 Vneg R1 R1 R2 Vs Vpos Vneg Sin fluctuaciones de la salida (con histéresis) Electrónica, 2007 Joaquín Vaquero López 18 Amplificador Operacional No Ideal El AO real tiene no idelidades A0 finita re finita rs no nula Vsat pos< Vpos 1) Saturación de la tensión de salida Vsat neg> Vneg 2) Desviación (Offset) de la tensión de entrada Tensiones de Offset 3) Desviación (Offset) de la tensión de salida 4) Corriente de polarización de entrada (Bias Current) 5) Corriente de salida limitada vs vpos actual v10 (v+-v-) Vs = A0 (ve-v10) Vs(0) = -A0v10 Ipol = (I++ I-)/2 Electrónica, 2007 vneg Joaquín Vaquero López 19 Amplificador Operacional No Ideal 6) Respuesta en frecuencia del AO: Ancho de banda (Bandwith) finito A0 ( j ) A0 0 es la frecuencia de corte, que es la frecuencia a la cual el módulo de A0 ha caído 1 j 0 hasta un70% log (A0) 0 Electrónica, 2007 log Joaquín Vaquero López 20 Apéndice. Realimentación Negativa Sistema en Lazo Abierto (sin realimentación): Ganancia en Lazo Abierto (A) Ve A Vs vs A·ve Electrónica, 2007 Joaquín Vaquero López 21 Apéndice. Realimentación Negativa Sistema en Lazo Cerrado (con realimentación): Af = Ganancia en Lazo Cerrado = Realimentación (>0, realimentación negativa, <0 realimentación positiva) Ver= Señal de error Ver = Ve - Vs Ve Σ + A Vo Electrónica, 2007 Vs A ve 1 A A Af 1 A 1 1 Af 1 1 A vs Joaquín Vaquero López 22 Apéndice. Realimentación Negativa Sistema en Lazo Cerrado (con realimentación): A·β = Ganancia de Lazo 1/β = Ganancia Ideal en Lazo Cerrado (error de ganancia) 1+1/(A·β) = Término de error Posibles escenarios: Dependen de la realimentación: 1- > 0 Realimentación negativa, Af < A, sistema más estable. Caso más inteesante: ·Vs restado de Ve. 2- < 0 Realimentación positiva, Af > A, pero sistema inestable. 3- A· = -1 Af Electrónica, 2007 , máxima inestabilidad Joaquín Vaquero López 23 Apéndice. Realimentación Negativa Justificación de la relimentación negativa (Insensibilidad a la Ganancia) Una perturbación que cause un cambio en A (A) en el sistema en Lazo Abierto ¿Qué cambio produce en Af ( Af) en el sistema en Lazo Cerrado?: Af Af Af (1 A) A 1 A A Af Af A A (1 A) 2 (1 A) 2 (1 A) 2 (1 A) A Por tanto: A f Af Electrónica, 2007 1 A (1 A) A Si < 0, Af > A Sistema más inestable Si > 0, Af < A Sistema más estable Joaquín Vaquero López 24 Apéndice. Realimentación Negativa Justificación de la relimentación negativa Usando un AO ideal: A >> 1: Af A (1 A) Af 1 1 A A f A1 1 La amplificación en Lazo Cerrado Af sólo depende del circuito externo () y es independiente de las propiedades internas del AO (A0, re, rs....), como ya sabíamos. Electrónica, 2007 Joaquín Vaquero López 25