Embed Size (px)
DESCRIPTION
amplificadores-circuitos electricos
Citation preview
10/01/2011 SLUQUEG
CIRCUITOS ELECTRICOS 12011-0
10. Amplificadores Operacionales
Profesor: Ing. Salomon Luque Gamero
Fuente: FUNDAMENTALS OF ELECTRIC CIRCUITSThird Edition Charles K. Alexander-Matthew N.O. Sadiku McGraw-Hill 2007
10/01/2011 SLUQUEG
Objetivos del Proceso de AprendizajeAl termino de este capitulo debe tener habilidad y destreza para que:
Sabe que amplificadores operacionales existen
Comprende el Op-Amp ideal
Use algunos circuitos Op-Amp incluyendo los inversores, los no inversores, los sumadores, y los amplificadores diferenciales
Aplique el PSpice para que analize circuitos Op-Amp
10/01/2011 SLUQUEG
Amplificadores Operacionales
Introducción a los amplificadores operacionales:Índice
IntroducciónAplicaciones lineales básicasAdaptador de nivelesAmplificadores de instrumentaciónConversión I-V y V-IDerivador e integradorResumen
10/01/2011 SLUQUEG
Introducción
• Circuito integrado de bajo coste• Multitud de aplicaciones
• Mínimo número de componentes discretos necesarios:• Resistencias • condensadores.
• Aplicaciones: Cálculo analógico• Convertidores V-I e I-V• Amplificadores Instrumentación• Filtros Activos
Amplificador Operacional
AO
10/01/2011 SLUQUEG
Conceptos básicos de AO
-
+ Vo
V1
V2
Vd
-
+
+Vcc
-Vcc
Vcc
Vcc
-Vcc≤Vo≤+Vcc
Amplificador diferencial
Tensión de salida V0 acotada
Amplificador de continua
10/01/2011 SLUQUEG
Conceptos básicos de AO (II)Circuito equivalente real
-
+
Vo
V1
V2
Vd
0,5·Rd
0,5·Rd Rcx+
+
-
-
Ad·Vd
Ac·Vc Ro
Rd – Impedancia de entrada diferencial
Rcx – Impedancia de entrada de modo común
Ro – Impedancia de salidaAd – Ganancia diferencialAc – Ganancia de modo común
Vo=Ad·Vd+Ac·Vc
Vd=V2-V1 y
Vc=(V1+V2)/2
10/01/2011 SLUQUEG
Conceptos básicos de AO (III)
Circuito equivalente idealRd – InfinitaRcx – InfinitaRo – NulaAd – InfinitaAc – nula
Vo=Ad·Vd;
Vd=V2-V1
-Vcc≤Vo≤+Vcc
Tensión de salida V0 acotada
-
+
Vo
V1
V2
Vd
+-
Ad·Vd
+Vcc
-Vcc
10/01/2011 SLUQUEG
Conceptos básicos de AO (VII)
La tensión diferencial nula Vd=0 (V1=V2) y su modo de funcionamiento es lineal si:
-Existe un camino de circulación de corriente entre la salida y la entrada inversora
- El valor de la tensión de salida , Vo, no sobrepasa los limites de la tensión de alimentación, ±Vcc
En caso contrario:
-Vd≠0 y por tanto su modo de funcionamiento es no lineal
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales básicas del AO
¿Que podemos hacer con un AO?
Multiplicar por Vi·(-1): Cambiador signo o inversor
Multiplicar por Vi·(-k) o Vi·(1+k) Cambiador de escala
Multiplicar por Vi·(1) Seguidor de emisor
Cambiar el desfase entre la
entrada y salida Cambiador de fase
Sumar de tensiones
±(k1·v1+k2*V2+...kn·Vn) Sumador
Resta de dos tensiones
(k1·V1-k2*V2) A. Diferencial o Restador
10/01/2011 SLUQUEG
Adaptación de niveles (I)
-
+
Vo
V1
R3V2
R4
R1 R2
V+
1
21
1
2
43
42 1
RR
VRR
RRR
VVo ⋅−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
⋅=
Aplicando superposición:
Sensores:-Temperatura
- Presión- Humedad
Equipos de medida
AMPLIFICADOR OPERACIONALPORQUE ESTUDIAMOS ESTO EN ESTE PUNTO ???
1. Los OpAmps son componentes muy usados en electronica
2. Tenemos siempre las herramientas para el analisispractico de circuitos que usan OpAmps.
3.Los modelos lineales para OpAmps incluyen fuentes dependientes
FORMATO COMERCIAL DE UN TIPICO OP-AMP
OP-AMP ASSEMBLED ON PRINTED CIRCUIT BOARD APEX PA03
PIN OUT FOR LM324
DIMENSIONAL DIAGRAM LM 324
LM324 DIP
LMC6294
MAX4240
CIRCUIT SYMBOL FOR AN OP-AMP SHOWING POWER SUPPLIES
LINEAR MODEL OUTPUT RESISTANCEINPUT RESISTANCE
GAIN
75
125
1010:
501:1010:
−
Ω−ΩΩ−Ω
A
R
R
O
i
TYPICAL VALUESIN
V
+
−IN −
+
−
IN+
+
−
OV
+
−
CIRCUIT WITH OPERATIONAL AMPLIFIER
DRIVING CIRCUIT
LOAD
OP-AMP
⇒∞=A
)(0 −+ −=⇒= vvAvR OO
THE IDEAL OP-AMP
⇒∞=iR
∞=∞==⇒ ARR iO ,,0IDEAL
+i
−i
LEARNING EXTENSION AMP-OPIDEAL ASSUMEI FIND O.
Vv 12=+
VvAO 12=⇒∞= −
0=⇒∞= −iRi
Vv 12=−
0212
1212: =+
−− kk
Vv o KCL@ VVo 84=⇒
mAk
VI o
O 4.810
==∴
DOES NOT LOAD PHONOGRAPH
1000OF TION AMPLIFICAANPROVIDES IT
THAT SO DETERMINE 12, RR
LEARNING BY DESIGN
)1)(1(1
2
1 R
R
V
VO +=
10/01/2011 SLUQUEG
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
10/01/2011 SLUQUEG
Introducción
El amplificador ideal de tensión
AVE VSVS = A·VE
El amplificador diferencial de tensión
AdVS = Ad · (V1 – V2)
V1
VS
V2
+
-
iE = 0 iS
Impedancia de entrada infinita:
iE = 0
10/01/2011 SLUQUEG
El amplificador operacional ideal
El amplificador diferencial de tensión
V1
VS
V2
+
-Ad↓∞
+
-
Amplificador operacional ideal
¿Para qué sirve un amplificador que para cualquier entrada no nula tiene salida infinita?
i1 = 0
i2 = 0
10/01/2011 SLUQUEG
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 + R2
VS = VE ·R2
R1 + R2
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
+
-
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.
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
+
-
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 + R2
VS = VE ·R2
R1 + R2
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
+
-
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 + R2
V- = VS · + VE ·R1
R1 + R2
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
+
-
Sumador inversor:
VS
V1
R1
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
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
+
-
Sumador no inversor:
VS
V1
R1
RA
V+
V-
V+ = V-V2
RB
R2
R3
V- = VS ·RA
RA + RB
V+ =
V1
R1
V2
R2
+
1
R1
1
R2
+1
R3
+
VS =RA
RA + RB·
V1
R1
V2
R2
+
1
R1
1
R2
+1
R3
+
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
+
-
Amplificador diferencial (restador):
VSV1
R1 V+
V-
V+ = V-
V2
R2
V+ = V1 ·R2
R1 + R2
V- =
V2
R1
VS
R2
+
1
R1
1
R2
+
R2
R1
V- =V2·R2 + VS·R1
R1 + R2
VS =R2
R1
· (V1 – V2)
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
+
-
Conversor I-V:
VS
R
V+
V-
V+ = V-VS = -R · i
i
i
V- = 0
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
+
-
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
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
+
-
Seguidor de emisor:
VSV+
V-
V+ = V-VS = VE
VE
Este circuito se emplea para adaptar impedancias
Equipo de
medida
señal muy débil (corriente máxima 50μA)
VS
+
-iE = 0
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
+
-
Integrador:
VS
VE
C
R
V+
V-i
i
VS = -VC
VC
i =VE
R
( ) ∫ ⋅+==t
0
CC dtiC
10tVV
dt
dVCi C⋅=
( ) ∫ ⋅⋅
−==t
0
ESS dtVRC
10tVV
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
Integrador:
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.
+
-VS
VE
C
R
V+
V-
R2
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
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.
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
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
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
Rectificador de precisión:
Comprobamos el estado de los diodos D1 y D2:
•D2 conduce la corriente i
•D1 está en bloqueo
i
i =VE
R1
VS = - i · R2
+
-VS
VE
R2
R1
D1
D2
VE > 0
ii
0,6V
i
VD1
VS = VE ·-R2
R1
VD1 = 0,6 - VS
VD1 > 0
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
Rectificador de precisión:
Comprobamos el estado de los diodos D1 y D2:
•D1 conduce la corriente i’
•D2 está en bloqueo
i’ =-VE
R1
VS = 0
VD2 = 0,6
VD2 > 0
+
-VS
VE
R2
R1
D1
D2
VE < 0
i’
0,6V
VD2
i’
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
Rectificador de precisión:
+
-VS
VE
R2
R1
D1
D2
Conclusión:
•Si VE > 0 se cumple: VS = VE ·-R2
R1
•Si VE < 0 se cumple: VS = 0
1VVE
10/01/2011 SLUQUEG
Aplicaciones lineales de los amplificadores operacionales
Rectificador de precisión:
+
-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
10/01/2011 SLUQUEG
RESUMEN:Amplificadores operacionales1. El amplificador operacional es un amplificador de alta ganancia
con resistencia de entrada muy alta y baja resistencia desalida.
2. En la tabal 5.3 se resumen los circuitos de amplificadores operacionales considerados en este capítulo. La expresión para la ganancia de cada circuito del amplificador es válidaaunque las entradas sean de cd, ca o variables en el tiempo engeneral.
3. Un amplificador operacional ideal tiene una resistencia de entrada infinita, una resistencia de salida cero y una gananciainfinita.
4. En un amplificador operacional ideal, la corriente por cada unade sus dos terminales de entrada es de cero y la tensión desalida entre las terminales de entrada es despreciable
10/01/2011 SLUQUEG
5. En un amplificador inversor, la tensión de salida es unmúltiplo negativo de la entrada.
6. En un amplificador no inversor, la salida es un múltiplopositivo de la entrada.
7. En un seguidor de tensión, la salida sigue a la entrada.8. En un amplificador sumador, la salida es la suma
ponderada de las entradas.
9. En un amplificador diferencial, la salida es proporcional a la diferencia de las dos entradas.
10. Los circuitos del amplificador operacional puedendisponerse en cascada sin alterar sus relaciones de entrada – salida.
10/01/2011 SLUQUEG
El AO es un circuito integrado de bajo coste capaz de realizar multitud de funciones con pocos componentes discretos.Ejemplos de funciones lineales: Calculo analógico, convertidores V-I e I-V, amplificadores de instrumentación y filtros activos.
11. PSpice puede usarse para analizar un circuitos deamplificador operacional.
12. Los aplicaciones usuales de los amplificadores operacionales considerados en este capítulo incluyenel convertidor digital-analógico y el amplificador deinstrumentación.
10/01/2011 SLUQUEG
Es posible realizar funciones matemáticas, de ahísu nombre : Amplificador Operacional.
SumadorRestadorIntegradorDiferenciadorAmplificadores de instrumentaciónAdaptadores de niveles
El AO se comporta de forma lineal si:Hay camino de circulación de corriente entre la salida y la entrada negativaLa tensión de salida no supera los limites de la tensión de alimentación
10/01/2011 SLUQUEG
10.1
10.2
10. Preguntas de repaso
10/01/2011 SLUQUEG
10.3
10.4
Figura 10.40 para las preguntas de repaso10.3 y 10.4
10/01/2011 SLUQUEG
10.5
Figura 5.41 para las preguntas de repaso 10.5 a 10.7
10/01/2011 SLUQUEG
10.6
10.7
10/01/2011 SLUQUEG
10.8
Figura 5.42 para la pregunta de repaso 10.8
10/01/2011 SLUQUEG
10.9
10.10
10/01/2011 SLUQUEG
10/01/2011 SLUQUEG
Respuestas: 10.1 c, 10.2 c, 10.3 b, 10.4 b, 10.5 a, 10.6 c,
10.7 d, 10.8 b, 10.9 c, 10.10 a, f.
