UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL

TEMAS

Introducción,

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

CONTROLES ELECTRICOS Y AUTOMATIZACIONEE - 621

AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Conceptos básicos del OPAMEncapsulado:

Inserción SMD

Introducción

• Circuito integrado de bajo coste• Multitud de aplicaciones• Mínimo número de componentes discretos necesarios:

» Resistencias » condensadores.

• Aplicaciones: Cálculo analógicoConvertidores V-I e I-VAmplificadores InstrumentaciónFiltros Activos

Conceptos básicos del OPAM

-

+

+Vcc

-Vcc

Vcc

Vcc

-Vcc ≤ Vo ≤ +VccTensión de salida V0

acotada

AMPLIFICADOR OPERACIONAL AMP OP

-

++

+

+

-- -

ee oe

- Entrada inversora

Entrada no inversora+

Tensiones en el amp op, e+ y e- son tensiones de entrada, y

eo es la tensión de salida

e

-

++

+

+

-- -

CARACTERISTICAS IDEALES DEL AMP OP

e

ee

eK o

e oe

El voltaje entre las terminales + y – vale cero (tierra virtual o corto virtual

La corriente entre + y – vale cero = Impedancia de entrada infinita.

La impedancia de salida vale cero.

Tiene una ganancia K que tiende a infinito.

e

El voltaje entre las terminales + y – vale cero (tierra virtual o corto virtual)

La corriente entre + y – vale cero = Impedancia de entrada infinita.

La impedancia de salida vale cero.

Tiene una ganancia K que tiende a infinito.

K

-

++

+

+

-- -

¿Por qué es tan importante el AMP OP?

e oe

El AMP OP ofrece una forma conveniente de construir, implantar o realizar funciones de transferencia en el dominio de s o en el dominio del tiempo.

En sistemas de control se emplean a menudo para implantar controladores obtenidos del proceso de diseño del sistema de control.

Con el AMP OP es posible obtener funciones de transferencia de primer orden o de orden superior.

e

K

COMPARADOR con OPAM

0inV refVinV

VoutV entonces , inV Si 100

VoutV entonces , inV Si 100

VoutV entonces ,refV inV Si 10

V outV entonces ,refV inV Si 0

COMPARADOR con OPAM

Circuitos obtenidos a partir del AMP OP

Circuitos obtenidos a partir del AMP OP

Circuitos obtenidos a partir del AMP OP

Circuitos obtenidos a partir del AMP OP

1

2

i

ovni Z

Z1

V

VA

El OPAM realiza operaciones matemáticas, de ahí su nombre (Amplificador operacional)

1

2

i

ovi Z

Z

V

VA

Amplificador Inversor

Amplificador no Inversor

-

+

Vo

ViZ2Z1

-

+

Vo

Vi

Z2Z1

Sumador

Sumador inversor

-

+

Vo

V1R´R1

Rn

R2

Vn

V2

i

Vd

i n

n

2

2

1

1

R

V

R

V

R

Vi

Al ser Vd=0

Como Vo=-R´·i

n

n2

21

1o V

R

´RV

R

´RV

R

´RV

Si R1=R2=…=Rn

-Vo es la combinación lineal de las tensiones de entrada.

n211

o VVVR

´RV

SumadorSumador no

inversorLa tensión de salida Vo es:

V

R

´R1Vo

-

+

VoV´1

R´

R´1

R´n

R´2

V´n

V´2

Vd

R

V+´n

´2

´1

´n

´n

´2

´2

´1

´1

R1

R1

R1

RV

RV

RV

V

Aplicando Millman, V+ será:

Si R´1=R´2=…=R´n

´n´2

´1 VVV

n1

V

1

21

1

2

43

42o R

RV

R

R1

RR

RVV

Amplificador diferencial: Restador

Aplicando superposición:

121

2o VVR

RV

La tensión de salida es proporcional a la diferencia de las tensiones

de entrada

-

+

Vo

V1

R3V2

R4

R1 R2

V+

Si hacemos R1=R3 y R2=R4

Comparador

-

+

Vo

V1

R3V2

R4

R1 R2

V+

1

21

1

2

43

42o R

RV

R

R1

RR

RVV

Aplicando superposición:

Sensores:-Temperatura

- Presión- Humedad

Equipos de medida

Circuito Integrador con OPAM

R

)t(V)t(i i

t

0

ci

c

t

0

cc

)0(VdtR

)t(V

C

1)t(V

)0(Vdt)t(iC

1)t(V

Dado que Vd=0

La tensión Vc

es:-

+

Vo

Vi CR i i

Vd

Vc

Como Vo(t)=-Vc(t) entonces

t

0

cio )0(Vdt)t(VCR

1)t(V

-

+

Vo

Vi CR i i

Vd

Vc

Formas de onda

t [seg]

V [Vol]Vi (sen(t))

Vo (cos(t))

t [seg]

V [Vol] Vi(t)

Vo(t)

t

0

cio )0(Vdt)t(VCR

1)t(V

Circuito Integrador con OPAM

Problema: Saturación de AO

-

+

Vo

ViR i i

Vd

UDi

+-

R1

C

Causas:

• Asimetría en los caminos de entrada-salida.

Efecto:

• Sin tensión de entrada, en régimen permanente, el AO se satura. V0=Ad·UDi=±Vcc

Solución:

• Limitar la ganancia del AO con R1. V0=UDi·(1+R1/R)

+Vcc

-Vcc

Circuito Integrador con OPAM

Conversor V-I:

Carga no flotante

-

+

Vo

V1R1

is

R2

R1 R2V2

C

V´

V´

i i

i´

i´-isVc

t

0

ci

c )0(VdtR

)t(V

C

1)t(V

1

2c0 R

R1)0(V)t(V

t [seg]

V [Vol] Vi(t)Vo(t)=Vc(t)·(1+R2/R1)

Vc(t)

1

2s R

V)t(i

t

0

csc )0(Vdt)t(iC

1)t(V

Circuito Integrador con OPAM

Circuito Derivador con OPAM

dt

)t(dVC)t(i i

R)t(i)t(VR

dt

)t(dVRC)t(V i

o

Dado que Vd=0

La tensión VR

es:Como Vo(t) es:

-

+

Vo

Vi

C Ri i

Vd

Vc VR

)t(V)t(V Ro

entonces:

-

+

Vo

Vi

C Ri i

Vd

Vc VR

Formas de onda

t [seg]

V [Vol]

Vi (sen(t))Vo (cos(t))

t [seg]

V [Vol]

Vi(t)

Vo(t)

dt

)t(dVRC)t(V i

o

Circuito Derivador con OPAM

dt)t(eKdt

)t(deK)t(eK)t(u IDp

Controlador PID con OPAM

)s(Es

K)s(sEK)s(EK)s(U I

Dp

Circuitos obtenidos a partir del AMP OP

Características del AMP OP

Tensiones offset: En los amplificadores reales aparecen en su salida tensiones del orden de decenas a centenas de milivotios en ausencia de una señal de entrada.

Causas: disimetrías en la etapa diferencial…

Modelo de las tensiones offeset: tensión off-set de entrada o Vos (input offset voltage)

¿Cómo eliminar el offset? Se usan potenciómetros (offset null)

Características del AMP OP

Características del AMP OP

Características del AMP OP

Modelo de las corrientes bias: IBIAS

¿Cómo reducir el efecto de la corriente bias? Usando amplificadores CMOS o FET, en lugar de BJT.

Corriente bias o corrientes de polarización: Corriente necesaria para la operación de un AMP OP.

Características del AMP OP

Características del AMP OP

Características del AMP OP

Parámetros de frecuencia: Los AMP OP tienen alta ganancia y un gran ancho de banda; pero tienen tendencia a inestabilidad (polos en el lado derecho del plano complejo).

Cómo se corrige la inestabilidad: se utilizan técnicas de compensación internas y/o externas que limitan su operación: Un capacitor para compensación, por ejemplo, puede provocar una drástica reducción de la frecuencia de corte..

Relación en el AMP OP: La ganancia multiplicada por la frecuencia de corte es igual a la frecuencia f1, siendo ésta el ancho de banda de ganancia unidad

1fCfpK

Características del AMP OP

Slew rate:. Refleja la capacidad del AMP OP para manejar señales variables en el tiempo. El SR se define como la máxima variación de la tensión de salida con el tiempo que puede proporcionar la etapa salida del AMP, se mide en V/s.

Efecto: Si hay un exceso sobre el valor del SR, el amplificador pierde sus características de linealidad y provoca distorsión en la señal que entrega.

toV

SR

Características del AMP OP

Otros parámetros del AMP OP

Rango de tensión de entrada:. Máxima tensión de entrada. Ej: 13 V.

Máxima variación de rango de tensión de salida: o maximun peak output voltage swing. Máxima tensión esperada a la salida de el AMP, si su alimentación es de 15 V, su máxima tensión de salida es aproximadamente ± 14 V.

Resistencia y capacitancia de entrada: (input resistance and capacitance). Resistencia y capacitancia equivalente de lazo abierto vista a través de los terminales de entrada del AMP. Ej 2M y 1.4 F.

Resistencia de salida: resistencia de salida del AMP que puede ser de unos 75 )

Otros parámetros del AMP OP

Consumo de potencia: Potencia DC, para una alimentación de unos ±15 V, su valor es de 50 mW.

Corriente de cortocircuito de salida: Corriente máxima de salida limitada por el dispositivo de protección; ej: 25 mA.

Variación máxima de la tensión de salida: (output voltage swing). Es la amplitud pico-pico máxima que se puede conseguir sin que se produzca corte, para VCC = ±15 V, ésta es de ±13 V a ± 14 V.