electrónica analógica iii

Electrónica Analógica III

Unidad 1

Circuitos básicos con amplificadores operacionales.

El concepto original del AO (amplificador operacional) procede del campo de los computadores analógicos, en los que comenzaron a usarse técnicas operacionales en una época tan temprana como en los años 40.

1.1 Conceptos básicos.

El nombre de amplificador operacional deriva del concepto de un amplificador dc (amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas características de operación estaban determinadas por los elementos de realimentación utilizados.

Cambiando los tipos y disposición de los elementos de realimentación, podían implementarse diferentes operaciones analógicas; en gran medida, las características globales del circuito estaban determinadas sólo por estos elementos de realimentación.

De esta forma, el mismo amplificador era capaz de realizar diversas operaciones, y el desarrollo gradual de los amplificadores operacionales dio lugar al nacimiento de una nueva era en los conceptos de diseño de circuitos.

Es un dispositivo de acoplo directo con entrada diferencial, y un único terminal de salida. El amplificador sólo responde a la diferencia de tensión entre los dos terminales de entrada, no a su potencial común. Una señal positiva en la entrada inversora (-), produce una señal negativa a la salida, mientras que la misma señal en la entrada no inversora (+) produce una señal positiva en la salida.

El amplificador operacional ideal.

V0 = a Vd a = infinito Ri = infinito 

Ro = 0 BW (ancho de banda) = infinito 

V0 = 0 sí Vd = 0

Con una tensión de entrada diferencial, Vd, la tensión de salida, Vo, será a Vd, donde a es la ganancia del amplificador. Ambos terminales de entrada del amplificador se utilizarán siempre independientemente de la aplicación. La señal de salida es de un sólo terminal y está referida a masa, por consiguiente, se utilizan tensiones de alimentación bipolares ( ± )

La ganancia de tensión es infinita: g = ∞La resistencia de entrada es infinita: Ri =

∞La resistencia de salida es cero: Ro = 0El ancho de banda es infinito: Rw = ∞La tensión offset de entrada es cero: V0 =

0 sí Vd = 0.

Teniendo en mente estas funciones de la entrada y salida, podemos definir ahora las propiedades del amplificador ideal. Son las siguientes:

A partir de estas características del AO, podemos deducir otras dos importantes propiedades adicionales. Puesto que, la ganancia en tensión es infinita, cualquier señal de salida que se desarrolle será el resultado de una señal de entrada infinitesimalmente pequeña.

Los amplificadores operacionales suelen estar formados por las siguientes etapas:

1. Un etapa amplificadora de entrada diferencial y salida diferencial: Define las características de entrada del AO. Suele ser un AD (Amplificador diferencial) basado:

En transistores bipolares simples o en montaje Darlington para disminuir las corrientes de entrada.

Transistores FET que aumentan la impedancia de entrada.

1.1.1 Estructura.

2. Una segunda etapa de entrada diferencial y salida asimétrica: Aumenta la ganancia diferencial y adapta los niveles de continua para acoplar la salida a la siguiente etapa.

3. Una etapa intermedia: Provee ganancia de potencia y adapta los niveles de continua. Además, limita el ancho de banda total del amplificador en bucle abierto que garantiza su estabilidad. Suele consistir en un amplificador en emisor común.

4. Una etapa de salida: Suele ser un amplificador de corriente que disminuye la impedancia de salida para poder alimentar cargas relativamente bajas con protección contra sobre-corriente.

El amplificador operacional puede ser polarizado, tanto con tensiones simples cómo con tensiones simétricas, si utilizamos tensiones simples, a la salida no podremos conseguir valores menores de 0 v.  

1.1.2 Parámetros de polarización.

EL valor de estas tensiones no suele ser fijo, dando los fabricantes un margen entre un máximo y un mínimo, no teniendo ninguna consecuencia en el funcionamiento del amplificador, el valor de tensión que se escoja, únicamente las tensiones de salida nunca superaran las tensiones de alimentación.

Amplificador no inversor

1.1.3 Circuitos básicos.

Por la característica 5), -Vn = Vin R1 y R2 forman un divisor de tensión, cuya entrada es Vout y la salida del divisor es –Vn .

O sea:

- Vin = Vin = Vout R1 / (R1 + R2)

Ganancia = Av = Vout / Vin = 1 + R2 / R1

La impedancia de entrada Zin es muy elevada, mientras que la impedancia de salida Zout vale unas décimas de ohm.

La señal de salida está en fase con la entrada por ser inyectada por la entrada no inversora.

Amplificador inversor

La entrada no inversora está a tierra, y por la característica 5), A también lo estará. Por tanto, la tensión en R2 vale Vout, y la tensión en R1 vale Vin, y por tanto la ganancia vale:

Av = -Vout / Vin = -R2 / R1

El signo menos por ser la señal invertida en fase.

La impedancia de entrada Zin vale R1, puesto que como dijimos, A está puesto a tierra a efectos prácticos. La impedancia de salida Zout vale una fracción de ohm.

Buffer o seguidor

Se trata de un amplificador no inversor cuya resistencia R1 vale infinito y R2 vale cero y ganancia unidad. Tiene una impedancia de entrada Zin muy elevada, y una impedancia de salida Zout muy pequeña. Por este motivo se utiliza principalmente para aislar dos circuitos, de manera que el segundo no resulte una carga para el primero, pues la impedancia vista será la altísima Zin del operacional. En este caso se dice que U1 sirve para “adaptar impedancias”. Existen operacionales especiales para utilizarlos como buffers, como el LM310 o el OPA633.

Restador.

El circuito de la figura resta las señales de entrada y el resultado se amplifica con la ganancia.

Av = R2/R1

Es decir:

Vout = R2/R1 (V2-V1)

Sumador

El circuito sumador es una variante del restador presentado anteriormente. El punto A es una tierra virtual y por tanto la corriente de entrada vale:

Iin = V1 / R + V2 / R + V3 / R Se obtiene: Vout = -(V1+V2+V3)

Las entradas pueden ser positivas o negativas. En el caso de que las resistencias sean diferentes entre sí, se obtiene una suma ponderada. Esto vale por ejemplo para hacer un sumador binario si las resistencias fuesen por ejemplo R, 2R, 4R, 8R, etc., y de hecho constituye el fundamento de un convertidor analógico-digital (ADC: Analog to Digital Converter).

Son amplificadores operacionales cuya salida, en lugar de ser una fuente de tensión de baja impedancia como en los amplificadores operacionales convencionales, es una fuente de corriente de alta impedancia, controlada mediante tensión diferencial de entrada.

1.2 Amplificador de transconductancia.

La ganancia de transconductancia Gm puede a su vez programarse por medio de una corriente IABC (amplifier bias current) inyectada en un terminal apropiado. En la figura se muestra el diagrama de circuito esquemático del LM13600.

La posibilidad de programar la transconductancia permite dos tipos de aplicaciones. En el primer grupo están comprendidas aquellas aplicaciones en las cuales se debe optimizar alguna especificación (ruido, corrientes de polarización, resistencias de entrada y salida, etc.).

En el segundo grupo se incluyen dispositivos de tipo paramétrico o controlado, como amplificadores de ganancia controlada por tensión, filtros controlados, osciladores controlados, resistencias controladas, etc.

Este segundo tipo de aplicaciones es difícil de implementar con amplificadores operacionales tradicionales, o aún con los de tipo programable, como el LM4250.

En estos últimos, si bien la transconductancia de la primera etapa puede programarse, dicha transconductancia se manifiesta como una ganancia de tensión que puede programarse hasta cierto punto por medio de la corriente de programación.

1.3 Amplificador de audio.

Un amplificador de audio es un dispositivo utilizado para aumentar el volumen del sonido con baja potencia para que pueda ser utilizado en un altavoz. En general, es el paso final de una cadena de retroalimentación de audio, o el movimiento del sonido desde una entrada de audio a una salida.

Historia del amplificador de audio

El primer amplificador de audio se hizo en 1906 por un hombre llamado Lee De Forest y llegó en forma de tubo de vacío tríodo. Este mecanismo especial evolucionó a partir de Audion, y fue desarrollado por De Forest.

Orígenes

Los amplificadores de audio más usados hoy en día son considerados como transistores de estado sólido. Un ejemplo de esto es el transistor de unión bipolar, que tiene tres elementos hechos de materiales semiconductores. Otro tipo de amplificador usado en los últimos años es el MOSFET o el óxido de metal semiconductor transistor de efecto de campo. Inventado por Julius Edgar Lilienfeld, fue concebido por primera vez en 1925 y tiene tanto aplicaciones de circuitos digitales como analógicas.

es un amplificador diferencial tensión-tensión cuya ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a su propia especificación aún en un entorno hostil.

1.4 Amplificador de instrumentación.

Es un elemento esencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece características funcionales propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona. Para ello, se le requiere:

a) Tengan unas características funcionales que sean precisas y estables.

b) Sus características no se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos.

1) Son amplificadores diferenciales con una ganancia diferencial precisa y estable, generalmente en el rango de 1 a 1000.

2) Su ganancia diferencial se controlada mediante un único elemento analógicos (potenciómetro resistivo) o digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste.

3) Su ganancia en modo común debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial, esto es, debe ofrecer un CMRR muy alto en todo el rango de frecuencia en que opera.

A los amplificadores de instrumentación se les requieren las siguientes características:

4) Una impedancia muy alta para que su ganancia no se vea afectada por la impedancia de la fuente de entrada.

5) Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se vea afectada por la carga que se conecta a su salida.

6) Bajo nivel de las tensión de offset del amplificador y baja deriva en el tiempo y con la temperatura, a fin de poder trabajar con señales de continua muy pequeñas.

7) Una anchura de banda ajustada a la que se necesita en el diseño.

8) Un factor de ruido muy próximo a la unidad, Esto es, que no incremente el ruido.

9) Una razón de rechazo al rizado a la fuente de alimentación muy alto.

El amplificador diferencial básico construido con un único amplificador operacional, satisface algunas de las características del amplificador de instrumentación, pero no todas. No obstante, como es la base de los amplificadores de instrumentación es interesante analizar algunas de sus características.

La configuración mas utilizada como amplificador de instrumentación está constituido por tres amplificadores operacionales utilizados de acuerdo con el esquema de la figura.

CONFIGURACIÓN BÁSICA DE AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN.

Los amplificadores de instrumentación han sido desarrollados para ser utilizados en sistemas de instrumentación en los que las características de operación son críticas.

ESPECIFICACION DE UN AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN .

La precisión y estabilidad de los amplificadores de instrumentación se realiza a costa de limitar su flexibilidad. Son amplificadores que han sido diseñados para ser utilizados únicamente como amplificadores, pero a cambio de ello, proporcionan unas características excepcionalmente buenas, y además pueden utilizarse sin necesidad de conocer con detalle su diseño interno y con sólo interpretar su especificación externa.

Estos amplificadores se proyectan para rechazar todas las señales cuyas frecuencias se encuentran por debajo y por encima de la banda de operación. Estos circuitos sintonizados se utilizan extensamente en la mayoría de los equipos de comunicaciones.

1.5 Amplificador sintonizado.

Para poder recibir señales moduladas (AM, FM, etc.) sin distorsión apreciable, manteniendo la potencia de ruido tan pequeña como sea posible, el amplificador de paso de banda deberá presentar idealmente una respuesta de amplitud constante y de fase lineal entre las frecuencias de corte (ancho de banda), aunque en realidad no se cumple totalmente. Gráficamente la respuesta ideal y real se ven en las siguientes figuras: