circuitos electronicos ii - semana 01(1)

Ing. Edgard Oporto Diaz

CIRCUITOS ELECTRONICOS II

Mdulo: II Unidad: 01 Semana: 01

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL Y

CIRCUITOS BASICOS

ORIENTACIONES

- Estudiar el material de ayuda antes de la sesin respectiva.

- Escuchar atentamente la tutora

- Para intervenir y hacer preguntas levantar la mano

- Ingresar con sus apellidos y nombres, no con seudnimo

- Desarrollar los ejercicios propuestos

CONTENIDOS TEMTICOS

El amplificador operacional

Conceptos

El amplificador operacional ideal

Caractersticas reales versus ideales

Especificaciones del amplificador operacional

Caractersticas elctricas

Estructura interna de un OPAMP

Anlisis de circuitos prcticos con OPAMPs

Ganancia de etapas mltiples

Sumadores y restadores de voltaje

EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

OPAMP

Historia

1948 George Philbrick introduce el OPAMP en el mercado, a tubos de vaco.

Empleado en computadoras analgicas.

Realizaba operaciones matemticas: sumar, restar

multiplicar, derivar, etc.

1964-1967

Fairchild desarrolla los OPAMPs en circuito integrado

(LM702, LM709 y LM741)

National Semiconductor introduce los LM101 y LM301


Caractersticas generales

- Circuito integrado analgico

- Enorme variedad de aplicaciones y operaciones con seales analgicas

- Bajo costo

- Tamao reducido

- Mnima cantidad de elementos externos para implementar funciones

- Tiempo de desarrollo reducido

- Baja potencia

El OPAMP LM741 en encapsulado DIP de 8 pines


Aplicaciones

- Operaciones analgicas

Suma, resta, multiplicacin, inversin

- Amplificacin

- Filtros activos

- Integracin y derivacin

- Comparacin

- Conversin anloga/digital

- Osciladores

- Conversores V-I

CONCEPTOS

Smbolo y pines

Se simboliza tal como se muestra en la figura.

Consta de:

- 02 entradas de seal

* Entrada inversora -

* Entrada no inversora +

- 02 fuentes

* Positiva + VSS

* Negativa - VSS

- 01 salida

Existen dos modelos de circuito equivalente:

a) Modelo real

b) Modelo ideal

Existen dos modos de trabajo:

a) Modo amplificador

b) Modo comparador

Se estudiar primero el modo amplificador.



(Modelo real)

Circuito equivalente

CARACTERISTICAS

Rin Alta impedancia de entrada Corriente de entrada tiende a 0

G Alta ganancia de lazo abierto Suele ser de 50000 a 200000.

(OPAMP sin realimentacin)

Rout Baja impedancia de salida


(Modelo real)


(Modelo ideal)

Rin = Impedancia de entrada infinita CIRCUITO ABIERTO PARA CORRIENTECorrientes de entrada NULAS

Entre terminales + y no pasa corriente

Rout = 0 Impedancia de salida nula Cable o cortocircuito

G = Ganancia de voltaje de lazo abierto INFINITA

Vout = G x Vin

Vin = Vout / G Vin = 0 Tierra o corto virtual

V+ = V-


(Modelo ideal)

Rin = Impedancia de entrada infinita CIRCUITO ABIERTO PARA CORRIENTECorrientes de entrada NULAS

Entre terminales + y no pasa corriente

G = Ganancia de voltaje de lazo abierto infinita

Vin = V+ - V-Vin = Vout / G

Vin 0 CORTO O TIERRA VIRTUAL PARA VOLTAJEV+ = V- V+ y V- son iguales

TIERRA O CORTO VIRTUAL

CARACTERSTICAS REALES VERSUS IDEALES

Curva del OPAMP - Vout vs Vin

Ideal Real

La salida del OPAMP es, como mximo, +/-Vcc

A = G = Ganancia de lazo abierto


Tierra o corto virtual

- Como Rin = i - = 0IR1 = IR2

- Como V+ = V- V- = GND

IR1 = Vs / R1

Vout = - IR2 R2

G = -R2/R1

ESPECIFICACIONES DEL AMPLIFICADOR

OPERACIONAL

Resistencia o impedancia de entrada (RIn)

MODO DIFERENCIAL

Es la resistencia que existe entre las dos entradas + y -

MODO COMUN

Es la resistencia que existe entre cada entrada

y tierra.

Valores tpicos: 300K a 2M

Resistencia de salida (ROut)

Es la resistencia vista desde la salida del OPAMP.

Valores tpicos: 10 a 100

Ganancia de voltaje en lazo abierto (G, A o Aol)

Relacin del voltaje de salida con el de entrada, sin realimentacin

externa. Un buen OPAMP lo tiene muy alto (50000 a 200000).

Dados por el fabricante


OPERACIONAL (Real)

i in Corriente de entradav in Voltaje de entrada diferencialR in Resistencia de entradaR out Resistencia de salidai out Corriente de salidaV out Voltaje de salida respecto a tierraA Ganancia de tensin en lazo abierto


OPERACIONAL (Real)

Se requiere que:

El OPAMP debe presentar una Ri muy alta y una Ro muy baja.

As:


OPERACIONAL

Voltaje de entrada diferencial (V i (DIFF) o Vid o Vd)

Voltaje mximo que puede aplicarse entre las entradas + y - .


OPERACIONAL

Voltaje de entrada en modo comn (Vi cm o Vi cm )

Voltaje mximo de entrada que puede aplicarse simultneamente encada entrada con respecto a tierra y que no origina recorte u otrasdistorsiones en la salida.

Se conoce tambin como el voltaje de modo comn.

Este voltaje mximo suele ser igual al voltaje de la fuente.

La salida del

OPAMP (ideal)

debe ser cero

para entradas en

modo comn.


OPERACIONAL

Relacin de rechazo en modo comn (CMRR)

Parmetro que indica que tanto el OPAMP rechaza una seal que estpresente simultneamente en ambas entradas.

Ejemplo: RUIDO

El ruido se monta en ambas entradas a la vez (siempre es respecto atierra).

Valores tpicos: CMRR de 3000 a 30000

Bajo (en OPAMP ideal es 0)

Alto

Alto, el OPAMP atena el ruido


OPERACIONAL

Rechazo en modo comn (CMR)

CMR(dB) = 20 log CMRR

Valores tpicos: 70 a 90 decibelios

Depende de la frecuencia y ganancia

ESPECIFICACIONES DEL OPAMPVoltaje de alimentacin (+/-VCC)

Es el rango de voltaje (positivo y negativo) que pueden usarse para

alimentar un OPAMP.

El OPAMP LM741 funciona con fuentes de 5V a 18V.

Valores tpicos: Vcc < 18 V

Disipacin de potencia (PD)

Potencia mxima del OPAMP a temperatura ambiente.

Valores tpicos: 500mW a 25o C

Consumo de corriente

Es la corriente mxima que puede consumir el OPAMP de la fuente de

alimentacin.

Valores tpicos: 1.7mA a 25oC

Temperatura de operacin (TOPR)Rango de temperatura ambiente para el cual el OPAMP operar dentro de

las especificaciones del fabricante.

Valores tpicos: -55oC a +125o C


OPERACIONAL

Respuesta en frecuenciaEs el comportamiento del OPAMP segn la frecuencia de la seal de entrada.

La ganancia del OPAMP, y por ende su salida, depende de la(s) frecuencia(s) de entrada.

OPAMP IDEAL Ancho de banda infinito

Responde por igual a todas las frecuencias, ganancia constante

OPAMP REAL Ancho de banda limitado

Presenta atenuacin de ganancia al aumentar la frecuencia

Se emplea el parmetro GBW

GBW Producto GANANCIA-ANCHO DE BANDA


OPERACIONAL

Producto ganancia ancho de banda (GBW)

La ganancia de un OPAMP real:

a) Es constante desde DC hasta unos 100 Hz segn el OPAMP

b) Disminuye al aumentar la frecuencia

c) Cae a razn de 20 dB/dcada

A esto se le llama ATENUACION PROGRESIVA.

d) Llega a 1 (0 dB) a la frecuencia f T

Av x BW = Constante

BW = fc

Av = Ganancia de tensin

fc


OPERACIONAL


OPERACIONAL

Producto ganancia ancho de banda (GBW)

LAZO CERRADO

La ganancia se reduce

La frecuencia de corte aumenta

El OPAMP mejora su respuesta en frecuencia.


OPERACIONALSlew Rate (SR)

Se define como la mxima variacin de la tensin de salida por

unidad de tiempo que puede proporcionar la salida del OPAMP.

Se mide en V/s.

Valores tpicos: 0.5 V/s

Si la salida de un OPAMP cambia de 5V a +5V no lo puede hacer enmenos de 20 s.

Refleja la velocidad de respuesta del OPAMP.

Refleja la capacidad del OPAMP para manejar seales de variacin muy

rpida. En caso las seales aplicada al OPAMP sean ms rpidas, el

OPAMP pierde sus caractersticas de linealidad y provoca distorsin en la

seal que entrega.

OPAMP ideal: Tiempo de conmutacin nulo.

La salida sigue a la entrada, sin retardo.

t

VSR out


OPERACIONAL

Tensin de OFFSET de salida - Voo

Existe un voltaje de salida cuando la tensin de entrada es 0V (V+ = V-),

es decir en ausencia de seal diferencial. Es del orden de decenas a

centenas de mV.

Tensin de OFFSET de entrada - Vio

Voltaje diferencial DC aplicado al OPAMP que produce un voltaje de

salida cero. Elimina Voo. Valores tpicos: < 100mV.

Para eliminar el OFFSET se usan potencimetros (pines OFFSET NULL).

OPAMP ideal

Vio = Voo = 0V


OPERACIONAL

Curva de transferencia

Al exceder la zona lineal, la salida del OPAMP se distorsiona

CARACTERSTICAS ELCTRICAS

Corrientes de polarizacin y corriente de desviacin

Las entradas + y del OPAMP son las bases de transistores porlo que las corrientes que ingresan por ellas son corriente DC de

polarizacin requeridas para operar el OPAMP.

Corriente de polarizacin (IB o IBIAS) es la corriente que entra por

alguna de las entradas. Se toma como el promedio de ambas:

Corriente de desviacin (Iio)

Corriente de OFFSET de entrada

Es la diferencia de las mismas.

CARACTERSTICAS ELCTRICAS

CARACTERSTICAS DEL OPAMP IDEAL

ESTRUCTURA INTERNA DE UN OPAMP

ANLISIS DE CIRCUITOS PRCTICOS CON

OPAMPS

Amplificador no inversor

Amplificador inversor

Sumador inversor

Sumador no inversor

Sumador no inversor (versin 2)

Seguidor (adaptador de impedancias)

Restador


OPAMPS

Amplificador no inversor

i+ = i- Impedancia de entrada infinita

v+ = v- = vi Corto virtual


OPAMPS

Amplificador inversor

Impedancia de entrada infinita

Corto virtual, V- a tierra


OPAMPS

Amplificador sumador inversor


OPAMPS

Amplificador sumador no inversor


OPAMPS

Amplificador sumador no inversor (versin 2)

Comprobar que la salida es:


OPAMPS

Seguidor o buffer(adaptador de impedancias)

Muy usado para leer de sensores,

sin afectar voltaje ni corriente del sensor.

Evita el efecto de carga.

I1 = 0

V+ = V- = Vin

Vout = Vin

Rin infinita

Rout baja


OPAMPS

Restador

CONCLUSIONES Y/O ACTIVIDADES DE

INVESTIGACIN SUGERIDAS

a) Explique en sus propias palabras las caractersticas tcnicas de

los OPAMPs.

b) Realice la simulacin de las distintas aplicaciones de los

OPAMPs.

c) Verifique y compare datos tcnicos de OPAMPs comerciales de

diversos fabricantes.

GRACIAS

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