clase 10 - eye
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Clase 11 de Electronica y Electrotecnia subida como material de estudio para asi NO ir a los libros y aprobar sabiendo pocoTRANSCRIPT
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA
FACULTAD DE INGENIERA
REA DEPARTAMENTAL ELECTROTECNIA
ELECTROTECNIA
Y
ELECTRNICA
Curso 2013
Tema 10
Amplificadores Operacionales
Ing. Eduardo Ariel PonzanoProfesor Adjunto
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ADVERTENCIA IMPORTANTE!Por favor, leer con atencin
Las presentes notas no son autosuficientes ni pretenden
agotar en toda su amplitud aquellos conocimientos
tericos y prcticos que el alumno necesita adquirir para
dominar plenamente los contenidos temticos definidos
para el presente curso por la Ctedra.
Por lo tanto, no han de considerarse sustitutivas sino
complementarias de la bibliografa tcnica especfica,
constituyendo un elemento auxiliar, orientado a guiar al
alumno y facilitar su proceso de aprendizaje sobre los
temas contenidos en la citada bibliografa, resumiendo y/o
complementando conocimientos incorporados a partir de
la lectura y comprensin que el alumno realice de la
misma.
La Ctedra
2
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALUn amplificador operacional es un conjunto complejo de componen-
tes elctricos y electrnicos que se interconectan entre s para for-
mar circuitos integrados en una sola pastilla de silicio.
La introduccin del AmpOp marc el inicio de una nueva era en la
electrnica moderna. Desde la introduccin del primer AmpOp en
forma de CI, la tendencia en la instrumentacin electrnica migr
desde el diseo discreto (componentes individuales) de los circuitos
electrnicos, hacia el uso de circuitos integrados para un gran
nmero de aplicaciones. Esta afirmacin es particularmente vlida
para aplicaciones diferentes de las de la ingeniera elctrica: los
AmpOp se encuentran en la mayora de las aplicaciones de
mediciones y de instrumentacin, en las cuales sirven como base
extremadamente verstil para cualquier aplicacin que requiera del
procesamiento de seales elctricas
Con un AmpOp es posible realizar un importante nmero de
operaciones - sumar, restar, filtrar, derivar o integrar, seales - y
todas se basan en las propiedades de los amplificadores ideales y de
los elementos ideales de circuitos.
3
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALUna gran ventaja de los AmpOp es que es posible utilizarlos como
componente bsico de otros circuitos complejos, centrndose
simplemente en el comportamiento que presenta en sus terminales,
sin necesidad considerar que ocurre en su interior ni porqu ocurre.
Esta ventaja se comprende rpidamente si tenemos presente que
dentro de un AmpOp puede haber varios transistores junto a una no
menos importante can-
tidad de componentes
pasivos e incluso otros
componentes semicon-
ductores.
Como veremos, al tra-
tar el AmpOp como un
grupo utilizaremos mo-
delos equivalentes mu-
cho ms sencillos.
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALEl nombre de AmpOp se debe a que estos dispositivos fueron
inicialmente utilizados para realizar operaciones matemticas en
calculadoras analgicas (suma, resta, multiplicacin, divisin,
integracin, derivacin, etc.).
Existen en el mercado diversas marcas comerciales y
presentaciones de AmpOp. Algunas de ellas se muestran a
continuacin:
Configuracin DlP(dual in-line package)
Encapsulado
Metlico TO-5
Relacin de
tamao
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALLos terminales del AmpOp y su smbolo son los siguientes (Para un
encapsulado DIP):
Sin Conexin
+U
Salida
Compensacin
de offset
Compensacin
de offset
Entrada
Inversora
Entrada no
Inversora
-U
1
2
3
4
8
7
6
5
Compensacin de offset
-U 4 1 5
7 +U
6 Salida
Entrada Inversora 2
Entrada No Inversora 3 +
-
6
-
EL AMPLIFICADOR OPERACIONALModelo y funcionamiento:
El smbolo del AmpOp es el que acabamos de ver. Como se observa,
tiene dos entradas y una salida de seal. Las entradas se marcan
con menos (-) y ms (+) para especificar las entradas inversora y no
inversora, respectivamente. Una entrada aplicada al terminal no
inversor aparecer con la misma polaridad en la salida; en tanto que
una entrada que se aplique al terminal inversor aparecer con
polaridad contraria en la salida.
Compensacin de offset
-U 4 1 5
7 +U
6 Salida
Entrada Inversora 2
Entrada No Inversora 3 +
-
Para que funcione
correctamente, es
necesario conectar
el AmpOp a una
fuente de tensin a
travs de los pi-nes 4 y 7. Porsimplicidad es fre-
cuente omitir esa
fuente en el dibujo.
7
-
EL AMPLIFICADOR OPERACIONALTensiones y corrientes:
En el diagrama siguiente se indican las corrientes y tensiones en un
AmpOp:
Por primera Ley de Kirchhoff:
4
7
6
2
3 +
-
La figura de la izquierda
muestra un modelo real
del circuito equivalente
del AmpOp.
+ -
+-
I+
I-
IS
Ii
Ini
Uf
Uf
= + + + +
+
-
+
-
ui
uni
ud
+
-
Re
Rs
Audus
8
-
EL AMPLIFICADOR OPERACIONALModelo real del AmpOp:
La seccin de salida est compuesta por una fuente de tensin
dependiente, controlada por la tensin de entrada al amplificador, en
serie con la resistencia de salida Rs. Al observar la figura anterior, es
evidente que la resistencia de entrada Re es la resistencia
equivalente de Thevenin vista desde los terminales de entrada; en
tanto que la resistencia de salida Rs corresponde a la resistencia de
Thevenin equivalente vista en la salida.
La tensin de entrada diferencial
ud est dada por:
= El AmpOp registra la diferencia
uni - ui, la multiplica por A (ganan-
cia) y provoca que una tensin uSaparezca a la salida.
= = ( )
+
-
+
-
ui
uni
ud
+
-
Re
Rs
Audus
9
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALModelo real del AmpOp:
Las tensiones uni y ui se miden respecto de la referencia (Tierra). A
se denomina ganancia en tensin de lazo abierto debido a que es
la ganancia que presenta el AmpOp sin ninguna realimentacin
externa desde la salida hacia la entrada.
La tabla muestra rangos de valores de AmpOp reales respecto de
los ideales:
+
-
+
-
ui
uni
ud
+
-
Re
Rs
Aud
us
Parmetro Rango de Valores
ValoresIdeales
Ganancia de lazo abierto A 105 a 108
Resistencia de entrada Re 105 a 108
Resistencia de salida Rs 10 a 100 0
Tensin de alimentacin Uf V 5 a 24 ---
Los rangos se deben a que los parmetros pueden variar segn
el modelo de AmpOp que se est utilizando.
10
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALRealimentacin Negativa:
Este concepto es fundamental para comprender el
funcionamiento de los circuitos con AmpOp.
A pesar de lo que el trmino pueda intuitivamente sugerir, desde
el punto de vista de la electrnica, una realimentacin negativa
es sinnimo de estabilidad.
La realimentacin negativa se obtiene cuando la salida alimenta
de nuevo al terminal inversor del AmpOp.
Cuando hay un camino de realimentacin de la salida a la
entrada, la relacin entre la tensin de salida y la de entrada
recibe el nombre de ganancia de lazo cerrado.
Como resultado de la realimentacin negativa y como veremos al
considerar las distintas configuraciones del AmpOp, la ganancia
de lazo cerrado es casi insensible a la ganancia de lazo abierto A
del AmpOp. Por esta razn, los amplificadores operacionales se
utilizan en circuitos con realimentacin negativa .
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALSaturacin:
Una limitacin prctica del AmpOp es que la magnitud de su
tensin de salida no puede superar el valor Uf.
La figura ilustra que es posible operar el AmpOp en tres modos,
segn la tensin de entrada diferencial ud. En otras palabras, la
tensin de salida es dependiente y est limitada por la tensin de
la fuente de energa que alimenta el AmpOp.
uS
ud
Uf
- Uf
0
Saturacin
positiva
Saturacin
negativa
Regin
Lineal
En lo que resta supondremos
que los AmpOp estn operando
en la regin lineal, lo cual
significa que:
La posibilidad de saturacin es
algo que debe tenerse en
cuenta al trabajar con circuitos
reales.
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALAmpOp ideal:
Un AmpOp se dice ideal cuando cumple las siguientes
condiciones:
Ganancia infinita de lazo abierto: A . Resistencia de entrada infinita: Re Resistencia de salida cero: Rs = 0.
Si bien suponer que el AmpOp es ideal ofrece slo un anlisis
aproximado, los amplificadores ms modernos tienen ganancias e
impedancias de entrada tan grandes que ese anlisis aproximado
resulta adecuado.
A menos que se seale de
otra manera, supondremos a
partir de ahora que todo
amplificador operacional es
ideal. Para el anlisis de
circuitos, el AmpOp ideal se
ilustra en la figura.
+
-
Ii=0
Ini=0uS
ui
+
-ud +
-
uni
13
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALAmpOp ideal:
De acuerdo a lo dicho, en la prctica los amplificadores
operacionales se utilizan con realimentacin negativa, es decir, se
los hace funcionar en lazo cerrado. Teniendo en cuenta esta
condicin, dos caractersticas importantes del AmpOp ideal al
realizar el anlisis de circuitos son:
Las corrientes en ambos terminales de entrada son cero:
Ii = Ini = 0 (Pues se asume Re; noten que Is puede ser 0)
La tensin entre los terminales de entrada es tan pequea
que puede despreciarse ud = uni ui 0 uni ui
La segunda condicin, como veremos enseguida, resulta de
combinar la realimentacin negativa con la alta ganancia en lazo
abierto.
Resumiendo, un AmpOp ideal realimentado negativamente tiene
corriente nula en sus dos terminales de entrada y una tensin entre
los mismos tan pequea que puede despreciarse.
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALPor qu ud = 0 en AmpOp ideal con realimentacin neg.?:
= =
= + = +
=
=
+
+ +
= ( +)
= ( +
)
+ +
+
-
+
-ud+
-
Re
RsAud
us
+
-
ue
+
-
+
-ue
Re Rs
Aud
us
+
-
I+
-
ud
Simplificando el dibujo:
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALPor qu ud = 0 en AmpOp ideal con realimentacin neg.?:
= ( +
)
+ +
Como en AmpOp ideal Re>>RS:
=
+
Y como en AmpOp ideal A:
Por lo que en un AmpOp ideal con reali-
mentacin negativa ud 0 . Es lo que se denimina Cortocircuito Virtual .
+
-
+
-ud+
-
Re
RsAud
us
+
-
ue
+
-
+
-ue
Re Rs
Aud
us
+
-
I+
-
ud
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALConfiguraciones elementales:
Definimos como configuraciones de circuitos con AmpOp, a las
diferentes combinaciones de elementos pasivos asociados a un Amp
Op, que permiten realizar los distintos procesamientos de la seal de
entrada (generalmente tensin) con el objeto de obtener la seal de
salida deseada.
A continuacin, presentaremos y analizaremos las configuraciones
ms comunes de AmpOp. Haremos el anlisis con el detalle
necesario y suficiente que permita extender los razonamientos a otro
tipo de configuraciones menos comunes. Deberemos observar y
reconocer los lazos de realimentacin negativa presentes en cada
uno de los circuitos que analizaremos.
Tambin debemos tener presente que en los anlisis que siguen, y a
menos que indiquemos lo contrario, el modelo de AmpOp utilizado
ser el ideal o terico, funcionando en la regin lineal.
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALSeguidor de tensin:
El trmino seguidor de tensin se refiere a que la tensin de lasalida del AmpOp sigue a la de entrada. En el anlisis que acontinuacin realizaremos, se ver qu significa esto.
En particular, este circuito no posee elementos pasivos externos al
AmpOp en el sentido estricto. Se puede observar de la figura que el
terminal de salida se encuentra conectado al terminal inversor
mediante un conductor de resistencia nula. La tensin de entrada
proveniente de una fuente uf se aplica al terminal no inversor,
respecto de tierra (referencia); mientras que la tensin de salida us se
mide respecto de la misma referencia.
+
-
ue
us
+
-
Como en el AmpOp ideal ud = 0, entonces:
=
Es decir, la salida sigue a la entrada, pero para que sirve esto?.
+
-
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALSeguidor de tensin:
Supongamos que tenemos un resistor R sobre el cual queremos
aplicar la tensin ue que entrega una fuente real de resistencia
interna Ri . Entonces, a menos que Ri
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALAmplificador inversor:
Tenemos que buscar la expresin de uS en funcin de ue .
Como la corriente de entrada es cero, entonces: =
Como el terminal no inversor est a tensin de referencia y en un
AmpOp ideal ud= 0:
=
= =
Reemplazando estas dos ecuaciones en
la anterior:
=
Vemos que la salida es una rplica
de la entrada cambiada de signo y
afectada por el factor de escala
.
ue
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALAmplificador inversor:
La inversin de signo entre la entrada y la salida es, por supuesto, la
razn para denominar a este circuito amplificador inversor. El factor
de escala, o ganancia de lazo cerrado, es como dijimos, el cociente
Rr/Ri.
El resultado dado por la ecuacin anterior slo es vlido si el
amplificador operacional es ideal, es decir, si A y Re son infinitas.
Para un amplificador operacional real, dicha ecuacin constituye una
aproximacin aceptable.
La ecuacin vista indica que si la ganancia A del amplificador
operacional es grande, la ganancia del amplificador inversor se
puede fijar mediante las resistencias externas Rr y Ri. El lmite
superior de la ganancia (o factor de amplificacin de lazo cerrado)
est determinado por las tensiones de alimentacin y por el valor de
la tensin de la seal de entrada ue. Si se tienen tensiones de
alimentacin simtricas, es decir U- = -U+= Ucc se obtiene:
;
;
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EL AMPLIFICADOR OPERACIONALAmplificador inversor:
Que pasara si el sistema pasa a operar a lazo abierto, es decir que
hacemos Rr ?. La eliminacin de la resistencia de realimentacinmodifica drsticamente el comportamiento del circuito. La tensin de
salida ser ahora :
= Suponiendo como antes que:
= + = Entonces
si queremos mantener el sistema operando en
la zona lineal. Pero como la corriente por la entrada inversora es
prcticamente nula, entonces la tensin en la entrada inversora es
ue. Como adems debe cumplirse que ud ue , el AmpOp podrfuncionar a lazo abierto en zona lineal slo si :