Amplificadores operacionales pp 1ª clase
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Amplificadores operacionales pp 1ª clase Amplificadores operacionales pp 1ª clase Presentation Transcript

  • Amplificadores Operacionales Características de un amplificador operacional ideal y uno real
  • Fundamento de los AmplificadoresAntes de comenzar el estudio de los amplificadores operacionales, es útilrepasar los conceptos fundamentales de la amplificación y de la carga.Recuerde que un amplificador es un dispositivo de dos puertos que aceptauna señal que una señal que se aplica en forma externa, llamada entrada, yque genera una señal que se llama salida, de modo que salida = ganancia xentrada, donde ganancia es una constante apropiada de proporcionalidad.Un dispositivo que se apegue a esta definición, recive el nombre deamplificador lineal.Un amplificador recibe su entrada de una fuente y alimenta su salida a unacarga. En función de la naturaleza de las señales de entrada y salida, setienen diferentes tipos de amplificadores. El más común es el amplificadorde voltaje, cuya entrada Vi y salida Vo son voltajes.Cada puerto del amplificador puede modelarse en un equivalente deThévenin, que consisten en una fuente de voltaje y una resistencia en serie.Por lo general el puerto de entrada del amplificador juega un papelexclusivamente pasivo, de modo que se modela como una resistencia Ri, quese llama resistencia de entrada del amplificador.
  • Por su parte el puerto de salida se modela como una fuente de voltajecontrolada por voltaje (VCVS por sus siglas en inglés) para resaltar ladependencia que tiene Vo de Vi, junto con una resistencia en serie Ro que sedenomina factor de ganancia de voltaje, y que se expresa en voltios porvoltios.Observe que la fuente de entrada también se modela como un equivalenteThévenin y consiste en una fuente Vs y una resistencia en serie Rs; la carga desalida, que juega un papel pasivo, se modela sólo con la resistencia RL. F u e n te A m p d e v o lt a je C a rg aAhora obtengamos laexpresión para Vo en R s * + R o * R i R L V stérminos de Vs, al aplicar la A o c V ifórmula de divisor de * * F ig 1voltaje al punto de salida,Y obtenemos: VO = [RL/Rs+Ri]VS (1)Puede verse que cuando no hay carga (RL = ∞) se tiene que VO = AocVi, asillamamos AOC a la ganancia del circuito sin carga, o al circuito abierto. Sihacemos lo mismo al puerto de entrada, tenemos: Vi = [Ri/Rs +Ri]VS (2)
  • Al eliminar Vi y reordenar los términos, usando (1) y (2) obtenemos laganancia de la fuente a la carga Vo/Vi = [Ri/Rs+Ri ]Aoc[RL/Ro+RL] (3)Conforme camina la señal de la fuente hacia la carga, primero pasa por algode atenuación en el puerto de entrada, luego se amplifica en Aoc dentro delamplificador, y por último se atenúa en el puerto de salida. Estasatenuaciones reciben el nombre de proceso de carga. Se observa quedebido al proceso de carga |Vo/Vs|≤|Aoc|.Ejemplo: a) Un amplificador con Ri = 100 KΩ, Aoc = 100 V/V y Ro = 1 Ω esalimentado por una fuente con Rs = 25 KΩ e impulsa una carga RL = 3Ω.Calcule la ganancia, b) Repita el problema si, Rs = 50 KΩ y RL = 4Ω. Comparelas respuestas.Por lo general el proceso de carga no es deseable porque hace que laganancia dependa de la fuente de entrada particular y de la carga de salida,sin mencionar la reducción de la ganancia.Si el proceso de carga pudiera eliminarse por completo, se tendría queVo/Vi = Aoc sin que importara la fuente de entrada ni la carga de salida. Paralograr esta condición, la caida de voltaje a través de Rs y Ro debe ser cero,sin importar Rs y Ri.
  • La única forma para lograr esta condición, esto es con la exigencia de que elamplificador de voltaje tenga Ri = ∞ y Ro = 0. Por razones obvias, a unamplificador así se le llama ideal. Aunque en la práctica no puede lograrsedichas condiciones, un diseñador de amplificadores tratará de aproximarsea ellas tanto como sea posible, por medio de asegurarse de que Ri>>Rs y queR0<<RL para todas las fuentes de entrada y cargas de salida a las que seaprobable que el amplificador se vaya a conectar.Así como hay un amplificador de voltaje controlado por voltaje hay otrastres configuraciones que veremos más adelante, con sus respectivascaracterísticas y alguno de ellos es tan común como el amplificador devoltaje controlado por voltaje (VCVS).El Amplificador OperacionalEl amplificador operacional es un amplificador de voltaje con ganancia devoltaje extremadamente alta. Ejemplo el popular 741 tiene una gananciatípica de 200000. La ganancia se expresa en decibelios (dB) como 20Log200000 = 106 dB, el OP-77 de construcción más reciente tiene una gananciade 12 millones o sea 141,6 dB = 20Log(12x!06).
  • De hecho, lo que distingue a los amplificadores operacionales de todos losdemás amplificadores de voltaje es el tamaño de su ganancia. Se verá queentre más elevada sea la ganancia, es mejor, ya que un amplificadoroperacional ideal tendría una ganancia infinitamente grande. En cuantocomencemos a analizar los primeros circuitos del amplificador operacional,quedará claro el porqué se querría una ganancia grande en extremo, nodigamos infinita. V CC V n _ _ + V o + ro V o V _d V _d rd + aV d + V p + V EE (a ) (b ) F ig 2En la figura 2(a) se ve el símbolo del amplificador del amplificadoroperacional y las conexiones de energía para hacerlo funcionar. Lasentradas se identifican con los símbolos “-” y “+”, se denominan inversoray no inversora. Sus voltajes con respecto a tierra se llaman VN y VP y elvoltaje de salida como VO. La punta del triángulo del dibujo indica el flujo
  • De la señal de la entrada hacia la salida.Los amplificadores operacionales no tienen una terminal de tierra de 0 V. Latierra se establece en forma externa por medio del suministro común deenergía. Los voltajes del suministro se denotan VCC y VEE, y en general susvalores son ± 15 V, aunque como veremos son posibles otros valores. Paraminimizar la hechura de los diagramas de circuitos, es costumbre nomostrar las conexiones al suministro de energía. Sin embargo es necesarioalimentar el amplificador operacional para que éste funcione.En la figura 2(b) se muestra el circuito equivalente de un amplificadoroperacional energizado en forma apropiada. Aunque el amplificadoroperacional en si mismo no tiene una conexión a tierra, el símbolo de tierradentro del circuito equivalente, modela el suministro común de energía dela figura 2(a). El circuito equivalente incluye la resistencia diferencial deentrada rd , la ganancia de voltaje a y la resistencia de salida ro, sedenominan parámetros de lazo abierto y se simbolizan con letrasminúsculas.La diferencia VD = VP – VN (4)Se llama voltaje diferencial de entrada, y la ganancia a también se llamaganancia sin carga, porque en ausencia del proceso de carga de salida, se
  • Tiene que: Vo = aVD = a(VP – VN) (5)La ecuación (2) indica que el amplificador operacional sólo responde a ladiferencia entre los voltajes de entrada, no a sus valores individuales. Enconsecuencia, los amplificadores operacionales también se denominanamplificadores de diferencia.Si dividimos la ecuación (2) tenemos: VD = Vo/a (6)Que permite encontrar el voltaje VD que ocasiona un Vo dado. De nuevoobservamos que esta ecuación conduce sólo a la diferencia VD, no a losvalores VN y VP en si mismos. Debido a la elevada ganancia a en eldenominador VD resulta pequeño.El Amplificador operacional idealSe sabe que para minimizar el proceso de carga, un amplificador de voltajebien diseñado debe establecer una corriente insignificante (de cero en formaideal) desde la fuente de entrada, y debe presentar una resistenciadespreciable (igual a cero idealmente) a la carga de salida. Los amplificadoresoperacionales no son la excepción, por lo que se define el amplificadoroperacional ideal como un amplificador de voltaje con ganancia de lazoabierto infinita a→∞ (7)
  • Sus condiciones ideales en las terminales son: rd = ∞ (8) ro = 0 (9) iP = iN= 0 (10)Donde IP e iN son las corrientes establecidas por las entradas no inversora einversora. En la figura 3 se muestra el modelo del amplificador operacional in = 0 _ideal. > Vn + V o V _d + Vp aV d > + ip = 0 a > 0 0 F ig 3 De la ecuación (6) se observa que en el límite a → ∞ se obtiene VD → Vo/∞ = 0. Es frecuente que este resultado sea causa de confución porque lleva a la pregunta de cómo puede un amplificador con una entrada igual a cero sostener una salida distinta de cero? La respuesta es que conforme a → ∞, VD → 0, pero en forma tal que el producto aVD se conserve diferente de cero e igual a Vo.
  • Los amplificadores operacionales en la vida real se apartan algo del ideal,por lo que el modelo de la figura 3 es sólo un concepto. Pero durante estainiciación en el tema de los circuitos amplificadores operacionales, se usaráeste modelo porque evita la preocupación acerca de los efectos del procesode carga. Por lo que es posible centrarse sólo en el papel del amplificadoroperacional. Una vez que se han obtenido conocimientos y confianzasuficiente, se debe dar marcha atrás y usar el modelo más realista que semuestra en la figura 2(b), para garantizar la validez de los resultados. Sedescubrirá que lo resultados que se obtienen con los modelo ideal y de lavida real, están más en concordancia de lo que se esperaría, con lo que secorrobora que el modelo ideal, aunque sea un concepto, después de todono es una curiosidad académica.
  • Amplificador Operacional Ideal• Resistencia de entrada Rin → ∞• Resistencia de salida RO = 0• Ganancia de voltaje en malla abierta AOL → ∞• Respuesta de frecuencia Bw → ∞• Corriente de polarización de entrada Iin = 0• Corriente de offset de entrada Iin(offset) = 0• Voltaje de offset de entrada Vin(offset) = 0• Relación de rechazo al modo común RRMC → ∞
  • Amplificador Operacional Real• Datos del integrado LM471• Resistencia de entrada Rin = 2MΩ• Resistencia de salida RO = 75Ω• Ganancia de voltaje en malla abierta AOL = 100.000• Respuesta de frecuencia Bw = 1 Mhz• Corriente de polarización de entrada Iin = 80 nA• Corriente de offset de entrada Iin(offset) = 20 nA• Voltaje de offset de entrada Vin(offset) = 2 mV• Relación de rechazo al modo común RRMC = 90 dB
  • Amplificador Operacional Ideal • Dibujo básico V CC • (+) Entrada inversora • (-) Entrada no inversora V n _ + V o • Vo Salida V _d • +Vcc alimentación + V p positiva. V EE • - VEE alimentación negativa.
  • Circuito Equivalente Básico • El amplificador operacional ideal se _ represente por una ro Vo fuente de voltajeVn + controlada por voltaje Vd rd + (vcvs) donde Rin (rd) esVp _ aV d infinita y Rout (ro) es cero. + • En uno real Rin = 2MΩ, • Rout = 75Ω y AOL(V1 - V2)
  • Características comparativas Características Símbolo Ideal LM741C LF157AGanancia de voltaje en lazo abierto AOL Infinito 100.000 200.000Frecuencia de ganancia unidad funidad Infinito 1 Mhz 20 MhzResistencia de entrada Rin Infinito 2 MΩ 1012 ΩResistencia de salida Cero 75 Ω 100 Ω RoutCorriente de polarización de entrada Cero 80 nA 30 pA Iin(polarizaciónCorriente de offset de entrada Cero 20 nA 3 pAVoltaje de offset de entrada ) Cero 2mV 1mVRelación de rechazo al modo común Iin(offset) Infinito 90 dB 100 dB Vin(offset) RRMC