EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL José Fco. López Feliciano – Sebastián López Suárez Instituto Universitario de Microelectrónica Aplicada Campus Universitario de Tafira Tfno.: 928.451247 e-mail: lopez@iuma.ulpgc.es

Temario El Amplificador Operacional ideal Circuitos con AOs ideales Configuración no inversora Ejemplos de circuitos con AOs Amplificadores de instrumentación Efectos de segundo orden en AOs Interpretación de una hoja de especificaciones: el A741

El Amplificador Operacional Ideal VCC VTT  Ganancia de tensión INFINITA  Resistencia de entrada INFINITA  Resistencia de salida NULA Vo=A(V2-V1) El AO responde sólo a diferencia de tensiones en la entrada (el rechazo en modo común ideal tiende a infinito) El AO ideal tiene una ganancia A que se mantiene constante desde frecuencias DC hasta infinito

El Amplificador Operacional Ideal Debido a que A tiende a infinito, siempre se podrá considerar que VA=VB. Esta suposición sólo se podrá aplicar cuando tratamos con realimentación negativa. Principio de tierra virtual i0  0 i0  V1= V2 i1= i2=0

Circuitos con AOs ideales Configuración inversora i2 A B C i1

Circuitos con AOs ideales Configuración inversora La ganancia del amplificador realimentado sólo depende del cociente de las dos resistencias y por lo tanto es una ganancia muy estable y fácilmente controlable.

Circuitos con AOs ideales Configuración inversora La tensión v1 en la entrada del operacional será v1=-(v2/A). Si A tiende a infinito y v2 es finita, v1=0. Principio de tierra virtual.

Circuitos con AOs ideales Configuración inversora La impedancia de entrada de este circuito es R1.

Circuitos con AOs ideales Configuración inversora Si se sustituye R1 y R2 por dos impedancias cualquiera Z1 y Z2, se puede generalizar la expresión de V2 a:.

Configuración no inversora Caso particular: R1= y R2=0 V2=V1

Ejemplo 1 Obtener una expresión para la ganancia en lazo cerrado (vo/vi) del siguiente circuito. Usar el circuito como un amplificador inversor con una ganancia igual a 100 y una resistencia de entrada de 1 M suponiendo que no se pueden utilizar resistencias superiores al M. v1 vX i2 i4 i3 i1

Ejemplos de circuitos con AOs Integrador VC=0 en t=0 Si en t=0 tenemos VC: constante de tiempo de integración

Ejemplos de circuitos con AOs Integrador positivo vA vB i2 i1 iC

Ejemplos de circuitos con AOs Diferenciador Z2=R Z1=1/(sC)

Ejemplos de circuitos con AOs Sumador i1 i2 i3 iN io

Ejemplos de circuitos con AOs Amplificador diferencial V2=0 V1=0 Principio de superposición con R2/R1=R4/R3

Ejemplo 2 R1= R2= R3= R6=6K R4=24K R5=12K R7=4K R8=2K Determinar la tensión de salida en función de las tensiones de entrada para el siguiente circuito. V1 V2 R1= R2= R3= R6=6K R4=24K R5=12K R7=4K R8=2K

Ejemplo 3 Diseñar un circuito capaz de resolver la ecuación diferencial que da el desplazamiento de un móvil de masa m sometido a una fuerza exterior f(t) y a la acción de una fuerza elástica y a un rozamiento. 

Ejemplos de circuitos con AOs Amplificador logarítmico

Ejemplo 4 Usar el principio de superposición para calcular vo en función de v1, v2 y v3.

Amplificadores de Instrumentación SENSOR Transductor Acondicionador de señal

Amplificadores de Instrumentación SENSOR Transductor Acondicionador de señal Desventajas: Baja resistencia de entrada Su ganancia no se puede variar fácilmente

Amplificadores de Instrumentación Amplificador diferencial Vo1 Vo2 Principio de tierra virtual

Amplificadores de Instrumentación Vo1 Vo2 V1 V2

Amplificadores de Instrumentación Vo1 Vo2 V1 V2

Efectos de segundo orden en AOs Ganancia finita en lazo abierto Respuesta en frecuencia y ancho de banda Corriente de polarización de entrada Corriente de desvío de entrada Voltaje de desvío de entrada Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) Resistencia de entrada Resistencia de salida Rapidez de respuesta (slew rate)

Efectos de segundo orden en AOs Ganancia finita en lazo abierto Respuesta en frecuencia y ancho de banda Corriente de polarización de entrada Corriente de desvío de entrada Voltaje de desvío de entrada Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) Resistencia de entrada Resistencia de salida Rapidez de respuesta (slew rate) La ganancia diferencial de un AO no es infinita, sino que es finita y decrece con la frecuencia

Efectos de segundo orden en AOs Ganancia finita en lazo abierto Respuesta en frecuencia y ancho de banda Corriente de polarización de entrada Corriente de desvío de entrada Voltaje de desvío de entrada Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) Resistencia de entrada Resistencia de salida Rapidez de respuesta (slew rate) Se debe a las capacidades asociadas con los dispositivos que forman el AO

Efectos de segundo orden en AOs -20 dB/decada o -6 dB/octava Esta caída se puede mejorar añadiendo una capacidad denominada “capacidad de compensación”

Efectos de segundo orden en AOs -20 dB/decada o -6 dB/octava Ancho de banda de ganancia unitaria

Efectos de segundo orden en AOs -20 dB/decada o -6 dB/octava La ganancia A(s) se puede expresar como:  Si w>>wb:  ancho de banda de ganancia unidad o producto ganacia ancho de banda

Efectos de segundo orden en AOs -20 dB/decada o -6 dB/octava  Así pues, conociendo ft se puede estimar el módulo de la ganancia a cualquier frecuencia

Efectos de segundo orden en AOs Ganancia finita en lazo abierto Respuesta en frecuencia y ancho de banda Corriente de polarización de entrada Corriente de desvío de entrada Voltaje de desvío de entrada Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) Resistencia de entrada Resistencia de salida Rapidez de respuesta (slew rate) La presencia de estas corrientes desvían el funcionamiento del AO de su comportamiento ideal

Efectos de segundo orden en AOs IB1 IB2 BJT JFET MOS IB 10-100 nA 1-10 pA <0.001 pA

Efectos de segundo orden en AOs Ganancia finita en lazo abierto Respuesta en frecuencia y ancho de banda Corriente de polarización de entrada Corriente de desvío de entrada Voltaje de desvío de entrada Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) Resistencia de entrada Resistencia de salida Rapidez de respuesta (slew rate)

Efectos de segundo orden en AOs Las dos corrientes de polarización serán iguales sólo si ambos transistores tienen igual  IOS=IB1-IB2 Corriente de desvío de entrada IB1 IB2 Ipolar=(IB1+IB2)/2

Efectos de segundo orden en AOs I2 VA IB I1 Este término puede ser importante si R2 es muy grande  Si A, VA=0

Efectos de segundo orden en AOs IB VA VB Si R=R1||R2  ¿Y si IB1IB2?

Efectos de segundo orden en AOs Ganancia finita en lazo abierto Respuesta en frecuencia y ancho de banda Corriente de polarización de entrada Corriente de desvío de entrada Voltaje de desvío de entrada Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) Resistencia de entrada Resistencia de salida Rapidez de respuesta (slew rate) Si las dos terminales de entrada se conectan entre sí, en un caso práctico se obtiene una componente en DC

Efectos de segundo orden en AOs La salida se puede hacer nula conectando una fuente de alimentación DC entre las dos entradas del AO

Efectos de segundo orden en AOs Ganancia finita en lazo abierto Respuesta en frecuencia y ancho de banda Corriente de polarización de entrada Corriente de desvío de entrada Voltaje de desvío de entrada Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) Resistencia de entrada Resistencia de salida Rapidez de respuesta (slew rate) El AO ideal responde únicamente a la diferencia de tensiones aplicadas a sus entradas. Esto no ocurre con el amplificador real.

Efectos de segundo orden en AOs Vd=VA-VB  Vo=AdVd-AcVc Vc=(VA+VB)/2 El CMRR es función de la frecuencia y decrece con ella

Efectos de segundo orden en AOs Ganancia finita en lazo abierto Respuesta en frecuencia y ancho de banda Corriente de polarización de entrada Corriente de desvío de entrada Voltaje de desvío de entrada Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) Resistencia de entrada Resistencia de salida Rapidez de respuesta (slew rate)

Efectos de segundo orden en AOs Ganancia finita en lazo abierto Respuesta en frecuencia y ancho de banda Corriente de polarización de entrada Corriente de desvío de entrada Voltaje de desvío de entrada Razón de Rechazo en Modo Común (CMRR) Resistencia de entrada Resistencia de salida Rapidez de respuesta (slew rate)

Efectos de segundo orden en AOs

El A741 PARÁMETROS A741 Ganancia lazo abierto 2105 Zi 2 M Zo 75  Vpp (Vcc=±15) 28 V VOS 5 mV IB 80 nA IOS 20 nA CMRR 90 dB wT 2106 rad/s