Circuitos eléctricos I OPAMP`s M. C. Jesús Alberto Basurto Hurtado.

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1 Circuitos eléctricos I OPAMP`s M. C. Jesús Alberto Basurto Hurtado

2 Circuitos integrados lineales: Amplificador operacional El amplificador operacional es un dispositivo electrónico de mayor uso y versatilidad en aplicaciones lineales, conocido en ingles como “op amp”. Gran popularidad por su bajo costo. Construcción de circuitos útiles sin conocer la complejidad de la circuitería interna.

3 Bosquejo histórico George Philbrick intervino en el diseño de un amplificador operacional con un solo tubo de vacío y lo introdujo al mercado en 1948. Los primeros amplificadores operacionales servían para construir circuitos capaces de sumar, restar, multiplicar e incluso resolver ecuaciones diferenciales. Aplicación en las computadoras analógicas. Estas computadoras poco exactas, máximo 3 cifras significativas.

4 Nacimiento y desarrollo del amplificador operacional de circuito integrado Fairchild entre 1964 y 1967 desarrolló los amplificadores operacionales en circuitos integrados 702, 709, 741; Mientras que National Semiconductor introdujo el 101/301. Tamaño pequeño y bajo costo -> Revolucionaron algunas áreas de la electrónica. Redujeron drásticamente el trabajo de diseño de circuitos.

5 Amplificador con transistores-> Amplificador operacional con un arreglo de resistencias. Los circuitos que pueden realizarse con uno o dos amplificadores operacionales y unos pocos componentes incluyen la generación de señales (osciladores), acondicionamiento de señales, temporizadores, detección de nivel de voltaje, modulación, etc. Nacimiento y desarrollo del amplificador operacional de circuito integrado

6 Progreso en el desarrollo de los amplificadores operacionales Transistores de unión bipolar ->Sustituidos por transistores de efecto de campo y por transistores MOS. Invención de los encapsulados de doble y cuádruple amplificador. En el mismo encapsulado de 14 terminales los diseñadores fabrican cuatro individuales, compartiendo la misma fuente de poder. El LM324 es un ejemplo muy conocido de éstos.

7 Amplificador operacional El op amp es un dispositivo electrónico que se comporta como una fuente de voltaje controlada por voltaje. Un op amp puede sumar, restar, multiplicar e integrar señales, debido a la habilidad de realizar estas operaciones matemáticas es llamado amplificador operacional. Un op amp es un dispositivo que consiste en un arreglo de resistencias, transistores, capacitores y diodos.

8 Circuito equivalente de un amplificador operacional 741

9 El amplificador operacional de uso general 741 El símbolo del amplificador operacional que se da en la figura es un triangulo que apunta en la dirección del flujo de la señal. Todos los amplificadores operacionales cuentan con al menos 5 terminales.

10 La alimentación de un op amp es la mostrada en la figura de la derecha. Modelo del circuito equivalente de un op amp. La sección de salida es una fuente de voltaje controlada por voltaje en serie con la resistencia de salida. El voltaje diferencial de entrada esta dado por:

11 A es la ganancia de voltaje en lazo abierto. En la tabla se muestra algunos rangos típicos para algunos amplificadores comerciales.

12 Una limitación practica de los op amp es que la magnitud del voltaje de salida no puede exceder el voltaje de alimentación |V cc |, es decir, el voltaje de salida depende y esta limitado por el voltaje de alimentación.

13 Como identificar o especificar un amplificador operacional Cada tipo de amplificador operacional tiene un código de identificación de letra y número. Este código responde 4 preguntas: 1. ¿Qué tipo de amplificador es? 741 2. ¿Quién lo fabrica? National Semiconductor 3. ¿De qué calidad es? Intervalo garantizado de temperatura ¿Qué clase de encapsulado contiene al chip del amplificador operacional? DIP de plástico

14 No todos los fabricantes utilizan el mismo código, pero la mayoría se basa en un código que consta de estas 4 partes: (1) prefijo de letras, (2) número del circuito, (3) sufijo de letras y (4) código de especificación militar. Prefijo de letras: 2 LETRAS ->Fabricante

15 Número del circuito: Se compone de 3 a 7 números y letras que identifican el amplificador operacional y su intervalo de temperatura. Por ejemplo: 741C 741: es el numero del amplificador operacional C: Designa los limites de temperatura Los tres códigos de temperatura son: C: comercial, 0 a 70ºC I: industrial, -25 a 85ºC M: militar, -55 a 125ºC

16 Sufijo de letras: El sufijo de una o dos letras identifica el tipo de encapsulado que contiene al chip del op amp. Se muestran los tres códigos de sufijos mas comunes de los encapsulados.

17 Ejercicio A 741 op amp has an open-loop voltage gain of 2×10 5, input resistance of 2 MΩ, and output resistance of 50 Ω. The op amp is used in the circuit of Figure. Find the closed-loop gain v o /v s. Determine current i when v s = 2 V.

18 Ejercicio de practica If the same 741 op amp in the previous example is used in the circuit of Figure, calculate the closed-loop gain v o /v s. Find i o when v s = 1 V.

19 OP AMP Ideal Facilitar la comprensión y manejo de los circuitos de amplificadores operacionales, asumiremos amplificadores operacionales ideales. Un amplificador operacional es ideal si tiene las siguientes características: 1.Ganancia de lazo abierta infinita, 2.Resistencia de entrada infinita, 3.Resistencia de salida cero,

20 Aunque el asumir los op amp ideales proporciona sólo un análisis aproximado, la mayoría de los amplificadores más modernos tienen esas grandes ganancias e impedancias de entrada por lo cual el análisis aproximado es bueno. A menos que se indique lo contrario, vamos a suponer a partir de ahora que cada amplificador operacional es ideal. OP AMP Ideal

21 Para el análisis de circuitos, el op amp ideal se ilustra como en la figura: Dos características importantes del op amp ideal son: 1) 2)

22 Ejercicio de practica If the same 741 op amp in Example 5.1 is used in the circuit of Figure, calculate the closed-loop gain v o /v s. Find i o when v s = 1 V. Use the ideal op amp model.

23 Amplificador inversor Un amplificador inversor cambia la polaridad de la señal de entrada mientras que la amplifica.

24 Un amplificador no inversor es un circuito op amp utilizado para proporcionar una ganancia de voltaje positiva. Amplificador NO inversor

25 Seguidor de voltaje Un seguidor de voltaje se puede utilizar para aislar 2 etapas o fases de un circuito

26 Amplificador sumador Es un op amp que combina diversas señales y produce una salida equivalente a la suma de las entradas.

27 Amplificador restador Es un dispositivo que amplifica la diferencia entre dos entradas pero rechaza algunas señales comunes en las dos entradas.

28 Example An instrumentation amplifier shown in Fig. 5.26 is an amplifier of lowlevel signals used in process control or measurement applications and commercially available in single-package units. Show that

29 Instrumentation Amplifiers

30 Circuitos de Op amp en cascada

31 Digital-to-Analog Converter

32 E X A M P L E In the op amp circuit of Fig. 5.35(b), let Rf = 10 k, R1 = 10 k, R2 = 20 k, R3 = 40 k, and R4 = 80 k. Obtain the analog output for binary inputs [0000], [0001], [0010],..., [1111].

33 Detector no inversor de cruce por cero (a) No inversor: cuando E i esté arriba de V ref, V o =+V sat Los Opamp pueden operar como comparadores. Su entrada (+) compara el voltaje E i, con un voltaje de referencia de 0V. Cuando E i es mayor que el V ref, V o =+V sat. Esto se debe a que el voltaje en la entrada (+) es más positivo que el voltaje en la entrada (-).

34 Detector inversor de cruce por cero La entrada (-) del amplificador operacional compara E i con un voltaje de referencia de 0V. Cuando E i es menor que el V ref, V o =+V sat. Esto se debe a que el voltaje en la entrada (+) es más positivo que el voltaje en la entrada (-).