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TECNM CAMPUS TIZIMIN
DOCENTE:
M.P MIGUEL ANGEL PERERA COLLI
ALUMNA:
I. CHICLIN PALOMO LAURA ANAHI
SISTEMA ELECTRÓNICOS PARA INFORMÁTICA
GRUPO: “B” 3° SEMESTRE
ING. INFORMATICA
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Análisis de Circuitos de Amplificadores Operacionales: Diferencial vs. Común, Apuntes de Sistemas de Negocio
Las dos aproximaciones básicas para analizar circuitos de amplificadores operacionales cuando hay una reálimentación negativa. Se discuten las características de la alimentación, la distribución de terminales, la respuesta del amplificador a las tensiones de entrada y la ganancia del circuito. Además, se presentan los conceptos de sumador inversor y divisor de tensión, y se comparan las configuraciones diferencial y común.
Tipo: Apuntes
2019/2020
1 / 44
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TECNM CAMPUS TIZIMIN
DOCENTE:
M.P MIGUEL ANGEL PERERA COLLI
ALUMNA:
I. CHICLIN PALOMO LAURA ANAHI
SISTEMA ELECTRÓNICOS PARA INFORMÁTICA
GRUPO : “B” 3° SEMESTRE
ING. INFORMATICA
I. INDICE Origen del Amplificador Operacional................................................................................................. 2 Esquemas y Configuraciones Externas............................................................................................... 3 Configuración Interna de un Amplificador Operacional..................................................................... 5 Amplificador Operacional Ideal.......................................................................................................... 5 Amplificador Operacional Real........................................................................................................... 7 Amplificador Inversor......................................................................................................................... 7 Configuraciones Basadas en los Circuitos Inversor y No Inversor................................................. 12 amplificador sumador inversor........................................................................................................ 14 AMPLIFICADOR SUMADOR NO INVERSOR....................................................................................... 15 AMPLIFICADOR INTEGRADOR.......................................................................................................... 16 AMPLIFICADOR DIFERENCIADOR...................................................................................................... 20 Amplificador de Ganancia constante................................................................................................ 26 RESUMEN..................................................................................................................................... 32 AMPLIFICADOR SUMADOR NO INVERSOR.................................................................................... 38 AMPLIFICADOR INTEGRADOR.......................................................................................................... 39 Oscilación eléctrica....................................................................................................................... 42 BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................................... 43
Origen del Amplificador Operacional.
El concepto del amplificador operacional procede del campo de los computadores analógicos, en los que comenzaron a usarse técnicas operacionales en una época tan temprana como en los años 40. El nombre del amplificador operacional deriva del concepto de un amplificador de (amplificador acoplado en continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas características de operación estaban determinadas por los elementos de realimentación utilizados. Cambiando los tipos y disposición de los elementos de realimentación, podían implementarse diferentes operaciones analógicas; en gran medida, las características globales del circuito estaban determinadas solo por estos elementos de realimentación.
V-: Entrada Inversora Vout: Salida Vs+: Alimentación positiva Vs-: Alimentación negativa. Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por razones de claridad. Lazo Abierto: Si no existe realimentación, la salida del AO será la resta de sus 2 entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100000 (que se considera infinito en cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las 2 tensiones es de 1mV la salida debería de ser 100V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el AO estará saturado si se da este caso. Si la tensión más alta es la aplicada a la Terminal positiva la salida será la que corresponde a la alimentación Vs+, mientras que si la tensión más alta es la de la Terminal negativa la salida será la alimentación Vs- Lazo Cerrado: Se conoce como lazo a la retroalimentación en un circuito. Aquí se supondrá realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las 2 entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la Terminal positiva sube y por lo tanto la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la Terminal negativa, la tensión en esta Terminal también se eleva, por tanto la diferencia entre las 2 entradas se reduce, disminuyéndose también la salida este proceso pronto se estabiliza y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las 2 entradas, idealmente con el mismo valor. Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas 2 aproximaciones para analizar el circuito: V+ = V- I+ = I- = 0 Alimentación: El amplificador operacional puede ser polarizado, tanto con tensiones simples como con tensiones simétricas, si utilizamos tensiones simples, a la salida no podremos conseguir valores menores de 0V. El valor de estas tensiones no suele ser fijo, dando los fabricantes un margen entre un máximo y un mínimo, no teniendo ninguna consecuencia en el funcionamiento del amplificador el valor de tensión que se escoja, únicamente las tensiones de salida nunca superaran las tensiones de alimentación.
Configuración Interna de un Amplificador Operacional.
Internamente el AO contiene un gran número de transistores, resistores, capacitares, etc. Hay varios tipos de presentaciones de los amplificadores operacionales, como el paquete dual en línea (DIP) de 8 pines o terminales. Para saber cuál es el pin 1, se ubica una muesca entre los pines 1 y 8, siendo el numero 1 el pin que está a la izquierda de una muesca cuando se pone integrado. La distribución de los terminales del amplificador operacional integrado DIP de 8 pines es:
- Pin 2: entrada inversora (-)
- Pin 3: Entrada no inversora (+)
- Pin 6: Salida (auto) Para alimentar un amplificador operacional se utilizan 2 fuentes de tensión:
- Una positiva conectada al Pin 7
- Una negativa conectada al Pin 4 También existe otra presentación con 14 pines, en algunos casos no hay muesca, pero hay un circuito pequeño cerca del Pin número 1. Esquema de la configuración interna del Amplificador Operacional:
Amplificador Operacional Ideal
A continuación, se muestra un esquema del amplificador operacional ideal:
4.- El ancho de banda es infinito: BW = ∞ 5.- La tensión offset de entrada es 0: V0 = 0 Si Vd. = 0 A partir de estas características del AO, podemos deducir otras 2 importantes propiedades adicionales. Puesto que, la ganancia de tensión es infinita, cualquier señal de salida que se desarrolle será el resultado de una señal de entrada infinitesimalmente pequeña Luego, en resumen: La tensión de entrada diferencial es nula. También, si la resistencia de entrada es infinita. No existe flujo de corriente en ninguno de los termínales de entrada. Estas dos propiedades pueden considerarse como axiomas, y se emplearan repetidamente en el análisis y diseño del circuito del AO. Una vez entendidas estas propiedades, se puede, lógicamente, deducir el funcionamiento de casi todos los circuitos amplificadores operacionales
Amplificador Operacional Real.
Un amplificador operacional real difiere del comportamiento ideal en 2 aspectos: consume intensidades en sus entradas, e introduce errores en la comparación de las señales de entrada. En la siguiente figura se muestra le circuito interno de un amplificador operacional típico. En este caso se considere el amplificador AD741: Aplicaciones:
Amplificador Inversor
La configuración más sencilla es la inversora. Dada una señal analógica (por ejemplo de audio) el amplificador inversor constituye el modo más simple de amplificar o atenuar la señal (en el ejemplo propuesto modificar el volumen de la señal) Ejemplo:
A continuación, montaremos paso a paso un amplificador inversor y para entenderlo paso a paso. Partimos de nuestro amplificador operacional: Ahora le vamos a añadir una resistencia R1 desde la entrada + a masa: Tienes que recordar que la corriente que entra por cualquiera de las dos entradas del operacional es cero, por lo tanto, no circulará corriente por R1 y la tensión en la entrada + será 0 (V=IR1=0R1=0). Es lo mismo que si conectáramos la entrada
- a masa directamente, pero se pone una resistencia porque el circuito trabaja mejor. A continuación, le ponemos la realimentación negativa mediante una resistencia R2:
con la salida. Primero haya la expresión de la corriente de entrada I1. Para ello tienes que tener en cuenta la tensión a la que está sometida R3. Que será Vin- 0=Van. Siempre la tensión en una resistencia vendrá dada según la dirección en que pintemos la corriente, y será: la tensión del lado de la resistencia por donde entra la corriente menos la tensión del lado de la resistencia por donde sale. Por lo tanto, según la ecuación: Van = I1 * R I1 =Van / R Si observamos la figura y recordamos que por la entrada del operacional no iba corriente alguna llegamos a la conclusión de que I2 = I1, así que calcularemos de la misma forma I2 y la igualaremos a I1. Según esto escribiremos: 0 - Vout = I2 * R
**- Vout = I2 * R I2 =- Vout / R Igualando I2 = I1: I2 = I
- Vout / R2 = Van / R
- Vout = Van * (R2 / R3) Vout = -Van * (R2 / R3)** Según la expresión obtenida llegamos a la conclusión de que la tensión de salida Vout es la de entrada cambiada de signo y multiplicado por una constante (R2/R3). A esto se le llama ganancia del circuito. Este circuito tiene una ganancia (Av.) negativa de -(R2/R3) y por lo tanto podemos escribir que: Vout = Av. * Van Amplificador no Inversor: Este circuito presenta como característica más destacable su capacidad para mantener la fase de una señal, el análisis se realiza de forma análoga al anterior. Ejemplo:
En este tipo de amplificador, a diferencia del inversor, la entrada Vi entrará directamente por la entrada no inversora del amplificador operacional (entrada +): A continuación, pondremos la realimentación negativa por medio de la resistencia R1: Para terminar el circuito añadimos la resistencia R3 de la forma siguiente: Ahora vamos a hallar la relación entra la salida y la entrada. Recuerda una vez más que las tensiones en la entrada no inversora y la entrada inversora son iguales y que la corriente de entrada al operacional es cero, por lo tanto, I1 es igual a I2. Así que no tenemos más que calcular las dos por separado y luego igualarlas:
y como V (-) = V (+) La tensión de salida debida a V1 (suponiendo V2 = 0) valdrá: Y la salida debida a V2 (suponiendo V1 = 0) será, usando la ecuación de la ganancia para el circuito inversor, V Y dado que, aplicando el teorema de la superposición la tensión de salida V0 = V01 + V02 y haciendo que R3 sea igual a R1 y R4 igual a R2 tendremos que: Por lo que concluiremos Que expresando en términos de ganancia: Que es la ganancia de la etapa para señales en modo diferencial Esta configuración es única porque puede rechazar una señal común a ambas entradas. Esto se debe a la propiedad de tensión de entrada diferencial nula, que se explica a continuación. En el caso de que las señales V1 y V2 sean idénticas, el análisis es sencillo. V1 se dividirá entre R1 y R2, apareciendo una menor tensión V (+) en R2. Debido a la ganancia infinita del amplificador, y a la tensión de entrada diferencial cero, una tensión igual V (-) debe aparecer en el nudo suma (-). Puesto que la red de resistencias R3 y R4 es igual a la red R1 y R2, y se aplica la misma tensión a ambos terminales de entrada, se concluye que Vo debe estar a potencial nulo para que V (-) se mantenga igual a V (+); Vo estará al mismo potencial que R2, el cual, de hecho, está a masa. Esta muy útil propiedad del amplificador diferencial, puede utilizarse para discriminar componentes de ruido en modo común no deseables,
mientras que se amplifican las señales que aparecen de forma diferencial. Si se cumple la relación La ganancia para señales en modo común es cero, puesto que, por definición, el amplificador no tiene ganancia cuando se aplican señales iguales a ambas entradas. Las dos impedancias de entrada de la etapa son distintas. Para la entrada (+), la impedancia de entrada es R1 + R2. La impedancia para la entrada (-) es R3. La impedancia de entrada diferencial (para una fuente flotante) es la impedancia entre las entradas, es decir, R1+R3.
amplificador sumador inversor
Utilizando la característica de tierra virtual en el nudo suma (-) del amplificador inversor, se obtiene una útil modificación, el sumador inversor, figura En este circuito, como en el amplificador inversor, la tensión V (+) está conectada a masa, por lo que la tensión V (-) estará a una masa virtual, y como la impedancia de entrada es infinita toda la corriente I1 circulará a través de RF y la llamaremos I2. Lo que ocurre en este caso es que la corriente I1 es la suma algebraica de las corrientes proporcionadas por V1, V2 y V3, es decir: Y también Como I1 = I2 concluiremos que:
Si igualamos las dos expresiones de VE: La expresión final de Vo se puede simplificar para el supuesto de que el valor en paralelo de R1 y R2 sea igual al valor en paralelo de R3 y R4.
AMPLIFICADOR INTEGRADOR
Un circuito integrador realiza un proceso de suma llamado "integración". La tensión de salida del circuito integrador es proporcional al área bajo la curva de entrada (onda de entrada), para cualquier instante. Integrador con un amplificador operacional En el siguiente gráfico se puede ver una señal de entrada (línea recta) de 3 voltios que se mantiene continuo con el pasar del tiempo. Onda de entrada En el siguiente gráfico se muestra que el área bajo la curva en un momento cualquiera es igual al valor de la entrada multiplicado por el tiempo. Sal = Venta x t
Onda de salida Por ejemplo: al terminar el primer segundo, el área bajo la curva es Venta x t = 3 x 1 = 3 al terminar el siguiente segundo, el área bajo la curva es Venta x t = 3 x 2 = al terminar el tercer segundo, el área bajo la curva es Venta x t = 3 x 3 = 9 al terminar el cuarto segundo, el área bajo la curva es Venta x t = 3 x 4 = 12 Dando los valores de R = 1 MΩ y C = 1 u al primer gráfico, el valor de la tensión de salida es: Sal = - (1 / RC) x Venta x t. La ganancia de este amplificador en este caso es: -1 / (1 x 106 x 1 x 10-
- = -1, y el signo negativo se debe a que el amplificador operacional está configurado como amplificador inversor Así: al terminar el primer segundo, Sal = - Venta x t = - 3 x 1 = - 3 al terminar el siguiente segundo, Sal = - Venta x t = - 3 x 2 = - 6 al terminar el tercer segundo, Sal = Venta x t = - 3 x 3 = - 9 al terminar el cuarto segundo, Sal =Venta x t = - 3 x 4 = - 12 Esta tensión de salida no crece indefinidamente (en sentido negativo). Hay un momento, como se puede ver el último gráfico en que esta línea se mantiene a un valor constante. Esto sucede cuando el amplificador llega a su tensión de saturación. Si a un integrador se le mantiene la entrada a un nivel de corriente continua constante, por un largo periodo de tiempo, este llegará a saturación. Observando las siguientes figuras se puede ver que si la onda de entrad es cuadrada, el área acumulada y la forma de onda de la salida serán.
En este caso el área acumulada inicia con un valor negativo debido a la parte de la señal de entrada (Venta) que existe entre -90 y 0°. De 0° a 90° el área acumulada es positiva. Esta área se resta del área negativa previa hasta cancelarse cuando se llega a los 90°. Después el área acumulada vuelve a crecer hasta llegar a los 180°. Después de los 180° la entrada empieza a disminuir y esto causa que también empiece a disminuir el área acumulada. La forma de onda de la salida es invertida a la del área acumulada debido a que la entrada de la señal se hace en la entrada inversora Matemáticamente:
- Área acumulada = -VP cos tú
- Salida invertida = Sal = VP cos tú Con la tensión pico de salida = VP = (1 / RC) Venta La tensión de salida será: Sal = (1 / RC) Venta cos tú Para ello definimos un integrador ideal que vienen dado de la siguiente manera: Integrador ideal Integra e invierte la señal (Van y Vout son funciones dependientes del tiempo)
Inicial es la tensión de salida en el origen de tiempos (t = 0) Este circuito también se usa como filtro
AMPLIFICADOR DIFERENCIADOR
Se trata de un circuito constituido por una capacidad C y una Resistencia R (Circuito RC), el cual actúa como un filtro pasivo para altas frecuencias, debido a que no intervienen elementos amplificadores, como transistores o circuitos integrados, este tipo de filtro atenúa bajas frecuencias según la formula empírica. Este Circuito se utiliza para detectar flancos de subida y bajada de una señal provocando una mayor diferenciación en los flancos de entrada y salida de la señal que, es donde la variación con el tiempo (t) se hace más notoria. Estas zonas de la señal son además las que corresponden a las altas frecuencias, mientras que las zonas planas están compuestas por frecuencias más bajas. Este tipo de circuitos son más conocidos como filtro RC pasivo pasa alto que, se utiliza para las frecuencias superiores al valor especificado por la formula anterior. Desde para perspectiva este circuito, separa la corriente continua entre circuitos ya que el condensador interrumpe el paso de la corriente continua, dejando pasar solo el pulso correspondiente al flanco de entrada y salida. La señal derivada puede utilizarse para disparar algún otro componente de la cadena electrónica como puede ser un trigo (disparador). Que ocurre cuando se aplica a un tren de impulsos de entrada de este circuito. Cuando un pulso de tensión, se eleva de repente de cero a máximo, la corriente que carga al condensador C, de repente se eleva a un valor máximo también. En la medida que se carga C, la carga de corriente se cae exponencialmente a cero. Ya que esta corriente de carga pasas por la resistencia R, el voltaje a través de las R (que es el voltaje de salida) hace lo mismo. Por consiguiente, nosotros conseguimos la forma mostrada, con el voltaje de salida que sube de repente al máximo y a continuación caerse exponencialmente entonces a cero. Cuando el pulso se cae a cero, se produce la descarga del condensador C. La corriente de descarga es alta en la salida y entonces se cae exponencialmente a cero como la descarga del condensador C. Sin embargo, dado que la corriente de descarga, esta en oposición a la dirección de la carga actual, el voltaje por R se invertirá, con lo que la forma de onda se muestra ahora por debajo de la línea cero. Para cada pulso, la forma de onda de salida se repite, mostrando la forma siguiente: