Transcript AMPLIFICADORES OPERACIONALES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL
CONTROLES ELECTRICOS Y AUTOMATIZACION
EE - 621
AMPLIFICADORES
OPERACIONALES
TEMAS
Introducción,
AMPLIFICADORES
OPERACIONALES
Conceptos básicos del OPAM
Encapsulado:
Inserción
SMD
Introducción
• Circuito integrado de bajo coste
• Multitud de aplicaciones
• Mínimo número de componentes discretos necesarios:
» Resistencias
» condensadores.
• Aplicaciones:
Cálculo analógico
Convertidores V-I e I-V
Amplificadores Instrumentación
Filtros Activos
Conceptos básicos del OPAM
+Vcc
+
Vcc
-Vcc
Vcc
Tensión de salida V0 acotada
-Vcc ≤ Vo ≤ +Vcc
AMPLIFICADOR OPERACIONAL AMP OP
-
+
e
+
e

+
+
e-

+
eo
-
Entrada inversora
Entrada no inversora
Tensiones en el amp op, e+ y e- son tensiones de entrada, y
eo es la tensión de salida
CARACTERISTICAS IDEALES DEL AMP OP
-
+
K
e

+
-
e-
e

+
+
eo
-

El voltaje entre las terminales + y – vale cero (tierra virtual o corto virtual)
virtual
La corriente entre + y – vale cero = Impedancia de entrada infinita.
La impedancia de salida vale cero.
Tiene una ganancia K que tiende a infinito.
eo
K 
e  e
¿Por qué es tan importante el AMP OP?
-
+
K
e

+
-
e-

+
+
eo
-
El AMP OP ofrece una forma conveniente de construir, implantar o realizar
funciones de transferencia en el dominio de s o en el dominio del tiempo.
En sistemas de control se emplean a menudo para implantar
controladores obtenidos del proceso de diseño del sistema de control.
Con el AMP OP es posible obtener funciones de transferencia de primer
orden o de orden superior.
COMPARADOR con OPAM
COMPARADOR con OPAM
Vin  0
Si Vin  0, entoncesVout  10V
Si Vin  0, entoncesVout  10V
Vin  Vref
Si Vin  Vref , entoncesVout  10V
Si Vin  Vref , entoncesVout  0 V
Circuitos obtenidos a partir del AMP OP
Circuitos obtenidos a partir del AMP OP
Circuitos obtenidos a partir del AMP OP
Circuitos obtenidos a partir del AMP OP
El OPAM realiza operaciones matemáticas, de ahí su
nombre (Amplificador operacional)
Vi Z1
Z2
+
Vo
Z2
A vi 

Vi
Z1
Amplificador
Inversor
Z1
Z2
Vo
Vi
A vni
+
Vo
Z2

 1
Vi
Z1
Amplificador no
Inversor
Vo
Sumador
Al ser Vd=0
Sumador inversor
V1 R1
V2 R2
Vn Rn
i
Vd
i
+
Si R1=R2=…=Rn
V1 V2
Vn
i 
  
R1 R 2
Rn
R´
Vo
Como Vo=-R´·i
 R´

R´
R´

Vo    V1   V2       Vn 
R2
Rn
 R1

-Vo es la combinación lineal de
las tensiones de entrada.
Vo  
R´
 V1  V2      Vn 
R1
Sumador
Sumador no
inversor
R
 R´ 
Vo  1    V
 R
R´
V´1 R´1 Vd
V´2 R´2
La tensión de salida Vo es:
V+
-
Aplicando Millman, V+ será:
V1´ V2´
Vn´
 ´    ´
´
R R2
Rn
V  1
1
1
1
 ´    ´
´
R1 R 2
Rn
Vo
+
V´n R´n
Si
R´1=R´2=…=R´n

1
V   V1´  V2´      Vn´
n

Amplificador diferencial: Restador
V1
R1
-
V2
R3
Aplicando superposición:
R2
V+
+
Vo
 R4   R2 
R
  1    V1  2
Vo  V2  
R1
 R 3  R 4   R1 
Si hacemos R1=R3 y R2=R4
R4
R2
Vo 
 V2  V1 
R1
La tensión de salida es proporcional
a la diferencia de las tensiones
de entrada
Comparador
Sensores:
-Temperatura
- Presión
- Humedad
V1
V2
R1
R3
Equipos de medida
R2
V+
+
R4
Aplicando superposición:
Vo
 R4   R2 
R2
  1    V1 
Vo  V2  
R1
 R 3  R 4   R1 
Circuito Integrador con OPAM
Vi R
Dado que Vd=0
Vc
i
Vd
i
C
-
Vi ( t )
i( t ) 
R
La tensión Vc es:
Vo
+
t
1
Vc ( t )   i( t )  dt  Vc (0)
C0
t
1 V (t)
Vc ( t )   i
 dt  Vc (0)
C0 R
Como Vo(t)=-Vc(t) entonces
t
1
Vo ( t )  
Vi ( t )  dt  Vc (0)

R C 0
Circuito Integrador con OPAM
Formas de onda
Vi R
Vc
i
Vd
i
V [Vol]
C
Vi (sen(t))
Vo (cos(t))
Vo
+
t [seg]
V [Vol] V (t)
i
Vo(t)
t
1
Vo ( t )  
Vi ( t )  dt  Vc (0)

R C 0
t [seg]
Circuito Integrador con OPAM
Problema: Saturación de AO
Causas:
Vi R
i
Vd
-+
UDi
i
+
R1
• Asimetría en los caminos de
entrada-salida.
C
Efecto:
+Vcc
-Vcc
Vo
• Sin tensión de entrada, en
régimen permanente, el AO se
satura. V0=Ad·UDi=±Vcc
Solución:
• Limitar la ganancia del AO
con R1. V0=UDi·(1+R1/R)
Circuito Integrador con OPAM
Conversor V-I:
t
1
Vc ( t )   is ( t )  dt  Vc (0)
C0
Carga no flotante
V1 R1 i
i
V´
V2 R1 i´
V´
R2
+
C
t
1 Vi ( t )
Vc ( t )  
 dt  Vc (0)
C0 R
Vo
-
is
Vc
R2
i´-is
 R2 

V0 ( t )  Vc (0)  1 
 R1 
Vo(t)=Vc(t)·(1+R2/R1)
V [Vol] V (t)
i
Vc(t)
V2
is (t) 
R1
t [seg]
Circuito Derivador con OPAM
Vc
Vi
C
i
Dado que Vd=0
VR
R
i
dVi ( t )
i( t )  C
dt
La tensión VR es: VR (t )  i(t )  R
Vd
-
Vo
Como Vo(t) es: Vo (t )  VR (t )
+
entonces:
dVi ( t )
Vo ( t )   RC
dt
Circuito Derivador con OPAM
Vc
Vi
C
i
Vd
Formas de onda
VR
R
i
V [Vol]
+
Vo
Vo (cos(t))
Vi (sen(t))
t [seg]
V [Vol] Vo(t)
Vi(t)
dVi ( t )
Vo ( t )  RC
dt
t [seg]
Controlador PID con OPAM
de( t )
u( t )  K p e( t )  K D
 K I  e( t )dt
dt
KI
U ( s )  K p E( s )  K D sE( s ) 
E( s )
s
Circuitos obtenidos a partir del AMP OP
Características del AMP OP
Tensiones offset: En los amplificadores reales aparecen en su
salida tensiones del orden de decenas a centenas de milivotios en
ausencia de una señal de entrada.
Causas: disimetrías en la etapa diferencial…
Modelo de las tensiones offeset:
tensión off-set de
entrada o Vos (input offset voltage)
¿Cómo eliminar el offset?
(offset null)
Se usan potenciómetros
Características del AMP OP
Características del AMP OP
Características del AMP OP
Corriente bias o corrientes de polarización:
Corriente necesaria para la operación de un AMP OP.
Modelo de las corrientes bias:
IBIAS
¿Cómo reducir el efecto de la
corriente bias? Usando amplificadores
CMOS o FET, en lugar de BJT.
Características del AMP OP
Características del AMP OP
Características del AMP OP
Características del AMP OP
Parámetros de frecuencia: Los AMP OP tienen alta
ganancia y un gran ancho de banda; pero tienen tendencia a
inestabilidad (polos en el lado derecho del plano complejo).
Cómo se corrige la inestabilidad: se utilizan técnicas
de compensación internas y/o externas que limitan su operación: Un
capacitor para compensación, por ejemplo, puede provocar una
drástica reducción de la frecuencia de corte..
Relación en el AMP OP:
La ganancia multiplicada por la
frecuencia de corte es igual a la frecuencia f1, siendo ésta el ancho de
banda de ganancia unidad K p f C  f1
Características del AMP OP
Slew rate:. Refleja la capacidad del AMP OP para manejar
señales variables en el tiempo. El SR se define como la máxima
variación de la tensión de salida con el tiempo que puede proporcionar
la etapa salida del AMP, se mide en V/s.
Vo
SR 
t
Efecto: Si hay un exceso sobre el valor del SR, el amplificador
pierde sus características de linealidad y provoca distorsión en la
señal que entrega.
Otros parámetros del AMP OP
Rango de tensión de entrada:. Máxima tensión de entrada. Ej:
13 V.
Máxima variación de rango de tensión de salida: o maximun
peak output voltage swing. Máxima tensión esperada a la salida
de el AMP, si su alimentación es de 15 V, su máxima tensión de
salida es aproximadamente ± 14 V.
Resistencia y capacitancia de entrada: (input resistance and
capacitance). Resistencia y capacitancia equivalente de lazo
abierto vista a través de los terminales de entrada del AMP. Ej
2M y 1.4 F.
Resistencia de salida: resistencia de salida del AMP que puede
ser de unos 75 )
Otros parámetros del AMP OP
Consumo de potencia: Potencia DC, para una alimentación de
unos ±15 V, su valor es de 50 mW.
Corriente de cortocircuito de salida: Corriente máxima de
salida limitada por el dispositivo de protección; ej: 25 mA.
Variación máxima de la tensión de salida: (output voltage
swing). Es la amplitud pico-pico máxima que se puede conseguir
sin que se produzca corte, para VCC = ±15 V, ésta es de ±13 V
a ± 14 V.