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Informe Previo Nº 04: Amplificador Operacional José Luis Miguel Alva Fuertes Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Nacional de Ingeniería Lima, Perú [email protected] [email protected]

rational amplifiers applications are described such as inverting, non-inverting, summing and comparator amplifier circuit Abstract._ Ein Operationsverstärker ist eine integrierte Schaltung, die aus Halbleitern besteht. Ihre interne Struktur ist komplex Index Terms— Operationsverstärker, Rauschdichte.

I.

Objetivo

A)

Conocer las características del Amplificador Operacional.

B)

Entender las limitaciones que presenta el Amplificador Operacional para frecuencias altas.

C) Entender las gráficas de curvas de densidad de ruido en un amplificador operacional.

II.

Marco Teórico

A) Definición Un amplificador operacional es un circuito integrado constituido por semiconductores. Su

estructura interna es compleja, pero pueden ser diferenciadas tres etapas principales: a) Amplificador diferencial b) Etapas de ganancia c) Seguidor por emisor en contrafase Durante el desarrollo de este trabajo pensaremos el Opamp como una caja negra con terminales de entrada y salida, ignorando su composición interna, ya que las experiencias realizadas apuntan a su caracterización e implementación. Siempre y cuando el integrado este en régimen se pueden utilizar tres aproximaciones básicas que determinarán su comportamiento: 1. En todo momento, el amplificador operacional modificará la tensión de salida de manera que la tensión diferencial (diferencia entre la tensión de entrada inversora “ v−¿¿” y la tensión de entrada no inversora “ v+¿ ¿”), cumpla la siguiente relación:

v+¿−v

−¿ ≅0 ¿

¿

2. Los terminales de entrada no permiten el flujo de corriente, la misma es del orden de los nA y se puede despreciar, porque presentan una alta impedancia de entrada(MΩ). Mientras los terminales de salida presentan una muy baja impedancia de salida. 3. La tensión de salida es proporcional a la tensión diferencial:

v out = A . ¿

condensador C1 eventualmente alcanza el voltaje establecido por el divisor de tensión mencionado anteriormente, funcionando el amplificador operacional, en este momento, como un comparador. En este momento, la salida del amplificador operacional cambia de estado de una salida positiva a una negativa, creando también un voltaje de referencia de polaridad opuesta en la entrada no inversora. El condensador C1 en este momento empieza a descargarse y cargarse con un voltaje negativo, y el ciclo se repite indefinidamente.

Donde A: 100000 es el factor de amplificación. Estos tres principios no permitirán explicar los procesos y resultados de los circuitos estudiados.

III.

Cuestionario

1. Dibuje un esquema que permita desechar rápidamente un amplificador operacional

Cuando la salida está en nivel alto el transistor T1 conduce y hará que se encienda el D1, de la misma manera, cuando la salida es baja el transistor T2 conduce y hará que se ilumine el D2. La inclusión de transistores en el diseño se debe a la posibilidad de que algún amplificador operacional bajo prueba tenga poca capacidad de entrega de corriente.

2. Copie las especificaciones de un OPAMP y explique su significado

Para comprobar si nuestro circuito amplificador operacional es correcto, se usará el siguiente esquema:

A. Corriente de Polarización de entrada “IB” y Corriente de Offset Ios

Una iluminación alternada de 2 LEDs del circuito nos indica su correcto funcionamiento. Cuando se presiona el botón de contacto simultáneo S1, el amplificador operacional es alimentado por las dos baterías de 9 Voltios. Inmediatamente a la salida del circuito integrado se tiene un nivel alto. Este voltaje se aplica a un divisor de voltaje formado por las resistencias R2 y R3, y se establece un voltaje de referencia en la entrada no inversora del amplificador operacional. Simultáneamente el condensador C1 se carga a través de la resistencia R1. El voltaje en el

Las intensidades de polarización de un amplificador por los terminales inversor y no inversor son prácticamente iguales y solo difieren en una pequeña fracción. Por ello, los fabricantes las representan en función de la componente común que denominan intensidad de polarización IB y su diferencia que denominan intensidad de offset IOS.

La intensidad de polarización se define como el valor medio de las intensidades de entrada por la entrada inversora y la no inversora.

I B=

I Bp + I Bn 2

La intensidad de offset se define como la diferencia entre:

I OS=I Bp−I Bn

En la siguiente tabla se muestra las especificaciones que da el fabricante del A.operacional AD741 relativa a las intensidades offset de entrada.

En un amplificador operacional ideal cuando se cortocircuitan las entradas, la salida se anula. En un amplificador operacional real, para que la salida se anule es necesario aplicar entre las entradas una cierta pequeña tensión que se denomina offset de voltaje de

Puede observarse que los valores típicos son, para T=25°C:

Sin embargo, el fabricante no es capaz de garantizar estos valores y establece valores límites (máximo posiblemente poco probables) de un orden de magnitud superior. Las intensidades de polarización y de offset son fuertemente dependientes de la temperatura. Si se prevé que la temperatura puede fluctuar ampliamente dentro del rango de temperaturas de operación:

entrada. La tensión de offset de entrada es dependiente de la temperatura y de la tensión de las fuentes de alimentación del amplificador operacional, y así mismo, tienen deriva con el tiempo. En este caso, el fabricante indica que es muy poco dependiente de la temperatura, y no da información de las restantes características.

Figura 1. Input Bias vs. Temperatura Figura 2. Input Offset vs Temperatura

B. Tensión de offset de entrada (VOS) En la siguiente table se muestra las especificaciones del voltaje de offset de entrada que el fabricante nos da para el amplificador operacional:

C. Impedancia de entrada Diferencial (Z-IN Diff) En la siguiente tabla se muestra la información que describe está característica en el Amplificador operacional:

La impedancia diferencial de entrada de un amplificador operacional describe la componente de la intensidad en los terminales de entrada que es función de la diferencia de tensión entre ellos. En un amplificador operacional ideal la impedancia de entrada vale infinito. En un amplificador real tiene un valor grande pero finito.

entrada, junto con la compensación típica por polo dominante de los amplificadores operaciones, se produce un límite máximo de la pendiente con la que puede cambiar la tensión de salida. A esta limitación se denomina límite de la pendiente de salida.

El valor de la impedancia de entrada es fuertemente dependiente de la frecuencia. El valor de la impedancia diferencial de entrada es irrelevante en circuitos donde el amplificador operacional opere en modo lineal.

D. Tensión Máxima de salida (Output Voltaje Swing) En la siguiente tabla se muestra la información que proporciona la especificación del amplificador operacional:

La tensión máxima que puede establecer un amplificador operacional en su salida está limitada por las tensiones de alimentación (VCC y VEE), así como el rango de tensión necesaria para polarizar los elementos de polarización de la etapa de salida.

3. Explique el uso de las curvas de densidad de ruido en un amplificador operacional. En general se observa que en un amplificador operacional bipolar presenta un valor de en, menor que un A. Operacional FET, pero su corriente de ruido io puede ser hasta 3 órdenes de

magnitud superior.

E. Intensidad máxima de salida (Output Short-Circuit Current) Los amplificadores operacionales tienen un limitador de intensidad de salida, que evita que el amplificador operacional se destruya cuando su salida se cortocircuita a tierra. El limitador evita que la intensidad pueda incrementarse por encima de cierto valor, que se conoce como intensidad de saturación de salida. En un amplificador de propósito general esta suele ser del rango de los 10mA.

De la siguiente figura, encontramos que la tensión cuadrática de ruido referida a la entrada está dada por:

En la tabla previa se ha mostrado que para un amplificador AD741, se ha mostrado que la intensidad de saturación de salida es 25 mA.

F. Límite de la pendiente de salida (Slew Rate) En la siguiente tabla se muestra la característica de slew rate que proporciona el fabricante:

e 2n=e 2n +i 2n . R 2G +e 2RG La limitación por saturación de la etapa diferencial de

Siendo e RG la tensión eficaz de ruido propia de la resistencia del generador de señal. En esta ecuación puede observarse que RG es un importante factor amplificador del generador de ruido in. Debido a esto, para RG pequeñas es conveniente utilizar un Amplificador Operacional Bipolar mientras que si el valor de RG es elevado es recomendable utilizar el A. Operacional FET. En la siguiente figura se muestra el ruido total referido a la entradae TI por unidad de Hz en función de RG, considerando valores en e in típicos y constantes para ambas tecnologías. El punto de cruce se produce para resistencias del generador de señal del orden de las decenas de kΩ. También se puede observar en esta figura que, para valores de RG mayores, el ruido introducido por un A. Operacional FET es despreciable 2 frente al ruido propio de R G .

4. Explique el porqué de las limitaciones del uA741 en frecuencias mayores de 100KHz. Estas limitaciones se dan principalmente en la ganancia del voltaje del opamp, en este caso cuando la frecuencia supera los 100kHz, la ganancia en bucle abierto que debería ser alta cae a una ganancia de 1.

Muchos Opamps contienen compensación interna que originan una atenuación de la ganancia de 6dB por octava, como un filtro pasa bajo a determinada frecuencia de corte alta. En el 741 esta atenuación empieza a 100kHz. Desde el comienzo de la atenuación, la acción del filtro RC, lo lleva a un desplazamiento de fase empezando a 90° e incrementando a 120°, a 160°, conforme la ganancia se acerca a uno. Si el desplazamiento de fase alcanza 180°, la realimentación se vuelve positiva y el sistema puede oscilar.

IV. BIBLIOGRAFÍA Páginas Web  https://www.ctr.unican.es/asignaturas/instrumentacio n_5_IT/IEC_4.pdf  https://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6334/06 Mvd06de11.pdf?sequence=6&isAllowed=y  http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/Electronic/a741p2.html  http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/Electronic/a741p.html  https://unicrom.com/probador-de-amplificadoroperacional-741/