UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL CONTROLES ELECTRICOS Y AUTOMATIZACION EE - 621 AMPLIFICADORES OPERACIONALES

2. AMPLIFICADORES OPERACIONALES

3. Conceptos básicos del OPAM Encapsulado: SMD Inserción

4. 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

5. +Vcc Vcc - + -Vcc Vcc Conceptosbásicos del OPAM Tensión de salida V0 acotada -Vcc ≤ Vo ≤ +Vcc

6. AMPLIFICADOR OPERACIONAL AMP OP - + + + + - - - - Entrada inversora + Entrada no inversora Tensiones en el amp op, e+y e- son tensiones de entrada, y eo es la tensión de salida

7. CARACTERISTICAS IDEALES DEL AMP OP - + K + + + - - - El voltaje entre las terminales + y – vale cero (tierra virtual o corto 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. El voltaje entre las terminales + y – vale cero (tierra virtual o corto 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.

8. ¿Por qué es tan importante el AMP OP? - + K + + + - - - 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.

9. COMPARADOR con OPAM

10. COMPARADOR con OPAM

11. Circuitos obtenidos a partir del AMP OP

12. Circuitos obtenidos a partir del AMP OP

13. Circuitos obtenidos a partir del AMP OP

14. Circuitos obtenidos a partir del AMP OP

15. Z1 Z2 Z1 Z2 Vi - - Vo Vo Vi + + El OPAM realiza operaciones matemáticas, de ahí su nombre (Amplificador operacional) Amplificador Inversor Amplificador no Inversor

16. Al ser Vd=0 i R´ i R1 V1 Como Vo=-R´·i V2 R2 - Vo Vd + Vn Rn • Vo es la combinación lineal de las tensiones de entrada. Sumador Sumador inversor Si R1=R2=…=Rn

17. La tensión de salida Vo es: R R´ Aplicando Millman, V+ será: - Vo R´1 Vd V´1 + V+ V´2 R´2 V´n R´n Sumador Sumador no inversor Si R´1=R´2=…=R´n

18. Amplificador diferencial: Restador Aplicando superposición: V1 R1 R2 - Vo R3 V+ V2 + Si hacemos R1=R3 y R2=R4 R4 La tensión de salida es proporcional a la diferencia de las tensiones de entrada

19. V1 R1 R2 - Vo R3 V+ V2 + R4 Comparador • Sensores: • Temperatura • Presión • Humedad Equipos de medida Aplicando superposición:

20. Vc R i i Vi C - Vo Vd + Circuito Integrador con OPAM Dado que Vd=0 La tensión Vc es: Como Vo(t)=-Vc(t) entonces

21. Vc R i i Vi C - Vo Vd + Circuito Integrador con OPAM Formas de onda

22. Circuito Integrador con OPAM R1 C - + Problema: Saturación de AO • Causas: • Asimetría en los caminos de entrada-salida. • Efecto: • 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) R i i Vi +Vcc - Vo Vd + -Vcc UDi

23. Circuito Integrador con OPAM R1 i i R2 V1 V´ - Vo V´ R1 i´ + V2 R2 is i´-is C Conversor V-I: Carga no flotante Vc

24. Vc VR C R i i Vi - Vo Vd + Circuito Derivador con OPAM Dado que Vd=0 La tensión VR es: Como Vo(t) es: entonces:

25. Vc VR C R i i Vi - Vo Vd + Circuito Derivador con OPAM Formas de onda

26. Controlador PID con OPAM

27. Circuitos obtenidos a partir del AMP OP

28. 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? Se usan potenciómetros (offset null)

29. Características del AMP OP

30. Características del AMP OP

31. 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.

32. Características del AMP OP

33. Características del AMP OP

34. Características del AMP OP

35. 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

36. 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. 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.

37. 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 )

38. 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.