Tema 1D Amplificador Operacional

Tema 1D
Amplificadores Operacionales
Prof. A. Roldán Aranda
1º Ing. Informática

Los componentes electrónicos (transistores, diodos, etc) son elementos con tolerancias muy
elevadas, muy sensibles a la temperatura, con modelos reales muy complejos, etc.
La realización de amplificadores con ganancias y comportamientos estables de forma
directa (bucle abierto) es difícil por no decir imposible:
•las tolerancias
•las corrientes de fugas de los componentes
harán el sistema muy poco preciso.
La clave del éxito y de la precisión de los amplificadores está en conseguir estructuras de
ganancia muy elevada (p.e. 80 dB = 10.000 p.u.) y regular el conjunto.
El amplificador operacional esta pensado con esta filosofía:
• Ganancias muy elevadas
• Pensando en regularse.
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Por este método el sistema se hace insensible a la tolerancia de los valores (siempre que
pueda considerarse la ganancia muy elevada (p.e. de 10.000 a 8.000 el cambio es muy grande,
pero en ambos casos puede considerarse muy elevada)

U E
Referencia
Consigna
(Valor que
debe tener
U S)
+
-
U ERROR
error
AMPLIFICADOR
(A)
Medida de U S
Realimentación
(β)
ESTRUCTURA TÍPICA PARA UN AMPLIFICADOR REALIMENTADO
U
U
S
E
A
=
1+
A⋅
β
HACIA EL AMPLIF. OPERACIONAL
Si A es muy grande tenemos:
Esta idea es la base del uso del amplificador operacional (AO)
U
U
S
E
U S
≈
1
β

U E(+)
U E(-)
+
-
+U CC
-U CC
U S
SÍMBOLO ESTÁNDAR DEL
AMPLIFICADOR OPERACIONAL
EL AMPLIF. OPERACIONAL I
La conexión en serie de distintas etapas (de
amplificación con transistores) se conoce como
AMPLIFICADOR OPERACIONAL (AO).
A efectos prácticos podemos considerarlo un
componente electrónico.
Hoy día para aplicaciones industriales no tiene
sentido la realización de etapas amplificadoras
con componentes discretos.
El AO es la base de la Electrónica Analógica en
baja-media-alta frecuencia.
Es más, existen multitud de circuitos integrados
(algunos de los cuales iremos viendo a lo largo de
la asignatura) que nos permiten implementar de
forma sencilla multitud de aplicaciones.

Algunos tipos de AO clasificados por prestaciones:
EL AMPLIF. OPERACIONAL II
Uso general: LM741, LM301, TL081, TL082
Para Alta frecuencia: LM318, uA715
Para Instrumentación: LM321, uA725
De precisión: uA714, LM321
Comparadores : LM311, LM339, LM393
De Ganancia programable: uA776, LM4250
De potencia: uA791
De alta tensión: LH0004
Algunos circuitos integrados derivados del AO de interés práctico:
LM555 Temporizador de propósito general
LM566 Oscilador controlado por tensión
AD633 Multiplicador de bajo precio
AD639 Generador de ondas senoidales
AD630 Conversor tensión-frecuencia
XR-215A PLL (Conversión f/v y v/f) "PLL = Phase-Locked Loop"
LM565 PLL (Conversión f/v y v/f)

Algunos fabricantes relevantes:
LM National Semiconductor (www.national.com)
TL Texas Instruments (www.ti.com)
uA Fairchild (http://www.fairchildrf.com/home/default.asp)
NE/SE Signetics (www.signetics.com)
XR Exar (www.exar.com)
MC Motorola (e-www.motorola.com)
EL AMPLIF. OPERACIONAL III
Se sugiere la consulta de estas páginas.
(p.e. la de Texas Instruments contiene mucha información sobre A.O.)

LM741
ENCAPSULADO
DIP-8
EL A.O. : Estructura Interna I
LM741
Amplificador operacional de propósito general

TL081
(*) Fijarse que el TL081 es compatible e
intercambiable con el LM741
TL082
(*) El TL082 tiene dos TL081 en el mismo
encapsulado
EL A.O. : Estructura Interna II
TL081 y TL082
Amplificador operacional con entrada FET

LM741
EL A.O. : Estructura Interna III

Algunos comentarios deben realizarse en relación con el AO el cual a partir de este
momento, podemos considerarlo un nuevo componente.
U 2
U 1
+
-
+U CC
-U CC
U S
EL A.O. : Modelado I
La entrada U 2 la denominaremos entrada no inversora.
La entrada U 1 la denominaremos entrada inversora.
Como elemento ideal consideraremos:
1.- La impedancia de entrada es Z in=∞. Es decir,
despreciaremos las corrientes por las entradas.
2.- La impedancia de salida es Z out=0. Es decir, teóricamente
puede aportar toda la corriente que se demande.
3.- La ganancia diferencial es A d=∞.
( ) U U −
2 1 A U = ⋅
Ad ∞
S d

En relación con este comportamiento ideal vamos a hacer alguna matización:
1.- Las corrientes de polarización de la etapa diferencial son realmente muy pequeñas (del
orden de 80 nA para el LM741). Aún más, para los dispositivos con entrada JFET como el
TL081 (del orden de 30 pA).
2.- La capacidad de entregar corriente del AO no es infinita. De hecho, las capacidades
de corriente de salida es del orden de mA (25 mA para el LM741)
3.- Respecto a la ganancia A d debemos hacer dos comentarios:
SIMETRÍA
− K
En general en un amplificador diferencial se cumple:
2 2 1 1
Donde K2 y K1 no son necesariamente iguales
Si colocamos la expresión de otra forma:
U S
=
K
Ganancia
diferencial (A d)
2
+ K
2
1
⋅
( U −U
)
2
1
Tensión
diferencial
EL A.O. : Modelado II
+ ( K
2
− K ) ⋅
1
U S
=
K
( U + U )
2
2
Ganancia
Modo común (A C)
1
⋅U
⋅U
Tensión
Modo Común

Si identificamos términos podemos obtener:
K = A +
2
d
AC
2
K = A −
1
d
Afortunadamente la etapa diferencial de un AO integrado es muy simétrica y la
ganancia en modo común es muy pequeña.
A
A
P.e. para el LM741 d = 80 dB = 10.
000 p.
u.
U S = Ad
⋅
EL A.O. : Modelado Simetría III
C
Podemos pues considerar sin error significativo que solo tenemos A d.
( U −U
)
2
1
A
2
C
Parámetro CMRR:
Razón de rechazo de Modo común

A U S = d ⋅
( ) U U −
2
En la práctica A d es grande (más de 100 dB
para el TL081) a frecuencia bajas.
A medida que aumentamos la frecuencia la
ganancia disminuye:
1ª Frecuencia de corte (polo) a 20 Hz
2ª Frecuencia de corte (polo) a 2 MHz
1
IMPORTANTE:
Fijarse que a 1MHz la ganancia está entorno a 1
(¡¡Ya no es muy grande!!)
EL A.O. : Modelado Ganancia IV
Otra consideración es la de A d = ∞
GANANCIA PARA EL TL081

ZONA LINEAL
Al ser la ganancia A d muy elevada si:
U 2 > U 1
U 2 < U 1
EL A.O. : Modelado Ganancia V
entonces U S = +∞ (a efectos prácticos U S = + U CC)
entonces U S = -∞ (a efectos prácticos U S = - U CC)
Se dice que el amplificador trabaja a saturación.
Solamente si conseguimos que U 2 =U 1 (realimentación o regulación) podremos obtener
tensiones de salida comprendidas entre las alimentaciones
ZONA
LINEAL
+ U CC (saturado a +)
-U CC (saturado a -)

U
U
S
E
U E
d
+
-
Ad
=
1+
A ⋅ β
A d
β
1
β
=
1
β
1+
A
Si A d >> 1/β entonces:
U
U
S
E
≈
1
β
d
U S
AO
=
1
β
1+
A
EL A.O. : Modelado Ganancia VI
Recordando los concepto s de Amplificadores y el A.O.:
d
βR
0≤β ≤ 1
β U S
U E
-
+
U S
Comportamiento con AO ideal
Realimentación
Si A d

Ganancia
A d
ZONA DE
COMPORTAMIENTO IDEAL
EL A.O. : Modelado Ganancia VII
Gráficamente tenemos:
1/β = A O
Comportamiento
con realimentación
f
ES IMPORTANTE PARA SABER HASTA DONDE
PODEMOS CONSIDERAR IDEAL EL AO

0≤β ≤ 1
βR
U E
NEGATIVA
Operación estable.
Si
entonces
entonces
U X
-
+
U S æ aumenta
U X æ aumenta
U S
disminuye
EQUILIBRIO
U S
EL A.O. : Realimentación I
La realimentación positiva tiene aplicación en
comparadores
0≤β ≤ 1
βR
U X
U E
POSITIVA
Operación inestable.
Si
entonces
entonces
+
-
U S æ aumenta
U X æ aumenta
U S æ aumenta
U S
ACABA SATURÁNDOSE

• Impedancia de entrada no infinita
• Impedancia de salida no nula
• Corriente máxima de salida limitada
• Ganancia no infinita
• Ancho de banda limitado
• Errores en continua
Resumen CARACTERÍSTICAS
• Tensiones de entrada limitadas por la alimentación
• Excursión de la tensión de salida limitada por la alimentación

+
UE -
U
U
R 1
S = −
E
R
R
Realización de Amplificadores de tensión básicos con el AO
2
1
-
+
R 2
+
U S
-
EL A.O. : Ganancia Negativa I
R L
U E
AMPLIFICADOR DE GANANCIA NEGATIVA
AMPLIFICADOR IDEAL DE TENSIÓN
+
-
R 1
+
A U E
+
-
U S
A= −
R
R
2
1
R L

i e
u e
1
Z1
u d
ue + ud
us
+ ud
= −
Z Z
u
u
s
e
= −
Z
2
2
Ad·
Z
+ A · Z
d
2
1
i 1
+
i 2
Z
-
+
u
Z
1
e
1
+
Z 2
u
u
us
A · Z
s
e
d
EL A.O. : Ganancia Negativa II
1
= −
Z
u s
u
= −
Z
1
s
2
A → ∞ Z → ∞ Z → 0
i1 = 0
2 i ie i
2
e
d
A > 0 = 0
d
=
us
−
Z · A
Z2
Z1
+ Z
+
A
FASES
d
Aplicaciones lineales
Realimentación de tensiones en paralelo
2
d
u
u
u
e
s
e
+ u
Z
1
u
=
s
d
e
Ac s d d
⎛ 1
⎜
⎝ Ad·
Z
A
lim
d
→∞
= i · Z = u − ( − u )
1
⎛
⎜
⎜ −
⎜
⎜
⎝
i
2
1
+
Z
Z
1
+
2
e
s
u =
1
A
2
· u
e
us
+ u
= −
Z
1
+
Z · A
2
Z2
Z1
+ Z
A
d
2
d
⎞
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
d
d
⎞ ue
⎟ = −
⎠ Z1
Z2
= −
Z
1

i e
u e
Z1
u d
i 1
i 2
-
+
ue
+ ud
+ ud
= −i
· Z A · u u
· Z
2
d d d = −
2
Z
us e
⎛
⎜
⎝
Z
⎞
⎟
⎠
2
ud· ⎜1
+ A d + = −ue
Z ⎟
1
Z
·
Z
2
1
Z 2
EL A.O. : Ganancia Negativa III
u s
1
Aplicaciones lineales
Realimentación de tensiones en paralelo
A → ∞ Z → ∞ Z → 0
d
A > 0 A = 0
u
u
s
e
d
=
A
lim
d
→∞
⎛
⎜
⎜ −
⎜
⎜
⎝
+ d·
( 1 + A d)
u
d
Z
Z
2
e
c
Z
1
+
Z2
Z1
+ Z
A
d
s
u =
2
s
⎞
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
Z
A
d
· u
Z2
= −
Z
2
u = −ue·
− ud
Z1
1
d
Z
·
Z
1
= −u
·
1
e Z
ud
= lim − ue·
= 0
2
Ad
→∞
1 + A d +
⎜
Z 2 ⎟
1
Z
⎜ + Ad
+ ⎟
1
Z1
FASES
⎛
⎜
⎜
⎝
Z
Z
2
2
1
⎞
⎟
⎟
⎠

R 1
+
UE -
-
+
R 2
U S R
= 1+ U R
E
AMPLIFICADOR DE
GANANCIA POSITIVA
2
1
+
U S
-
Realización de Amplificadores de tensión básicos con el AO
R L
EL A.O. : Ganancia Positiva I
AMPLIFICADOR IDEAL DE TENSIÓN
U E
+
-
+
A V E
R
A = 1+ R
2
1
+
-
U S
MONTAJE BÁSICO PARA REALIZAR
AMPLIFICADORES DE TENSIÓN
R L

R 1
+
UE -
-
+
R E
R 2
R S
AMPLIFICADOR DE
GANANCIA POSITIVA
CON R E y R S
+
U S
-
EL A.O. : Ganancia Positiva II
Realización de Amplificadores de tensión básicos con el AO
R L
U E
+
-
+
A V E
R
A = 1+ R
Fijarse que es posible añadirle condensadores serie y paralelo para limitar el ancho de banda
R E
R S
2
1
+
-
U S
R L

+
UE -
-
+
U
U
S
E
= 1
+
U S
AMPLIFICADOR DE GANANCIA UNIDAD
(SEGUIDOR DE EMISOR)
-
EL A.O. : Seguidor de Tensión I
Realización de Amplificadores de tensión básicos con el AO
R L
U E
+
-
+
U E
+
-
U S
Se pueden añadir igualmente R E, R S y las
frecuencias de corte que se estimen oportunas.
R L

V 2
V 1
R 1
R 1
V -
V +
R 2
-
+
V + = V -
R 2
EL A.O. : Amplif. Diferencial I
FASES
V S
V + = V 1 ·
V - =
V - =
VS = R2 ·(V1 –V2 )
R1 V 2
R 1
1
R 1
R 2
R 1 + R 2
+
+
V S
R 2
1
R 2
V 2 ·R 2 + V S ·R 1
R 1 + R 2

+
U1 -
Realización de Amplificadores de tensión básicos con el AO
+
U2 -
U S
EL A.O. : Amplif. Diferencial II
=
1
R 1
R 1
-
+
R2
⋅ U
R
R 2
( U 2 − 1
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL: (RESTADOR - NORMALIZADOR)
)
R 2
+
U S
-
R L

U S
R
+
U1 -
Realización de Amplificadores de tensión básicos con el AO
R
R 1
2 2
( 1+
) ⋅U
2 − ⋅U1
R1
R1
EL A.O. : Amplif. Normalizador I
+
U2 -
-
+
= AMPLIFICADOR NORMALIZADOR
NOTA:
Este circuito y el anterior son especialmente interesantes para la función de
normalizar rangos de tensiones
R 2
+
U S
-
R L

TERMOPAR
T
100 ºC
0 ºC
U A
T U A
U B
10
0
NORMALIZADOR
100 mV
600 mV
0.1 0.6 U A
U B
EL A.O. : Amplif. Normalizador II
10 V
0 V
B
U B
Transformación lineal
U = 12 − 20⋅U
A/D N
A
U A
Realización práctica
+12 V
U S
R
+4/7 V
Circuito normalizador
=
-
+
R
20 R
R
U B
2 2
( 1+
) ⋅U
2 − ⋅U1
R1
R1

+
U1 -
+
U2 -
EL A.O. : Amplif. Instrumentación
-
+
0 ≤ x ≤ 1
-
+
U S
R
x R
R
R 1
2 R2
= ( 1+
) ⋅ ⋅(
U 2 −U1)
x R
AMPLIFICADOR DIFERENCIAL DE INSTRUMENTACIÓN
1
0 ≤ x ≤ 1
R 1
-
+
R 2
R 2
+
U S
-
R L

U 1
U 2
U N
U
S
EL A.O. : Amplif. Sumador-Restador
R 1
=
−
R
R
2
1
-
+
⋅
R 2
N
∑
i=
1
U
i
U S
SUMADOR-RESTADOR ANALÓGICO

V 1
V 2
R A
R 1
R 2
V -
V +
R 3
-
+
EL A.O. : Amplif. Sumador No inversor
R B
FASES
V S =
V S
RA + RB ·
RA V - = V S ·
V + =
V + = V -
1
R 1
V 1
R 1
+
1
R 1
+
R A
R A + R B
V 1
R 1
1
+
R 2
+
V 2
R 2
+
1
R 2
V 2
R 2
1
+
R 3
1
R 3

En los montajes anteriores es posible cambiar las resistencias (R) por impedancias Z(s).
Un caso de interés es la realización de un integrador analógico
U
S
+
UE -
( t)
= U
Notar que:
R
S
( 0)
-
+
C
1
− ⋅
RC
t=
t
∫
t=
0
U
U S ( 0)
= −U
C
INTEGRADOR ANALÓGICO
EL A.O. : Amplif. INTEGRADOR
E
( 0)
+
U S
-
( t)
⋅ dt
R L
dB
1
f
1
20 dB/dec
1
=
2⋅π
⋅ R⋅C
Representación del integrador en
el dominio de la frecuencia
f

Otro ejemplo muy interesante surge la incluir condensadores en la red de realimentación del
amplificador inversor (tal y como se indica en la figura). Obtenemos un amplificador de Banda Ancha
fácilmente configurable.
+
UE -
C 1
1
f1
=
2⋅π
⋅C
R2
A=
−
R
1
⋅
R1 R2 -
1
⋅ R
1
+
C 2
+
U S
-
1
f 2 =
2⋅π
⋅C
2
R L
⋅ R
( 1+ j⋅ω⋅C
⋅R
)( ⋅ 1+
j⋅ω⋅C
⋅R
)
1
j⋅ω⋅C
1
1
EL A.O. : Amplif. De BANDA ANCHA
⋅R
1
2
2
2
A
U E
+
-
⎛ R
20⋅
lg ⎜
⎝ R
2
1
⎞
⎟
⎠
f1 f2 f
R 1
+
A U E
+
-
U S
R2
A= −
R1
EQUIVALENTE A FRECUENCIAS MEDIAS
R L

I E
U
I
S = −
E
-
+
R
R
CONVERSIÓN I/V
+
U S
-
Realización de Amplificadores de tensión básicos con el AO
R L
EL A.O. : Conversor I/V
AMPLIFICADOR IDEAL DE TRANS-RESISTENCIA
I E
+ R I E
A= −R
+
-
U S
(Notar el desfase de 180º)
R L

Fotodiodo
BPW21
I R
I R
R=1MΩ
-
+
[ nA]
= 2 + 10⋅
L[
lx]
EL A.O. : Conversor I/V - Ejemplo
+
U S
-
R L
I R
R=1MΩ
[ mV]
= R⋅
I = 2 + 10⋅
L[
lx]
U S
R
Algo parecido puede hacerse con un diodo normal para medir temperatura.
(Corriente de fugas de un diodo se duplica cada 10ºC)
-
+
+
U S
-
R L
R L

V E
i A
i E
R 1
R 1
i S
V -
V +
R S
-
+
R 2
R 2
La corriente de salida no depende de R S
i A
i A
v
v
EL A.O. : Conversor V/I I
FASES
V + = V -
i A = V -
R 1
i E =
i S =
V E –V +
V E
R 1
R 1
i S = i E + i A
i S = V E –V +
R 1
+ V -
R 1

+
UE -
NOTAS:
R 1 R2
R 1
I S =
U
E
-
+
1
R
1
R 2
A
EL A.O. : Conversor V/I II
I S
R L
AMPLIFICADOR DE TRANS-CONDUCTANCIA
U E
+
-
G =
1
R
1
R E
+
G U E
1.- R E depende de R L . Si se desea un valor estable se puede añadir un seguidor de emisor.
(Normalmente R L