ELECTRONICA ANALOGICA AMPLIFICADORES OPERACIONALES CATEDRATICO ING SEVILLA MORFIN

ELECTRONICA ANALOGICA “AMPLIFICADORES OPERACIONALES” CATEDRATICO: ING. SEVILLA MORFIN JOSE EQUIPO N° 3 2018 GRUPO: 2 CARRERA: ING. ELECTROMECANICA ELECTRONICA ANALOGICA – FW 4 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MINATITLAN PERIODO: ENE-JUN IEM

AUTORES ALUMNO No. CONTROL ALTUNAR MARTINEZ ALFONSO 16230001 CARVAJAL TORRES EDWIN ALDAIR 16231280 HERNANDEZ XOLO ARNOLD 18230222 LOPEZ MONTALVO RICARDO 15230098 MARTINEZ ORTIZ SILVERIO 16230752 PACHECO PALOMEQUE JOEL 16230029 RAMIREZ GUZMAN MARIO JAIR 15230229 VELAZCO SERRANO CARLOS ANTONIO 16230045

CONTENIDO Introducción 3. 1 Arquitectura de un Amplificador Operacional 3. 4 Aplicaciones básicas de los Amplificadores Operacionales: 3. 4. 1 Comparador 3. 2 Tipos de Amplificadores 3. 4. 2 Seguidor 3. 3 Especificaciones de los 3. 4. 4 No Inversor Operacionales Amplificadores Operacionales 3. 4. 3 Inversor 3. 4. 5 Sumador y Restador 3. 4. 6 Diferenciador 3. 4. 7 Integrador

INTRODUCCIÓN La electrónica analógica considera y trabaja con valores continuos pudiendo tomar valores infinitos, podemos acotar que trata con señales que cambian en el tiempo de forma continua porque estudia los estados de conducción y no conducción de los diodos y los transistores. También podemos decir que la electrónica analógica define campos más específicos tales como: Filtros activos. Transistores de efecto de campo. Conducción de semiconductores. Amplificación y retroalimentación. Diodos Amplificador operacional (I). Circuitos con diodos. Amplificador operacional (II). Transistor bipolar. Otros sistemas amplificadores Etapas transitorias. Otros sistemas analógicos

AMPLIFICADORES OPERACIONALES 3. 1 ARQUITECTURA DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL

ANTECEDENTES Fueron introducidos hace mas de 60 años, estos dispositivos son dispositivos de estado solido, son extremadamente versátiles y fáciles de usar , debido a esto obtuvieron una popularidad muy alta lo que ha llevado a utilización mayor que llevo a su uso de una manera vertiginosa en los últimos años gracias a la gran cantidad de operaciones en las que puede ser utilizado

¿QUE ES UNA AMPLIFICADOR OPERACIONAL? Un amplificador operacional es básicamente un amplificador de voltaje de muy alta ganancia que utiliza técnicas de retroalimentación par controlar sus características de desempeño tales como ganancia, impedancia de entrada, respuesta de frecuencia entre otras. El AOP es un elemento estrella en los sistemas analógicos, con él podemos amplificar señales, atenuarlas, filtrarlas, etc.

¿QUE ES UNA AMPLIFICADOR OPERACIONAL? El dispositivo posee dos líneas de entrada (+-) , un línea de salida, dos líneas de alimentación (+v, -v) y amplifica la diferencia entre los voltajes de entrada.

USOS DE LOS AMPLIADORES OPERACIONALES Efectúan todo tipo de operaciones matemáticas con cantidades representadas por señales. Son útiles en sistemas de control, procesamiento de señales, instrumentación, computación analógica entre otras.

ESTRUCTURA INTERNA Los AMP-OP están formados por estepas: 1. Etapa amplificadora de entrada diferencial y salida diferencial. 2. Etapa de entrada diferencial y salida asimétrica 3. Etapa intermedia 4. Etapa de salida

LIMITACIONES DE LOS AMPLIFICADORES Saturación Un Amplificador Operacional típico no puede suministrar más de la tensión a la que se alimenta, normalmente el nivel de saturación es del orden del 90% del valor con que se alimenta. Cuando se da este valor se dice que satura, pues ya no está amplificando. La saturación puede ser aprovechada por ejemplo en circuitos comparadores. Un concepto asociado a éste es el Slew rate. Tensión de offset Es la diferencia de tensión que se obtiene entre los dos pines de entrada cuando la tensión de salida es nula, este voltaje es cero en un amplificador ideal lo cual no se obtiene en un amplificador real. Esta tensión puede ajustarse a cero por medio del uso de las entradas de offset (solo en algunos modelos de operacionales) en caso de querer precisión.

LIMITACIONES DE LOS AMPLIFICADORES Capacidades El amplificador operacional presenta capacidades (capacitancias) parásitas, las cuales producen una disminución de la ganancia conforme se aumenta la frecuencia. Deriva térmica Debido a que una unión semiconductora varía su comportamiento con la temperatura, los Amplificadores Operacionales también cambian sus características, en este caso hay que diferenciar el tipo de transistor en el que está basado, así las corrientes anteriores variarán de forma diferente con la temperatura si son bipolares o JFET.

CARACTERÍSTICAS GENERALES Una vez explicado todos los parámetros que pueden afectar al comportamiento de AOP enumeraremos las características que definen a un AMP-OP ideal: Resistencia de entrada infinita. Resistencia de salida cero. Ganancia en tensión en modo diferencial infinita. Ganancia en tensión en modo común cero. Corrientes de entradas cero. Ancho de banda infinito. Ausencia de desviación en las características con la temperatura.

PROPIEDADES QUE POSEE UN AMP-OP Hablando idealmente un AMP-OP tiene las siguientes propiedades 1. La ganancia de voltaje es infinita (Ao =infinito ) 2. La impedancia de entrad es infinita (Rin = infinito ) 3. La impedancia de salida es cero(Ro=0) 4. El ancho de banda es infinito (Bw=infinito ) 5. El voltaje de salida (Vo) es cero cuando el voltaje diferencial de entrada (v 2 -v 1) = 0

AMPLIFICADORES OPERACIONALES 3. 2 TIPOS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES

TIPOS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES Un amplificador operacional, a menudo conocido AMP-OP es un dispositivo amplificador electrónico de alta ganancia acoplado en corriente continua que tiene dos entradas y una salida. En esta configuración, la salida del dispositivo es, generalmente, de cientos de miles de veces mayor que la diferencia de potencial entre sus entradas.

TIPOS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES • Comparador • Seguidor • Inverso / No inversor • Sumador / Restador • Diferenciador / Integrador

OP-AMP COMPARADOR En un circuito electrónico, se llama comparador a un amplificador operacional en lazo abierto (sin realimentación entre su salida y su entrada) y suele usarse para comparar una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia.

OP-AMP SEGUIDOR Un seguidor de voltaje es usado para aumentar la señal de circuitos con voltajes variables. Donde aplica el mismo tipo de aumento de ganancia que el amplificador estándar, pero se rastrearan variaciones en la ganancia de entrada y se emparejaran por la señal de salida. Este tipo de circuitos son a menudo usado por delante de otros sistemas para prevenir el daño por cambios súbitos de voltaje.

OP-AMP INVERSOR/NO INVERSOR Un amplificador operacional no inversor es esencialmente el tipo “base” que incrementa la ganancia de una señal electrónica sin ningún proceso adicional. Un amplificador operacional inversor aumentara la ganancia de la señal y también revertirá la polaridad de la señal de salida, de positivo a negativo o viceversa.

OP-AMP SUMADOR/RESTADOR Estas dos variedades de amplificadores operacionales realizan un proceso aritmético en la señal. Un amplificador operacional restador saca una señal que es igual a la resta entre sus dos entradas. un amplificado sumador combina diferentes voltajes de una numero de entradas, y saca ganancias basándose en los voltajes combinados. Cualquiera de estos dos equipos puede ser configurado para operar como amplificador inversor o no inversor.

OP-AMP INTEGRADOR Y DIFERENCIADOR Las variedades más complejas de amplificadores operacionales son los integradores y diferenciadores. La suma de un capacitador al circuito significa que el integrador reacciona a cambios en el voltaje con el tiempo, La magnitud del voltaje de salida cambia, basándose en la cantidad de tiempo que un voltaje gasta apareciendo en la entrada. El diferenciador es lo opuesto a esto, El voltaje producido en el canal de salida es proporcional a la tasa de cambio de la entrada, Los cambios mas grandes y rápidos en el voltaje de entrada producirán voltajes de salida mas altos.

AMPLIFICADORES OPERACIONALES 3. 3 ESPECIFICACIONES DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

ANTECEDENTES El concepto del amplificador operacional surgió hacia 1947, como un dispositivo construido con tubos de vacío, como parte de las primeras computadoras analógicas dentro de las cuales ejecutaban operaciones matemáticas, de lo cual se originó el nombre por el cual se le conoce. El primer amplificador operacional monolítico construido como circuito integrado, fue desarrollado en 1964 en la empresa Fairchild Semiconductor por el ingeniero electricista estadounidense Robert John Widlar y llevó el número de modelo μA 702. 1 A éste le siguió el μA 709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular μA 741 (1968), desarrollado por David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar, el cual se convirtió en estándar de la industria electrónica.

TIPOS DE ENCAPSULADOS El Ao se fabrica de un pequeño chip de silicio y se encapsula en una caja adecuada que puede ser: Encapsulado metálico, Encapsulado DIP, 8 terminales, SOIC y Encapsulado PLCC.

AMPLIFICADOR OPERACIONAL LM 741 Amplificador operacional modelo LM 741 de Nacional Semiconductor con encapsulado plástico, tipo: circuito integrado Primera en 1964 inventor: Robert John Widlar

AMPLIFICADOR OPERACIONAL LM 741

PRINCIPIO DE OPERACIÓN Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los amplificadores operacionales tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas: Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una baja amplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener una salida diferencial. Amplificador de tensión: proporciona ganancia de tensión. Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protección frente a cortocircuitos. Éste también proporciona una ganancia adicional.

AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL

AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL Y REAL

LAZO ABIERTO Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera. Esto significa que no hay retroalimentación hacia el controlador para que éste pueda ajustar la acción de control. Es decir, la señal de salida no se convierte en señal de entrada para el controlador.

LAZO CERRADO Son los sistemas en los que la acción de control está en función de la señal de salida. Los sistemas de circuito cerrado usan la retroalimentación desde un resultado final para ajustar la acción de control en consecuencia.

AMPLIFICADORES OPERACIONALES 3. 4 APLICACIONES BÁSICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES.

APLICACIONES BÁSICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES Amplificadores Operacionales. 3. 1 Arquitectura de un Amplificador Operacional. 3. 3 Especificaciones de los Amplificadores Operacionales. 3. 4 Aplicaciones básicas de los Amplificadores Operacionales. 3. 2 Tipos de Amplificadores Operacionales. …

APLICACIONES BÁSICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES 3. 4. 1 Comparador. 3. 4. 2 Seguidor. 3. 4. 3 Inversor. 3. 4. 4 No inversor. 3. 4. 5 Sumador y Restador. 3. 4. 6 Diferenciador 3. 4. 7 Integrador. El amplificador derivador también llamada amplificador diferenciador realiza la función matemática de la derivación, es decir la señal de salida es la derivada de la señal de entrada. Como su nombre lo indica, el amplificador operacional es un dispositivo que puede aumentar cualquier tipo de señal, sea de voltaje o de corriente, de corriente alterna o de corriente directa. Ahora vamos a ver cómo es que se da este proceso y las diferentes configuraciones con las que puede trabajar este dispositivo. Un amplificador integrador realiza la función matemática de la integración, es decir la señal de salida es la integral de la señal de entrada.

CONFIGURACIÓN INTERNA DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL Internamente el AO contiene un gran número de transistores, resistores, capacitores, 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 (out) Para alimentar un amplificador operacional se utilizan 2 fuentes de tensión: Una positiva conectada al Pin 7 Una negativa conectada al Pin 4

CONFIGURACIÓN INTERNA DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL Ilustración 3 Estructura que muestra el agrupamiento de transistores para formar lo que se conoce como AMP con su respectivo encapsulado.

CONFIGURACIONES BASICAS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES

AMPLIFICADORES OPERACIONALES EN SISTEMAS DE CONTROL

AMPLIFICADORES OPERACIONALES EN SISTEMAS DE CONTROL

3. 4 APLICACIONES BÁSICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES 3. 4. 1 COMPARADOR

COMPARADOR Un comparador es un circuito electrónico, ya sea analógico o digital, capaz de comparar dos señales de entrada y variar la salida en función de cuál es mayor. En un circuito electrónico, se llama comparador a un amplificador operacional en lazo abierto (sin realimentación entre su salida y su entrada) y suele usarse para comparar una tensión variable con otra tensión fija que se utiliza como referencia.

COMPARADOR En este circuito, se alimenta el amplificador operacional con dos tensiones +Vcc = 15 V y -Vcc = -15 V. Se conecta la patilla V+ del amplificador a masa (tierra) para que sirva como tensión de referencia, en este caso 0 V. A la entrada V- del amplificador se conecta una fuente de tensión (Vi) variable en el tiempo, en este caso es una tensión sinusoidal. Hay que hacer notar que la tensión de referencia no tiene por qué estar en la entrada V+, también puede conectarse a la patilla V-, en este caso, se conectaría la tensión queremos comparar con respecto a la tensión de referencia, a la entrada V+ del amplificador operacional.

3. 4 APLICACIONES BÁSICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES 3. 4. 2 SEGUIDOR

SEGUIDOR Un seguidor de voltaje (también llamado amplificador buffer, amplificador de ganancia unitaria o amplificador de aislamiento) es un circuito amplificador operacional que tiene una ganancia de voltaje de 1. Esto significa que el amplificador operacional no proporciona ninguna amplificación a la señal. La razón por la que se llama un seguidor de tensión es porque el voltaje de salida sigue directamente el voltaje de entrada, significando que el voltaje de salida es igual que el voltaje de entrada. Así, por ejemplo, si 10 V entra en el amplificador operacional como entrada, 10 V sale como salida. Un seguidor de voltaje actúa como un buffer, no proporcionando ninguna amplificación o atenuación a la señal.

SEGUIDOR ¿Cuál es el propósito de un seguidor de tensión? Puesto que produce la misma señal que entra, ¿Cuál es su propósito en un circuito? Es un circuito con una impedancia de entrada muy alta. Esta alta impedancia de entrada es la razón por la que se utilizan seguidores de tensión. Cuando un circuito tiene una impedancia de entrada muy alta, se extrae muy poca corriente del circuito. Si conoces la Ley de Ohm, sabes que la corriente, I = V / R, . Por lo tanto, cuanto mayor es la resistencia (R), menos corriente (I) se obtiene de una fuente de energía. Por lo tanto, la potencia del circuito no se ve afectada cuando la corriente está alimentando una carga de alta impedancia.

3. 4 APLICACIONES BÁSICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES 3. 4. 3 INVERSOR

INVERSOR Se llama así este montaje porque la señal de salida es inversa de la de entrada, en polaridad, aunque pude ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de la ganancia que le demos al amplificador en lazo cerrado. La señal, como vemos en la figura, se aplica al terminal inversor o negativo del amplificador y el positivo o no inversor se lleva a masa. La resistencia R 2, que va desde la salida al terminal de entrada negativo, se llama de realimentación.

3. 4 APLICACIONES BÁSICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES 3. 4. 4 NO INVERSOR

NO INVERSOR Este circuito es muy parecido al inversor, la diferencia es que la señal se introduce por el terminal no inversor.

NO INVERSOR La resistencia de entrada se obtendrá: En cuanto a la ganancia, sabemos que V–= V+ =Vi, si suponemos que por R 1 pasa una intensidad I 1 cuyo valor sería:

NO INVERSOR La tensión Vo se obtendría: La ganancia será G =V

NO INVERSOR La ganancia será siempre positiva ya que las Ri son siempre positivas y además siempre será mayor o igual a 1. G=1 para el caso en que R 1= ∞ (circuito abierto) ó R 2= 0 (sustituyendo la R por un cable) o ambas cosas a la vez.

NO INVERSOR

3. 4 APLICACIONES BÁSICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES 3. 4. 5 SUMADOR - RESTADOR

SUMADOR La impedancia de entrada del amplificador operacional no inversor es mucho mayor que la del amplificador inversor. Se puede obtener este valor experimentalmente colocando en la entrada no inversora una resistencia R de valor conocido.

SUMADOR La fórmula para poder identificar el voltaje de salida está determinada por la siguiente ecuación: Ecuación. Ganancia AO Sumador Inversor.

SUMADOR El circuito a implementar en este laboratorio se realizó un A. O LM 741 en configuración sumador inversor.

SUMADOR Obtendremos en el osciloscopio la siguiente señal siendo la amarilla de entrada y la blanca de salida, sumador inversor aun si sumarle la segunda señal de entrada visualizamos lo siguiente:

SUMADOR En la siguientes imágenes podremos visualizar el resultado de la señal sumada:

SUMADOR En la siguiente imagen visualizaremos la señal que aplicamos desde el generador de señales:

SUMADOR La respuesta a la pregunta de cómo no afectan la una a la otra. La corriente de entrada es tan baja (0, 08 microamperios para el 741, picoamperios si el op-amp tiene entradas FET), la corriente en A debe ser cero, de modo que: Que para resistencias iguales viene a ser: A continuación veremos la configuración restador:

RESTADOR

RESTADOR La fórmula para poder identificar el voltaje de salida está determinada por la siguiente ecuación: Ganancia AO Restador Inversor.

RESTADOR En el osciloscopio visualizamos las siguiente señales siendo la amarilla la de entra y la blanca la de salida. Imagen 1. Señal visualizada en el osciloscopio. Imagen 2. Señal visualizada en el osciloscopio

3. 4 APLICACIONES BÁSICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES 3. 4. 6 DIFERENCIADOR

DIFERENCIADOR El amplificador derivador también llamada amplificador diferenciador realiza la función matemática de la derivación, es decir la señal de salida es la derivada de la señal de entrada.

DIFERENCIADOR SEÑAL SINODAL La señal de entrada es la de color verde y la de salida es la de color amarillo. Se puede observar que la señal de salida es una señal coseno de ganancia uno, que es la derivada de una señal seno.

DIFERENCIADOR SEÑAL TRIANGULAR La señal de entrada es la de color verde y la de salida es la de color amarillo. Se puede observar que la señal de salida es una señal cuadrada, que es la derivada de una señal triangular, y que además tiene una ganancia de dos.

DIFERENCIADOR SEÑAL CUADRADA La señal de entrada es la de color verde y la de salida es la de color amarillo. Se puede observar que la señal de salida es una señal pulso, que es la derivada de una señal cuadrada.

DIFERENCIADOR Problema de amplificación: El amplificador derivador presenta el problema de que si por la entrada además de la señal de entrada, ingresa una señal de ruido de alta frecuencia, la señal de ruido es amplificada mas veces que la señal de entrada que se quiere derivar. Esta amplificación es proporcional al cociente de la frecuencia de la señal de ruido sobre la frecuencia de la señal de entrada. Por ejemplo se diseña un derivador para una frecuencia de 10 k. Hz, y la señal de ruido es de 1 MHz, pues la señal de ruido será amplificada 100 veces más que la señal de entrada, y si la señal de ruido tiene una frecuencia de 100 MHz, pues será amplificada 10000 veces más que la señal de entrada

DIFERENCIADOR Problema de amplificación: Este problema no se puede solucionar, pero se puede controlar agregando una resistencia en serie al condensador de entrada, que lo que hará es limitar la ganancia para frecuencias superiores a la del diseño del derivador. El circuito queda de la siguiente manera:

DIFERENCIADOR Problema de amplificación: Donde la vi es la señal de entrada, y v. HF representa cualquier señal de ruido con una frecuencia 100 veces o más a la que tiene la señal de entrada. El valor de las resistencias R y R 1 varía de acuerdo a si la señal de entrada es senoidal, triangular o cuadrada.

DIFERENCIADOR • Señal senoidal • Señal triangular • Señal cuadrada

DIFERENCIADOR R+ es una resistencia cuya función es la de balancear el circuito (eliminar corriente de bias). A es la ganancia de la señal de entrada vi. La función de R 1 es limitar la ganancia de cualquier señal de ruido de alta frecuencia. El valor de C es libre. Una señal de ruido en telecomunicaciones es una señal de muy baja amplitud, normalmente por el orden de micro voltios (μV), y de una frecuencia muy elevada, por el orden de cientos de Mega Hertz (MHz) o mas.

3. 4 APLICACIONES BÁSICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES 3. 4. 7 INTEGRADOR

INTEGRADOR Un amplificador integrador realiza la función matemática de la integración, es decir la señal de salida es la integral de la señal de entrada. Donde k representa la carga inicial del condensador.

INTEGRADOR Señal cuadrada La señal de entrada es de color verde, y la señal de salida es de color amarillo. Se puede observar que la ganancia es exactamente 2, y que la señal de salida es una señal triangular bipolar, que es la integral de una señal cuadrada.

INTEGRADOR Señal senoidal La señal de entrada es de color verde, y la señal de salida es de color amarillo. Se puede observar que la ganancia es 1, y que la señal de salida es una señal coseno, que es la integral de una señal seno.

INTEGRADOR Señal triangular La señal de entrada es de color verde, y la señal de salida es de color amarillo. Se puede observar que la ganancia es exactamente 0. 5, y que la señal de salida es una señal parabólica bipolar, que es la integral de una señal triangular.

INTEGRADOR Problemas de amplificación: El amplificador integrador presenta el inconveniente de que si la señal de entrada es una señal dc, o tiene una componente dc, se satura y ya no integra. Este problema no se puede solucionar, pero se puede controlar agregando una resistencia en paralelo al condensador, que lo que hará es limitar la ganancia en dc del integrador. Este problema no se puede solucionar, pero se puede controlar agregando una resistencia en paralelo al condensador, que lo que hará es limitar la ganancia en dc del integrador. El circuito queda de la siguiente manera:

INTEGRADOR Problemas de amplificación: Donde Vac es la componente ac de la señal de entrada, y Vdc es la componente dc de la señal de entrada. Si la señal de entrada no tiene componente dc.

INTEGRADOR • Señal senoidal • Señal cuadrada • Señal triangular

INTEGRADOR R+ es una resistencia que se coloca para balancear el circuito (eliminar corriente de bias). La función de RF es limitar la ganancia de la componente dc de la señal de entrada. A es la ganancia de la componente ac de la señal de entrada. El valor de C es libre. Normalmente el voltaje offset por defecto que tiene un amplificador operacional está en el orden de los mili-voltios. El valor de R+ esta dado por: