1
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 1
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicacin de Vigo
Departamento de Tecnologa Electrnica
SENSORES Y ACONDICIONADORES
TEMA 13
AMPLIFICADORES PARA EL ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES
Profesores: Enrique Mandado PrezAntonio Murillo Roldan
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 2
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Departamento de Tecnologa Electrnica
INTRODUCCIN
Numerosos sensores proporcionan variaciones porcent uales muy pequeas de un parmetro elctrico en funcin de un a variable fsica de entrada.Ejemplo: Las galgas extensomtricas
Es ms fcil medir tensiones pequeas que tener una gran resolucin en la medida de tensiones grandes.
La mayora de los sensores proporcionan seales con tinuas que pueden permanecer en un determinado nivel durante u n tiempo indefinido.
Consideraciones generales
2
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 3
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Departamento de Tecnologa Electrnica
Caractersticas [PERE pagina 41]
Ad =
Zi =
Zo = 0
Anchura de banda =
Relacin de rechazo de modo comn CMRR ( Common Mode RejectionRatio ) infinita
c
dACA
MRR =
-
+
IB1
IB2
)v(-v(-)v
A od +=
c
oc V
VA =
Con V(-) - V(+) = 0
-
+Vc
+
-
Con V c = 0-
+
+-
-+
Vd /2
Vd /2Vo
Vo
CARACTERSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
Amplificador operacional (AO) ideal
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 4
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Departamento de Tecnologa Electrnica
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Q1 Q2
Q3 Q4
Q7
Q5 Q6Q 1 0
Q9Q8
Q 1 1
Q1 3
Q 1 2
Q1 5
Q1 4
Q1 6
Q1 7
Q 1 8
Q1 9
Q
Q2 1
Q2 2
Q 2 3
Q 2 4R2 R3 R4
R5 R6
R1
R7
R8R9
R 1 0
R 1 1
C1
I+
I-
+ V cc
V o
-V ee
T erm in a les d e a ju ste d e o f fset
Q1 Q2
Q3 Q4
Q7
Q5 Q6
Q9Q8 Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q 2 0
Q
R2 R3 R4
R5 R6
R1
R7
R8R9
R
R
C1
I+
I-
+ V cc
V o
-V ee
T erm in a les d e a ju ste d e o f fset
E tap a d een trad a E tap a d e salid a
E tap ain term ed ia
+
-IN V .V o
+ V cc
-Vee
N OIN V .
O F F S E T
+-
(a)
Ejemplo: AO 741
Etapadiferencial
Etapaintermedia
Etapade salida
3
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 5
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AO ideal
[PERE pagina 41]
Como consecuencia de las caractersticas antes cita das:
Las corrientes a travs de los dos terminales de en trada del AO,denominadas corrientes de polarizacin ( Bias currents ), son nulas.
El AO no carga al circuito que se conecta a cualquie ra de sus entradas.
La tensin de salida del AO no se modifica al conec tar una carga a la salida, independientemente del valor de la misma.
El AO no atena ninguna seal de entrada independien temente de su frecuencia.
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 6
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CARACTERSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
+
-
R 2
R 1v i
v o
NO
MB
RE
CIR
CU
ITO
AP
LIC
AC
ION
ES
YC
OM
EN
TA
RIO
S
Amplificador que invierte la seal de entrada.
Amplificador inversor
Amplificador que no invierte la seal de entrada. Su ganancia es siempre superior a la unidad.
Amplificador no inversor
Amplificador sumador/restador.
Amplificador genrico
+
-
R 2
R 1
v i
v o +
-R 1
v 1
v o
R 2R 1
R 2R 1
R 1
v 2
v 3
v 4
i1
2o vR
Rv = i
1
21o vR
RRv
+= ( )12431
2o vvvvR
Rv +=
AO ideal (operadores analgicos bsicos) [PERE pagin a 50]
4
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 7
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AO ideal (operadores analgicos bsicos)
+
-
v i
v o
NO
MB
RE
CIR
CU
ITO
AP
LIC
AC
ION
ES
YC
OM
EN
TA
RIO
S Circuito adaptador de impedancias. Posee una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida.
Seguidor de tensin
Amplificador utilizado para restar. Es el elemento bsico de los amplificadores de instrumentacin (AI).
Amplificador de modo diferencial o restador
Circuito bsico que proporciona una tensin de salida a partir de una corriente de entrada.
Convertidor corriente-tensin
+
-R 1
v o
R 2
R 2
R 1
v 1
v 2
io vv = iR=ov( )121
2o vvR
Rv =
+
-
R
i
Vo
CARACTERSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 8
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NO
MB
RE
CIR
CU
ITO
AP
LIC
AC
ION
ES
YC
OM
EN
TA
RIO
S
Circuito bsico que genera una corriente a partir de una tensin.
Convertidor tensin-corriente
Circuito que calcula la integral de una tensin de entrada.
Integrador
Circuito que calcula la derivada de una tensin de entrada.
Derivador
+
-CR
v iv o
+
-
C
R
v iv o
1
io R
vi =
dt)t(dv
CRv io == dtt)(v
CR
1v io
+
-
R 2
R 1
v i
R 2
R 1
I o
R
CARACTERSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALESAO ideal (operadores analgicos bsicos)
5
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 9
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+
-
R 1
R 1v i
R 2
R 2 / 2
+
-
R 2
v o
NO
MB
RE
CIR
CU
ITO
AP
LIC
AC
ION
ES
YC
OM
EN
TA
RIO
S
Circuito que rectifica la tensin de entrada y elimina la influencia de la cada de tensin en el diodo.
Rectificador de precisin
io vv =
CARACTERSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
AO ideal (operadores analgicos bsicos)
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 10
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AO ideal (Comparadores)
Como el anterior pero la histresis se introduce alrededor de la tensin de referencia V ref 0
Comparador con histresis
Circuito que compara la tensin Vi con el nivel cero e introduce una histresis para evitar la conmutacin de la salida cuando Vi vara alrededor de cero
Comparador con histresis
Circuito que compara una tensin de entrada con una tensin de referencia.
Comparador bsico
CARACTERSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
+
-
Vi
VrefVo
+Vcc
-Vcc
+Vcc
-VccVref
+
-
R1
V1
R2
Vo
Vcc
-VccH
2 R2 VccR1+R2
H=
+
-
R1
V1
R2
Vo
Vref
Vcc
-VccH
2 R2 VccR1+R2
H=
Vref
6
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 11
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IMPERFECCIONES ESTTICAS [PERE pgina 55]DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Influencia de la ganancia diferencial en bucle abie rto A d(Open Loop Gain)
i
21
1d
do v
RRR
A1
Av
++
=Vo
+
-R1
R2
Vi
Vd
i+
i -
i+= 0
i-= 0
si A d = , resulta: i1
2o vR
R1v +=
En la prctica la ganancia A d no es infinita. Los AO de aplicacin general como e l AO-741 tienen una ganancia tpica (A d) del orden de 100 dB (10 5).
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 12
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La resistencia de entrada es de algunas centenas de K en los AO cuya etapa de entrada utiliza transistores bipolares y a lcanza los 10 6 M en los AO con etapa de entrada implementada con transistor es de efecto de campo (FET).
( )id
1d
2
1
dio
rR
1A1RR
Avv
+++=
VO+
-
R2
ViR1
ii
+ AdVdVd r id
a
b
VoAd(-Vb)
ViR1
Vb
VoR2
(a) (b) (c)
si A d = r id = , resulta:
Efecto de la resistencia de entrada en un circuito i nversor
i1
2o vR
Rv =
IMPERFECCIONES ESTTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Influencia de la resistencia de entrada ( Input Resistance)
7
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 13
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Su influencia en V o es pequea
i
L
o
21
o
21
1d
21
o
21
2d
o v
Rr
RRr
RRR
A1
RRr
RRR
Av
++
++
+
++
+
=si r o = 0 y Ad = , resulta: i
1
2o vR
Rv =
(a)(b)
Ad(-Vb)
ViR1
Vo
R2
RL
R0
(c)
VO
ViR1
RL+
-
R2
Vd
ii
+AdVd
Vd
a
b
Voro
IMPERFECCIONES ESTTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Influencia de la resistencia de salida r o (Output Resistance)
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 14
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Nivel de la tensin que hay que aplicar entre ambas entradas cuando la tensin externa es nula, para que lo sea tambin la tensin de salida.
Su influencia es mayor cuanto menor es el nivel de l a seal a amplificar.
(a) (b)
1
21iood1 R
RRvv
+=
Tensin de asimetra (desviacin o desequilibrio) d e entrada
(Input Offset Voltage ) [V io/Vos]
Vd
a
b
Vo
+
-Vx
Vio
R1
+
-
R2
|Vod1|Vio
IMPERFECCIONES ESTTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
8
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 15
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Corrientes i B1 e iB2 que circulan a travs de los dos terminales de entr ada.
VdVo
RTH+
RTH-
+
-
i b1
i b2
AMPLIFICADOR REAL
AMPLIFICADOR IDEALLas corrientes i B1 e iB2 generan una tensin diferencial de entrada:
Los fabricantes proporcionan:
b2Thb1Thd iRiRv + =
2ii
i B2B1B+= B2B1io iii =
Corrientes de polarizacin I B1 e IB2 (Input Bias Currents )
Corriente de asimetra (desviacin o desequilibrio) de entrada (I nput Offset Current )
Diferencia entre i B1 e iB2.
IMPERFECCIONES ESTTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 16
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Influencia de las corrientes de polarizacin
o
+
-R1
R2
V
Vi
R1//R2(Rcomp )
+
-R1
R2
Vo
ViR1//R2(Rcomp )
+
-
R
Vo
R
i
(Rcomp )
+
-
R
Vo
Vi
R
C
(Rcomp )
+
-R
Vo
Vi
R
C
(Rcomp )
Para disminuir la influencia de las I B se utiliza R comp que iguala las resistencias equivalentes conectadas a ambas entrad as.
Para disminuir la influencia de I io no se deben utilizar resistencias de valores elevados (superiores a algunos K ).
No se puede eliminar de esta forma el efecto de la corriente de asimetra de entrada.
IMPERFECCIONES ESTTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
9
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 17
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Departamento de Tecnologa Electrnica
CARACTERSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES
AMPLIFICADOR 741
Corrientes depolarizacin
Q3
Q10
R4
Q1 Q2
Q4
Q11
Q6Q5
R2R3
Q7Q7Q7
I+
I-
R 1
I B1
I B2
Q9Q8
~ 2,6 mV
Ajuste de offset(potencimetroexterno)
Vo
Tensin dedesviacinde entrada
Corrientesde entrada
Imperfecciones estticas del AO 741
Imxima = 20mA
+Vcc
-Vee
Vo
Q13
Q15Q14
Q17
Q20
Q21
Q24
R6
R7
R8R9 R11
C1
Q18
Q19
Q16 Q22
Q23
Margen de Vo
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 18
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(b)
+
-V o
+V cc
-V ee
741
Offset nullpins
Afecta negativamente al ancho de banda
(a)
+
-V o
+V cc
-V ee+V cc -V ee
Compensancin de la tensin de asimetra ( Offset ) de salida
La tensin de salida debida a la tensin de asimetr a de entrada y a la diferencia entre las dos corrientes de polarizacin de entrada recibe el nombre de tensin de asimetra de salida.Algunos AO poseen terminales para anular la tensin de asimetra de salida ( offsetnull pins/ Vos TRIM) mediante un potencimetro. Si el AO no posee dichos terminales,
el ajuste se puede realizar a travs de la entrada no inversora.
IMPERFECCIONES ESTTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
10
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 19
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Departamento de Tecnologa Electrnica
Adems de tener una ganancia diferencial A d, los AO reales amplifican la seal aplicada simultneamente a ambas entradas y l a multiplican por un factor A c
dBA
log20CMRRc
d
= A
ccddv vAvAo +=
-
+
V2
+
-
V1
+
-
Vo
-
+
+-
-+
Vd /2
Vd /2
Vc
+
-
Vo
2/vvv;2/vvv;vvv dc1dc212d =+==
Se define la relacin de rechazo de modo comn CMRR como:
Relacin de rechazo de modo comn CMRR (Common Mode Rejection Ratio)
IMPERFECCIONES ESTTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 20
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Departamento de Tecnologa Electrnica
Amplificador en modo diferencial o restador
Si se considera:
se tiene:
Esta expresin indica que la salida del amplificador de modo diferencial es igual al valor ideal ms un trmino que es tanto mayor cuanto menor es el CMRR.
CMRRv
RR
)v(vRR
v 21
212
1
2o +=
Vo
+
-R1
R2
V1
R1
R2
V2
Vd
V+
V-
AdVd
AcVc
1
21cd R
RR2
AA
++>>
IMPERFECCIONES ESTTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Relacin de rechazo de modo comn CMRR (Common Mode Rejection Ratio)
11
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 21
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Departamento de Tecnologa Electrnica
Resumen (I)
iv
RR
R
21
1d
do
A1
Av
++
=
Parmetro Influencia Cundo hay que tenerlo en cuenta y otras considera ciones
-Vomax+Vomax
Siempre es una limitacin
Importante si la tensin de alimentacin es baja (equipos porttiles)
En los AO de punta a punta ( rail-to-rail)
Vomax es casi igual a V CC
Rango de la tensin de salida(Output Voltage Swing )
omaxoomax vvv- +
EFECTOS DE LAS IMPERFECCIONES ESTTICAS SOBRE EL AO EN CONFIGURACIN NO INVERSORA
A d Con ganancias elevadas (R 2 grande en relacin
con R 1)
Con valores bajos de A d Cuando se tengan en cuenta la mayora de los
dems parmetros
Ganancia diferencial en bucle abierto(Open Loop Gain )
r id Con valores altos de resistencias R 1 y R2 Cuando la fuente de tensin de entrada tiene alta
resistencia de salidaResistencia de entrada(Input Resistance )
ro Con niveles de carga en la salida elevados
Es un parmetro poco importante en generalResistencia de salida(Output Resistance )
iv
RR
R
21
1d
do
A1
Av
++
=
i
id
v
RR
R
r
RR
21
1d
21
do
A//
1
Av
+++
=
io
L
o
v
RR
R
RR
r
R
r
21
1d
21
do
A1
Av
++
+++
=
IMPERFECCIONES ESTTICASDEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 22
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicacin de Vigo
Departamento de Tecnologa Electrnica
Resumen (II)
iv
RR
R
21
1d
do
A1
Av
++
=
Parmetro Influencia Cundo hay que tenerlo en cuenta y otras consideraciones
Vio (Vso) Cuando las entradas tienen un nivel de CC.
Cuando la tensin de entrada es pequea.
Puede ser preciso realizar ajustes.
Es uno de los parmetros ms importantes al seleccionar el AO.
Hay que evitar la saturacin debida a la tensin de asimetra de salida en casos de ganancia alta.
Tensin de asimetra(Input Offset Voltage)
(expresin vlida para la configuracin inversora y para la diferencial)
EFECTOS DE LAS IMPERFECCIONES ESTTICAS SOBRE EL AM PLIFICADOR NO INVERSOR
I BIio
Igual que en el caso de la tensin de asimetra.
IB se puede eliminar pero a veces no es necesario.
Con valores altos de las resistencias R 1 y R2Corrientes de polarizacin y asimetra(Input Bias and Offset Currents ) (Se aade a la tensin de desviacin)
Relacin de rechazo de modo comn
(Common Mode RejectionRatio )
(CMRR) Ad / Ac
Afecta al valor de la ganancia.
No tiene mucha influencia en el amplificador no inversor
(Slo para el amplificador en modo diferencial)
Cuando la tensin de modo comn tiene un valor elevado.
Cuando se pretende eliminar ruido de modo comn
Cuidado con su comportamiento en frecuencia!
dBiO vv +=ioTOTALv
( )i
21
1cd
cdo v
RRR
2/AA1
2/AAv
+++
+=
( )CMRR
vRR
vvRR
v 21
212
1
2o +=
1
21ov R
RRvv iooideal
++=
IMPERFECCIONES ESTTICASDEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
VdB= IB |RTH+ - RTH-|+ Iio |RTH+ - RTH-| / 2
12
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 23
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Departamento de Tecnologa Electrnica
Resumen (III)
Parmetro Influencia Cundo hay que tenerlo en cuenta y otras consideraciones
EFECTOS DE LAS IMPERFECCIONES ESTTICAS SOBRE EL AM PLIFICADOR OPERACIONAL EN CONFIGURACIN NO INVERSOR A
PSRR En sistemas porttiles (Alimentados con bateras)
Puede ser conveniente incluir reguladores de tensin en la alimentacin
Slo se tiene en cuenta para variaciones lentas
Relacin de rechazo de la alimentacin
(Power Supply RejectionRatio )
o
nAlimentaci
VV
log20SRRP
=
IMPERFECCIONES ESTTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 24
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Departamento de Tecnologa Electrnica
Ancho de banda ( Bandwidth )
lo g f0d B
1/
A
0
-90
-180
-20d B /d ec
-40d B /d ec
lo g f
IMPERFECCIONES DINMICAS [PERE pgina 76] DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Definicin: Rango de frecuencias para el que la dis minucin de la ganancia es inferior a 3 dB ( 2). Por ejemplo en el 741 es 4Hz.
Debido a las capacidades parsitas la ganancia de u n AO disminuye al elevarse la frecuencia de las seales que se le aplican. Los AO en cuyo circuito no se conectan condensadores se comportan como sistemas l ineales de segundo orden que tienen dos polos en su diagrama ganancia-frecue ncia.
13
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 25
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Departamento de Tecnologa Electrnica
Ancho de banda ( Bandwidth ) de un circuito implementado con un AO
Vo+
-R1
R2
Vi
Ad
106dB
log f0dB
1/
B
B0dB
B
Ganancia delcircuito
Ad
A
Circuito amplificador no inversor realimentado con un factor Ganancia del amplificador no
inversor
21
1
1
RR
R
A
AG
d
d
+=
+=
IMPERFECCIONES DINMICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Se obtiene a partir de la curva de ganancia en bucle abierto del AO y de la ganancia del circuito.
Ejemplo: AO741
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 26
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Departamento de Tecnologa Electrnica
Pendiente de cambio ( Slew Rate )
Vo+
-Vi
Vo
Log f
Vo
t
t
Vo
Vo
t
t
SR
SR
dtdVo
dtdVo
SR
SR
Log ff
ArmnicosgeneradosPrdida de
Real
Terica
SRSR
max
max 2
..
oV
RSf
=
IMPERFECCIONES DINMICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Mxima pendiente de cambio de la seal de salida (s e suele indicar en V/s).
14
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 27
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicacin de Vigo
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AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Principales parmetros que caracterizan a los AO rea les
La corriente de polarizacin de entrada I B (Input bias current ).
La corriente de asimetra de entrada I IO (Input offset current ).
La tensin de asimetra de entrada V IO (Input offset voltage ).
La mxima corriente de salida I OMAX (Maximum output current )
La ganancia de tensin en bucle abierto A O (Open loop voltage gain ).
La relacin de rechazo de modo comn denominada CMR R (Common Mode Rejection Ratio ).
La mxima pendiente de cambio de la tensin de sali da, denominada SR (Slew Rate ).
La resistencia de entrada R i (Input resistance ).
La resistencia de salida R o (Output resistance ).
El producto ganancia/ancho de banda ( Gain bandwidth product ).
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 28
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicacin de Vigo
Departamento de Tecnologa Electrnica
AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL
Como resumen de todo lo expuesto anteriormente se p uede decir que el AO ideal se caracteriza por tener los siguie ntes valores de los diferentes parmetros de un AO real:
Corrientes de polarizacin y de asimetra de entrad a nulas.
Tensin de asimetra de entrada nula.
Ganancia de tensin en bucle abierto infinita.
Relacin de rechazo de modo comn infinita
Mxima pendiente de cambio de la tensin de salida, infinita.
Resistencia de entrada infinita.
Resistencia de salida nula.
Producto ganancia ancho de banda infinito.
15
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 29
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicacin de Vigo
Departamento de Tecnologa Electrnica
Clasificacinde los
AmplificadoresOperacionales
Reales
Segn la tecnologade implementacin
Segn el valor de losparmetros estticos
Segn el valor de losparmetros dinmicos
De aplicacin general(General Purpose )
De parmetros mejorados(Low Offset, Low Drift, etc. )
Bipolares
BIFET
CMOS
Compensados internamente(Internal Compensation )
No compensados internamente
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 30
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Departamento de Tecnologa Electrnica
Tecnologas de implementacin
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Amplificadores operacionales bipolares
Son AO en los que todos los transistores son bipola res NPN y PNP. Pueden ser de aplicacin general o de parmetros es tticos mejorados.
Segn la respuesta dinmica pueden estar compensado s internamente o no.
Amplificadores operacionales BIFET
Poseen transistores de efecto de campo en la etapa de entrada y bipolares en el resto. Tienen corrientes de polarizacin redu cidas pero en general mayor tensin de asimetra de entrada y mayor deriv a trmica.
Amplificadores operacionales CMOS
Realizados con transistores MOS de canal P y canal N. Se caracterizan por su bajo consumo y por tener corrientes de polarizac in prcticamente nulas.
16
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 31
E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicacin de Vigo
Departamento de Tecnologa Electrnica
AO de aplicacin general
Se caracterizan por tener los siguientes valores de sus parmetros mas caractersticos:
Corrientes de polarizacin y de asimetra del orden de decenas de nA.
Tensin de asimetra de entrada del orden de alguno s mV.
Ganancia en bucle abierto del orden de 100dB.
Resistencia de entrada del orden de varios M .
Resistencia de salida del orden de las centenas de .
Relacin de rechazo en modo comn del orden de 90 d B.
Producto de la ganancia por el ancho de banda compre ndido entre 1 y 10 MHz segn estn o no compensados internamente.
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 32
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Se suelen realizar con transistores bipolares y se p ueden considerar ideales si se les aplican seales cuya amplitud no es inferior a algunas unidades de mV y su frecuencia no supera las decenas de KHz.
Segn su respuesta en frecuencia se dividen en dos c ategoras:
AO de aplicacin general compensados internamente.
AO de aplicacin general no compensados internamente .
AO de aplicacin general
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL
17
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 33
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AMPLIFICADOR OPERACIONAL REALDE APLICACIN GENERAL COMPENSADO INTERNAMENTE
Incorpora en su etapa intermedia un condensador que hace que su segundo polo est situado en el punto en el que la curva de respuesta en frecuencia se corta con el eje de abscisas del diag rama que representa la ganancia en bucle abierto en funcin de la frecu encia. Se suele decir que el primer polo es dominante. Se logra as que el amplificador operacional realimentado sea siempre estable.
lo g f0d B
1/
A
0
-90
-180
-20d B /d ec
-40d B /d ec
lo g f
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 34
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Ejemplo: AO 741
El condensador C1 hace que el primer polo sea el dom inante.
(c)
(b)
+
-INV.Vo
+V cc
-V ee
NOINV.
OFFSET
+
-
(a)
Q 1 Q 2
Q3 Q 4
Q7
Q 5 Q6Q
10
Q 9Q 8
Q 11
Q13
Q 12
Q15
Q14
Q16
Q17
Q18
Q19
Q
Q21
Q22
Q23
Q24
R2 R3 R4
R5R6
R1
R7
R8R9
R 10
R 11
C 1
I+
I -
+ Vcc
Vo
- Vee
Terminales de ajuste de offset
Q 1 Q 2
Q3 Q 4
Q7
Q 5 Q6
Q 9Q 8 Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q20
Q
R2 R3 R4
R5R6
R1
R7
R8R9
R
R
C 1
I+
I -
+ Vcc
Vo
- Vee
Terminales de ajuste de offset
Etapa deentrada Etapa de salida
Etapaintermedia
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIN GENERAL COMPENSADO INTERNAMENTE
18
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 35
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Respuesta en frecuencia del AO 741
(c)(b)
+
-INV.Vo
+V cc
-V ee
NOINV.
OFFSET
+
-
(a)
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIN GENERAL COMPENSADO INTERNAMENTE
Ad
106 dB
0 dB
4 Hz 1,5 MHz
-20 dB/dc
log f
741
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 36
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Al realimentar un amplificador operacional no compe nsado internamente se puede tener una ganancia superior a 1 con un des fase de 180 (realimentacin positiva) y el amplificador oscila.
0dB
A
-20dB/dec
-40dB/dec
B
1/
Ad
log f 0dB
A
-20dB/dec
-40dB/decINESTABLE! 1/
(d)
A d
log f
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIN GENERAL NO COMPENSADO INTERNAMENTE
19
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 37
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Permiten que el diseador pueda compensar el circui to externamente mediante la utilizacin de un condensador conectado de acuerdo con las indicaciones del fabricante.
log f0dB
-20dB/dec
-40dB/dec
1/
(a)
Ad
Compensacin
log f0dB
A
-20dB/dec
-40dB/dec
1/
(b)
Ad
Compensacin
-20dB/dec
1/
d Ad
AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIN GENERAL NO COMPENSADO INTERNAMENTE
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 38
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AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE CARACTERSTICAS MEJORADAS
Se pueden denominar amplificadores operacionales de caractersticas mejoradas los que poseen caractersticas estticas o dinmica s mejores que las de los amplificadores de aplicacin general.
Su denominacin vara de unos fabricantes a otros s egn el parmetro caracterstico que desean destacar. Como ejemplo se puede citar:
NE5512: se denomina AO de prestaciones elevadas ( Dual High-Performance ) porque su I B es inferior a 20 nA y su V OS (VIO es inferior a 1 mV) y la deriva de temperatura de V OS (VIO) es inferior a 5 V/C.
OP07: se denomina AO de pequea asimetra y deriva ( Low Offset, Low Drift ) porque su V O es inferior a 75 V y la deriva de temperatura de V OS (VIO) es inferior a 0,6 V/C.
TL082: se denomina AO JFET de elevado ancho de banda ( Wide Bandwidth ) porque su ancho de banda es de 4 MHz, pero tambin tiene una corriente de polarizacin de entrada de 50 pA y una elevada pendi ente de cambio SR de 13 V/s.
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Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 39
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FILTROS ANALGICOS [PERE pgina 145]
Son cuadripolos que atenan determinadas frecuencias del espectro de la seal que se les aplica y permiten el paso de la s dems sin atenuarlas.
Funcin de transferencia
011
011
...
...
)(
)()(
bsbsbs
asass
s
ssH
nn
mm
++++++++==
1-n
1m-m
i
o aavv
)p)...(sp)(sp(s
)z)...(sz)(sz(saH(s)
n
mm
=
21
21
Sacando factor comn:
n: orden del filtro
pn: poloszm: ceros Para que el filtro sea realizable n m
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 40
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Parmetros de diseo
Banda de pasoBanda
detransicin
Banda suprimida
fp
Amax
fs
Amin
0
|H| (dB)
f
FILTROS ANALGICOS
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Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 41
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CLASIFICACIN DE LOS FILTROS
Clasificacinde losFiltros
Segn la funcin detransferencia queimplementan
Segn el modelo de lafuncin de transferencia
Segn el tipo de sealque procesan
Paso bajo
Paso alto
Paso banda
Rechazo de banda
Pasivos
Activos
Conmutados
Butterworth
Chebyshev
Bessel
Analgicos
Digitales
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 42
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Funcin de transferencia
(a) Filtro paso bajo
f fffc fc
fc2 fc2fc1ffc1
Ideal
Real
0 0 0 0
-3
f0 f0
-3-3-3
(dB)H (dB)H
(b) Filtro paso alto (c) Filtro paso banda (d) Filtro rechazo de banda
Bandade paso
Bandade paso
Bandade paso
Bandade paso
Bandade paso
(dB)H(dB)H
Paso bajo
v i v o
Paso alto
v i v o
Paso banda
v i v o
Rechazo de banda
v i v o
FILTROS ANALGICOS ACTIVOS
22
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 43
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Modelos matemticos
Butterworth, Chebyshev y Bessel
t
Bessel
Chebyshev
Butterworth
io vv
Respuestas temporales a una entrada en escaln
FILTROS ANALGICOS ACTIVOS
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 44
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Modelos matemticos
Ejemplo: Filtro paso bajo.
Modelo de Butterworth
Funcin de transferencia
0,01 0,1 100
10
0
-30
-50
1 10
n=3
-60
-40
-20
-10
-70
-80
n=2
n=1
n=4
|H| (dB)
Frecuencia normalizada (f / f c )
( )n
pf
f
jf2
21
+
=
1H
en la cual:
n es el orden del filtro.
es el parmetro que determina el rizado.
fp es la frecuencia extrema de la banda de paso.
FILTROS ANALGICOS ACTIVOS
23
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 45
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Modelos matemticos
Ejemplo: Filtro paso bajo.
Modelo de Chebyshev
Funcin de transferencia de Chebyshev de tipo I
( ) p
p
para
n
jH
+
=122 coscos1
1
( ) p
p
para
hconh
jH >
+
=122 cos1
1
FILTROS ANALGICOS ACTIVOS
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 46
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Modelos matemticos
Ejemplo: Filtro paso bajo.
Modelo de Bessel
Funcin de transferencia
en la cual:
Bn(s) es el polinomio de Bessel de orden n:
en la cual:
Bessel
Chebyshev
Butterworth
0,1 1 10
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
RC
Frecuencia normalizada (f / f c )
|H | (dB)
( ))(sB
sn
1H =
=n
kkn sasB
0
)(
( )( ) nkparaknkk
akn
n
k ...,,1,0!!2
!2 =
=
FILTROS ANALGICOS ACTIVOS
24
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 47
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Paso alto
Filtros pasivos RC (I)
Filtros que utilizan solamente resistencias y conde nsadores.
Tipo de filtro Respuesta frecuencial Relaciones de inters
Paso bajo
FILTROS ANALGICOS ACTIVOS
R
CV1 Vo
RC
V1 Vo
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 48
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Tipo de filtro Respuesta frecuencial Relaciones de inters
Paso banda
Filtros pasivos RC (II)
Filtros que utilizan solamente resistencias y conde nsadores.
Rechazo de banda
FILTROS ANALGICOS ACTIVOS
R1
R2C2
C1Vi Vo
R
C
Vi Vo
C
R/2
2C
R
25
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 49
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Son filtros que utilizan amplificadores operacional es, condensadores y resistencias.
Topologas o estructuras ms comunes
Sallen-Key
Realimentacin mltiple [ Multiple FeedBack (MFB)]
Variables de estado ( State Variables )
FILTROS ANALGICOS ACTIVOS
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 50
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Topologa Sallen-Key
Estructuras para la realizacin de filtros activos Caractersticas
Sallen-Key
FILTROS ANALGICOS ACTIVOS
ViVo
Z4
+
-
Z1 Z2
Z3
R3
R4
26
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 51
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R1
C1
R4
R3
ViVo
R2
C2
+
-
Paso banda de 2 orden
Paso alto de 2 ordenPaso bajo de 2 orden
Topologa Sallen-Key
FILTROS ANALGICOS ACTIVOS
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 52
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Topologa de realimentacin mltiple ( Multiple Feedback)
Estructuras para la reaizacin de filtros activos Caractersticas
Realimentacin mltiple (MFB)
FILTROS ANALGICOS ACTIVOS
ViVo
Z4
+
Z1 Z3
Z2
Z5
27
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 53
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V iVo
R3
R2
C1
C2
R1
+
-
Paso banda de 2 orden
Paso alto de 2 orden Paso bajo de 2 orden
R1
C3=C
v ivo
C1=C
C2
R2
-
+
Topologa de realimentacin mltiple ( Multiple Feedback)
FILTROS ANALGICOS ACTIVOS
Paso banda de 2 orden
R2
C
vi
vo
C
R3
-
+
R1
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 54
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Departamento de Tecnologa Electrnica
Topologa de variables de estado ( State Variables)
Permiten ajustar todos los parmetros del filtro de forma independiente Se logran valores de Q ms elevados. Las salidas estn disponibles de forma simultnea
FILTROS ANALGICOS ACTIVOS
R1
R2
RF1
RF2R3
R4
C1 C
2
Paso bajo(LP)
Paso alto(HP)
Paso banda(BP)
vi v
o
RQ
-
+-
+
-
+
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Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 55
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Son filtros que reemplazan las resistencias de los filtros activos por interruptores MOS que las emulan.
Ejemplo: Circuito integrador
C2
v ivo
S1S2
C1
Reloj
"R"
-
+
t
v o
Durante el semiperiodo en el que S 1 esta cerrado la carga que se almacena en C 1 es v i C1.
FILTROS ANALGICOS ACTIVOS DE CAPACIDADES CONMUTADAS
Amplificadores para el acondicionamiento de la seal
Tema 13 - 56
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PROGRAMAS DE DISEO DE FILTROS ASISTIDO POR COMPUTADOR
PROGRAMA
FilterLab
FABRICANTE
Microchip(www.microchip.com
)
CARACTERSTICAS
Diseo de filtros hasta de 8 orden
Diseo de filtros anti-aliasing Genera salida para Spice
LIMITACIONES
Slo filtros activos paso bajo Sallen-Key o MFB
No permite respuesta temporal
FilterCADLinear Technology(www.linear.com)
Todo tipo de filtros, respuestas y estructuras
Respuesta frecuencial y temporal
Slo para circuitos integrados de linear
No genera salida para Spice
MAX274Maxim
(www.maxin-ic.com)
Todos los modelos Filtro de variables de estado universal
Slo para DOS Solo para el MAX274 y MAX275
Filter2Texas Instruments
(www.ti.com)
Permite las cuatro funciones y los tres modelos
Estructuras Sallen-Key y MFB Slo para DOS
Filter2Texas Instruments
(www.ti.com) Filtro Universal UAF42 Slo para DOS