UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Y TEXTIL
TEMAS
Introducción,
AMPLIFICADORES OPERACIONALES
CONTROLES ELECTRICOS Y AUTOMATIZACIONEE - 621
Conceptos básicos del OPAMEncapsulado:
Inserción SMD
Introducción
• Circuito integrado de bajo coste• Multitud de aplicaciones• Mínimo número de componentes discretos necesarios:
» Resistencias » condensadores.
• Aplicaciones: Cálculo analógicoConvertidores V-I e I-VAmplificadores InstrumentaciónFiltros Activos
Conceptos básicos del OPAM
-
+
+Vcc
-Vcc
Vcc
Vcc
-Vcc ≤ Vo ≤ +VccTensión de salida V0
acotada
AMPLIFICADOR OPERACIONAL AMP OP
-
++
+
+
-- -
ee oe
- Entrada inversora
Entrada no inversora+
Tensiones en el amp op, e+ y e- son tensiones de entrada, y
eo es la tensión de salida
e
-
++
+
+
-- -
CARACTERISTICAS IDEALES DEL AMP OP
e
ee
eK o
e oe
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.
e
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.
K
-
++
+
+
-- -
¿Por qué es tan importante el AMP OP?
e oe
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.
e
K
COMPARADOR con OPAM
0inV refVinV
VoutV entonces , inV Si 100
VoutV entonces , inV Si 100
VoutV entonces ,refV inV Si 10
V outV entonces ,refV inV Si 0
COMPARADOR con OPAM
Circuitos obtenidos a partir del AMP OP
Circuitos obtenidos a partir del AMP OP
Circuitos obtenidos a partir del AMP OP
Circuitos obtenidos a partir del AMP OP
1
2
i
ovni Z
Z1
V
VA
El OPAM realiza operaciones matemáticas, de ahí su nombre (Amplificador operacional)
1
2
i
ovi Z
Z
V
VA
Amplificador Inversor
Amplificador no Inversor
-
+
Vo
ViZ2Z1
-
+
Vo
Vi
Z2Z1
Sumador
Sumador inversor
-
+
Vo
V1R´R1
Rn
R2
Vn
V2
i
Vd
i n
n
2
2
1
1
R
V
R
V
R
Vi
Al ser Vd=0
Como Vo=-R´·i
n
n2
21
1o V
R
´RV
R
´RV
R
´RV
Si R1=R2=…=Rn
-Vo es la combinación lineal de las tensiones de entrada.
n211
o VVVR
´RV
SumadorSumador no
inversorLa tensión de salida Vo es:
V
R
´R1Vo
-
+
VoV´1
R´
R´1
R´n
R´2
V´n
V´2
Vd
R
V+´n
´2
´1
´n
´n
´2
´2
´1
´1
R1
R1
R1
RV
RV
RV
V
Aplicando Millman, V+ será:
Si R´1=R´2=…=R´n
´n´2
´1 VVV
n1
V
1
21
1
2
43
42o R
RV
R
R1
RR
RVV
Amplificador diferencial: Restador
Aplicando superposición:
121
2o VVR
RV
La tensión de salida es proporcional a la diferencia de las tensiones
de entrada
-
+
Vo
V1
R3V2
R4
R1 R2
V+
Si hacemos R1=R3 y R2=R4
Comparador
-
+
Vo
V1
R3V2
R4
R1 R2
V+
1
21
1
2
43
42o R
RV
R
R1
RR
RVV
Aplicando superposición:
Sensores:-Temperatura
- Presión- Humedad
Equipos de medida
Circuito Integrador con OPAM
R
)t(V)t(i i
t
0
ci
c
t
0
cc
)0(VdtR
)t(V
C
1)t(V
)0(Vdt)t(iC
1)t(V
Dado que Vd=0
La tensión Vc
es:-
+
Vo
Vi CR i i
Vd
Vc
Como Vo(t)=-Vc(t) entonces
t
0
cio )0(Vdt)t(VCR
1)t(V
-
+
Vo
Vi CR i i
Vd
Vc
Formas de onda
t [seg]
V [Vol]Vi (sen(t))
Vo (cos(t))
t [seg]
V [Vol] Vi(t)
Vo(t)
t
0
cio )0(Vdt)t(VCR
1)t(V
Circuito Integrador con OPAM
Problema: Saturación de AO
-
+
Vo
ViR i i
Vd
UDi
+-
R1
C
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)
+Vcc
-Vcc
Circuito Integrador con OPAM
Conversor V-I:
Carga no flotante
-
+
Vo
V1R1
is
R2
R1 R2V2
C
V´
V´
i i
i´
i´-isVc
t
0
ci
c )0(VdtR
)t(V
C
1)t(V
1
2c0 R
R1)0(V)t(V
t [seg]
V [Vol] Vi(t)Vo(t)=Vc(t)·(1+R2/R1)
Vc(t)
1
2s R
V)t(i
t
0
csc )0(Vdt)t(iC
1)t(V
Circuito Integrador con OPAM
Circuito Derivador con OPAM
dt
)t(dVC)t(i i
R)t(i)t(VR
dt
)t(dVRC)t(V i
o
Dado que Vd=0
La tensión VR
es:Como Vo(t) es:
-
+
Vo
Vi
C Ri i
Vd
Vc VR
)t(V)t(V Ro
entonces:
-
+
Vo
Vi
C Ri i
Vd
Vc VR
Formas de onda
t [seg]
V [Vol]
Vi (sen(t))Vo (cos(t))
t [seg]
V [Vol]
Vi(t)
Vo(t)
dt
)t(dVRC)t(V i
o
Circuito Derivador con OPAM
dt)t(eKdt
)t(deK)t(eK)t(u IDp
Controlador PID con OPAM
)s(Es
K)s(sEK)s(EK)s(U I
Dp
Circuitos obtenidos a partir del AMP OP
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)
Características del AMP OP
Características del AMP OP
Características del 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.
Corriente bias o corrientes de polarización: Corriente necesaria para la operación de un AMP OP.
Características del AMP OP
Características del AMP OP
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
1fCfpK
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.
toV
SR
Características del AMP OP
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 )
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.