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Tema A.1. El amplificador operacional y de transconductancia:
conceptos básicos
Electrónica Básica
Gustavo A. Ruiz Robredo Juan A. Michell Mar<n
DPTO. DE ELECTRÓNICA Y COMPUTADORES
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Ø Las señales que transmiten información pueden ser analógica y digital:
• Señales analógicas toman un rango de amplitudes conMnuo en el Mempo.
• Señales digitales toman un conjunto finito de valores de amplitud (a menudo binarios) a intervalos de Mempo generalmente espaciados uniformemente en el Mempo. Es decir, son señales discretas en amplitud y frecuencia.
Introducción: Analógico versus Digital
Ø El mundo real es analógico (sonido, luz, magnitudes Tsicas, ….) Ø Muchas de las entradas/salidas de los sistemas electrónicos son
analógicos. Ø Muchos sistemas electrónicos, especialmente los que manejas amplitudes
bajas o muy alta frecuencia, requieren una aproximación analógica. 2
Señal analógica Señal digital
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación 3
Mundo digital
Mundo analógico
MEM’s, Sensores, Actuadores
Micrófonos, DisposiMvos de audio
Imagen, display Almacenamiento datos
Radiofrecuencia
Líneas telefónicas, Pares (ADSL)
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Ø El proceso de amplificación de señales de baja amplitud es una de las operaciones básicas que es necesario realizar con circuitos analógicos → Necesitamos amplificadores.
4
Ø Idealmente, un amplificador produce una señal de salida con la misma forma de onda que la entrada pero de mayor amplitud.
Ø El amplificador operacional es el componente básico de la electrónica analógica por su versaMlidad y prestaciones.
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Ø Usualmente denominados AO o “Opera&onal amplifier“ o "op-‐amp“ o “Op Amps” o OA
Un amplificador es un disposiMvo que acepta una señal de entrada variable y produce una señal de salida similar de mayor amplitud.
Introducción al amplificador operacional
Ø Normalmente se conecta su salida con la entrada a través de una realimentación (“Feedback Loop”)
Ø La mayoría de los OAs se comportan como amplificadores de tensión: proporcionan una tensión salida que es una versión amplificada de la tensión de entrada.
Ø Los OAs consMtuyen el componente básico de la mayoría de los sistemas analógicos.
Ø El nombre de amplificador operacional Mene su origen en la capacidad de realizar operaciones matemáMcas tales como derivación e integración.
Ø Las técnicas de fabricación de circuitos integrados han permiMdo desarrollar OAs de altas prestaciones a bajo precio.
5
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Introducción (cont)
Ø Un amplificador operacional es un circuito monolíMco integrado de altas prestaciones con una entrada diferencial (vp,vn) y salida (vo), generalmente, simple.
Ø Campos de uso: § Aplicaciones lineales. § Aplicaciones no-‐lineales. § Circuitos dependientes de la frecuencia
Ø Es uno de los disposiMvos eléctrónicos más uMlizados: equipos de consumo, industria y militar.
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Ø 1941: Primer OA basado en válvulas.
§ Breve reseña histórica
Ø 1961: Primeros OAs con componentes discretos..
Ø 1963: Primer OA monolíto μA702 diseñado por by Bob Widlar (Fairchild Semiconductor). Sin mucho éxito. Bob Widlar diseñó el μA709 con éxito total.
Ø 1968: Se fabrica el μA741 (Fairchild Semiconductor). Rotundo éxito. Todavía se sigue fabricando en la actualidad.
Ø 1970: Primer OA con diseño FET.
Ø 1972: OAs con alimentación simple (Single supply).
…. Diversificación.
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Ø Aplicaciones militares, industriales o comerciales.
• Comercial: 0 °C a 70 °C (a veces−10 °C a 70 °C)
• Industrial: −40 °C a 85 °C (a veces −25 °C a 85 °C)
• Militar: −55 °C a 125 °C (a veces -‐65 °C a 275 °C)
§ Clasificación
Ø Compensación interna o externa para evitar inestabilidad.
Ø Rail-‐to-‐rail input/output con niveles de tensión muy próximos a las
tensiones de alimentación.
Ø OAs programables mediante una resistencia externa para ajustar ganancia,
respuesta en frecuencia, etc…
Ø De acuerdo a su propósito: bajo ruido, ancho de banda, consumo de
potencia, etc..
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i 1 2i
V V V V= = +∑
n Ley de Kirchoff de corriente Kirchoff’s Current Law o KCL
i 1 2 3 4iI 0 I I I I 0= ⇒ − + + =∑
n Regla de división de tensión
22
1 2
RV V
R R=
+1
11 2
RV V
R R=
+
Teoría de Circuitos: Repaso
n Ley de Kirchoff de tensión Kirchoff’s Voltage Law o KVL
Prob A.I.1
9
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Teoría de Circuitos: Repaso (cont. 1)
Regla de división de corriente
n Equivalente Thevenin y Norton
21
1 2
RI I
R R=
+1
21 2
RI I
R R=
+
Thevenin Norton
SS
S
VI
R=
10
Prob A.I.2
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Teoría de Circuitos: Repaso (cont. 2)
Principio de superposición
2 3out1 1
1 2 3
R ||RV V
R R ||R=
+
1 3out2 2
2 1 3
R ||RV V
R R ||R=
+
V1=0
V2=0
R ||R R ||R2 3 1 3 V V V V V out out1 out2 1 2R R ||R R R ||R1 2 3 2 1 3= + = +
+ +
11
Prob A.I.3.B Prob A.I.3.C
2 3R ||R
1 3R ||R
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Amplificación: Conceptos básicos Un amplificador puede ser definido como un disposiMvo o circuito capaz de aumentar (amplificar) una señal dada.
ov
i
VA
V= o
ii
IA
I=
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Amplificación: Conceptos básicos (cont. 1)
iImpedancia de entrada: Z oImpedancia de salida: Z
ov
i
VGanancia en tensión: A
V= o
ii
IGanancia en corriente: A
I=
ov i
i
ZQuestión: Demostrar que A A
Z=
AMPLIFICADOR
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Amplificador Operacional ideal
Ø Se define tensión de entrada en modo diferencial (Vd)
d p nV V V= −
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Ø La ganancia en modo diferencial (Ad) viene reflejada en las hojas de caracterísMcas del fabricante como Large Signal Voltage Gain o Open Loop Voltage Gain (AVOL).
Ø Se define tensión de salida como
( )o d p nV A V V= −
VOL p nA V V→∞ ⇒ =Ø Idealmente,
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CaracterísMcas del OA ideal
Amplificador Operacional ideal (cont2)
Ø Resistencia de entrada ∞
Ø Resistencia de salida 0
Ø Ganancia de tensión en modo diferencial (AVOL) es ∞ ⇒ Vn=Vp
Ø Corrientes de entrada nulas (Ip=In=0)
Ø Ausencia de desviación en las caracterísMcas con la temperatura (no dri4) Ø Ancho de banda ∞ ⇒ independiente de la frecuencia
15
Modelo ideal del OA
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Configuraciones básicas Amplificador inversor
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Prob A.I.4.A
o 2V
i 1
V R A
V R= = −
Signo (-‐) significa un desfase entre la entrada y salida de 180°
Modelo equivalente del amplificador inversor
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Ø Efecto de la fuente de entrada
17
So oi i 1 2 2
V VS S i S 1 S 1 1 S
V VV V R R R A A =
V V V V R R R R R⎛ ⎞⎛ ⎞
= = = = − −⎜ ⎟⎜ ⎟+ +⎝ ⎠⎝ ⎠
Prob A.I.5.A
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Amplificador no-‐inversor
o 2V
i 1
V R A 1
V R= = +
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Prob A.I.4.B
Vi y VO en fase
Modelo equivalente del amplificador no-‐inversor
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación 19
Ø Efecto de la fuente de entrada
So oi i
V V VS S i S
V VV V A A A
V V V V= = = =
Vi=VS al ser Ip=0
Prob A.I.5.B
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Valores prácMcos de las resistencias
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Ø En la asignación de valores a las resistencias externas del OA:
§ Valores muy bajos → Elevado consumo de potencia.
§ Valores muy altos → Incremento ruido y suscepMbilidad a las capacidades parásitas pueden limitar el ancho de banda y originar inestabilidad y oscilaciones.
Ø Valores adecuados, dependiendo de cada aplicación, son
1kΩ < R < 1MΩ
Ø En las expresiones de la ganancia en las configuraciones básicas del OA, se observa que su valor depende de la relación de las resistencias con independencia de su valor individual.
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Amplificador operacional de transconductancia
Ø El amplificador operacional de transconductancia u OTA (OperaMonal Transconductance Amplifier) es un amplificador cuya corriente de salida es directamente proporcional a la tensión de entrada. Es decir, es una fuente de corriente controlada por tensión.
Ø Su campo de aplicación son los osciladores controlados por tensión (VC0), filtros analógicos y, en general, amplificadores de ganancia variable.
Ø El primer OTA es el CA3080 introducido in 1969 por RCA.
Ø Otros OTA populares son LM13600/700 (NaMonal Semiconductor) y el NE5517 (SigneMcs).
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Amplificador operacional de transconductancia (cont 1)
22
Modelo del OTA
( )CC EE BEABC
ABC
ABC
m ABC1
V V VI
R0.1 A I 1mA
OTA LM3080g k I
k=19.2V a 25ºC (Tensión reciproca)−
⎧ − − −=⎪
⎪⎪ µ ≤ ≤⎪⎨⎪ = ⋅⎪⎪⎪⎩
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Electrónica Básica. 2º Curso. Grado en Ingeniería de Tecnologías de Telecomunicación
Amplificador operacional de transconductancia (cont 2)
L m i
oo L L m L i V m L
i
i g vv
v i R g R v A g Rv
= −
= = − ⇒ = = −
L m i
oo L L m L i V m L
i
i g vv
v i R g R v A g Rv
=
= = ⇒ = =
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Prob A.I.9
Configuración inversora Configuración no-‐inversora
Prob A.I.8
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Amplificador operacional de transconductancia (cont 4)
Ø Los diodos de entrada (LM13700, CA3280A, NE5517) permiten linealizar la gm, ampliar el rango de tensión de entrada y proporcionar estabilidad frente a la temperatura.
Linealización con diodos de entrada
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