informe previo 6 CIRCUITOS ELECTRONICOS II

AMPLIFICADOR OPERACIONAL

INFORME PREVIO 1. Describa brevemente el circuito interno de un amplificador operacional explicando el principio de funcionamiento Un amplificador operacional se trata de un circuito de propósito general que puede emplearse en multitud de aplicaciones. Por si fuera poco, los modelos necesarios para analizar su comportamiento son muy sencillos, y en l a gran mayoría de los casos, puede asumirse un comportamiento ideal. El componente electrónico conocido como amplificador operacional es realmente un circuito complejo formado por muchos transistores y otros componentes en un solo circuito integrado. El esquema funcional de un amplificador operacional puede verse en la figura.

El amplificador operacional tiene dos entradas. En la primera etapa se amplifica levemente la diferencia de las mismas. Esto se suele expresar también diciendo que se amplifica el modo diferencial de las señales, mientras que el modo común se rechaza. Posteriormente se pasa a segunda etapa de ganancia intermedia, en la que se amplifica nuevamente el modo diferencial filtrado por la primera. La ganancia total es muy elevada, típicamente del orden de 105. Finalmente, en la última etapa no se amplifica amplifi ca la tensión, sino que se posibilita el suministrar fuertes intensidades.

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Para que este dispositivo pueda funcionar es obvio que necesitará una fuente de alimentación que polarice sus transistores internos. Habitualmente se emplean dos fuentes de alimentación, una positiva y otra negativa. De este modo se permite que la salida sea de uno u otro signo. Evidentemente, la tensión de salida nunca podrá superar los límites que marquen las alimentaciones. No olvidemos que el operacional está formado por componentes no generadores.

Opam ua741: El amplificador operacional 741 consiste en tres etapas principales: un

amplificador diferencial en la entrada, un amplificador intermedio de alta ganancia de salida simple y un amplificador de potencia en la salida. Otro conjunto de circuitos importante para su operación incluye un traslador de nivel para desplazar el nivel de DC de la señal de manera que la salida pueda tomar tanto valores positivos como negativos, circuitos de polarización para proporcionar corrientes de referencia a los amplificadores, y circuitos que protegen el amplificador operacional de cortocircuitos en la salida. El 741 esta compensado internamente en frecuencia por medio de una red capacitor-resistor interna. El amplificador esta mejorado aun más por la adición de otras etapas de amplificación, que aíslan los circuitos de entrada, y de más emisores seguidores en la salida para disminuir la impedancia de salida. Otras mejoras producen un aumento en el CMRR, mayor impedancia de entrada, respuesta en frecuencia más amplia, disminución de la impedancia de salida y aumento de potencia.

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CIRCUITOS DE POLARIZACION: Se puede ver varias fuentes de corriente en el amplificador operacional 741 de la figura. Los transistores Q11 y Q12, que tienen en sus bases y colectores conectados, se utilizan como diodos y proporcionan una referencia de corriente en Rs para la etapa de salida del amplificador operacional, esta corriente de polarización se utiliza para proporcionar una corriente de referencia a Q13. Así, Q12 y Q13 forman un espejo de corriente de dos salidas. Una fuente de corriente Wildar, constituida por Q10, Q11 y R4, crea una corriente de polarización para la primera etapa. Otra fuente de corriente proporciona una carga activa para la primera etapa está compuesta por Q8 y Q9. PROTECCION DE CORTOCIRCUITO: El circuito 741 incluye varios transistores que normalmente están en corte y conducen solo en caso que exista una corriente ata en la salida. Entonces cambia la polarización en los transistores de la salida para reducir esta corriente a un nivel aceptable. En el circuito de la figura, la red de protección de cortocircuito consta de los transistores Q15 y Q21 y los resistores R11 y R9. ETAPA DE ENTRADA: Página 3|7

La etapa de entrada es algo complicada ya que requiere proporcionar ganancia de tensión, desplazamiento de nivel y una amplificación diferencia de salida simple. Los BJT utilizados en la etapa de entrada requieren corrientes de polarización grandes, lo cual introduce problemas de desplazamiento, a menudo se utilizan FET en la etapa de entrada. La etapa de entrada del 741 es un amplificador diferencial con carga activa formada por los transistores Q5, Q6 y Q7 y los resistores R1, R2 y R3.Este circuito proporciona una resistencia de carga alta y convierte la señal de diferencial a salida simple sin pérdida de ganancia o capacidad de rechazo común. La salida simple se toma del colector Q6. El traslador de nivel en la etapa de entrada de transistores laterales pnp, Q3 y Q4, que se conectan en configuración BC. El empleo de los transistores laterales Q3 y Q4 brinda una ventaja adicional. Estas ayudan a proteger los transistores de entrada, Q1 y Q2, contra la ruptura de a unión base-emisor. La unión base-emisor de un transistor npn se rompe cuando la polarización inversa excede aproximadamente 7V. La ruptura en los transistores laterales no se produce hasta que la polarización inversa excede alrededor de 50V. Como los transistores están en serie con Q1 y Q2, aumenta la tensión de ruptura del circuito de entrada. ETAPA INTERMEDIA: En varios amplificadores operacionales las etapas intermedias proporcionan ata ganancia a través de varios amplificadores. En el741, la salida simple de la primera etapa se conecta a la base de Q16, que es una configuración emisor-seguidor. Esto proporciona una alta impedancia de entrada a la etapa de entrada, lo cual minimiza los efectos de carga. La etapa intermedia consta también de los transistores Q17 y Q18 y los resistores R11 y R12. La salida de la etapa intermedia se toma del colector de Q17 y se proporciona a Q14 a través de un divisor de fase. El capacitor en el 741 se utiliza para compensación en frecuencia. ETAPA DE SALIDA: Se requiere que la etapa de salida de un amplificador operacional proporcione alta ganancia de corriente a una baja impedancia de salida. La mayoría de estos amplificadores utiliza una etapa de salida simétrica de complementaria para ganar más eficiencia sin sacrificar ganancia de corriente. El amplificador de salida simple tiene una eficiencia máxima de solo 25%. Algunos amplificadores operacionales utilizan un par Página 4|7

Darlington de simetría complementaria para aumentar la capacitancia de salida. La etapa de salida simétrica complementaria en el 741 consiste en Q14 y Q20.

2. Extraiga de la hoja técnica del amplificador operacional LM741 los siguientes parámetros: offset voltaje drift, Rise Time, Bandwisth, Differential Input, Slew Rate, Over Shoot, CMRR, T.H.D. , Input Bias Current, etc. Se acostumbra idealizar el amplificador operacional, por lo que podemos considerar la resistencia de entrada nula y la resistencia de salida infinita. También son infinitos la ganancia de voltaje y el ancho de banda. Over Shoot: Refiere a los valores transitorios de cualquier parámetro que exceda su valor final (estado estable) durante su transición de un valor a otro. Una aplicación importante del término es la señal de salida de un amplificador.  Slew Rate: Representa la incapacidad de un amplificador para seguir variaciones rápidas de la señal de entrada. Se le define como la máxima tasa de cambio en el voltaje de salida cuando el voltaje de entrada cambia. Input Bias Current: Se trata de una señal no audible que induce el magnetismo en la zona lineal de la curva de histéresis. Sin la señal de vías, el material sobre el que se ha magnetizado contaría con menor remanencia magnética. La remanencia magnética es la capacidad de un material para retener el magnetismo que se le ha sido inducido. Bandwidth: Para señales analógicas, el ancho de banda es la longitud, medida en Hz, de la extensión de frecuencias en la que se concentra la mayor potencia de la señal. Se puede calcular a partir de una señal temporal mediante el análisis de Fourier. Las frecuencias que se encuentran entre esos límites se denominan también frecuencias efectivas.

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3. Mencione y explique algunos tipos de amplificadores operacionales y sus aplicaciones  Seguidor de voltaje

Un seguidor de voltaje es usado para aumentar la señal de circuitos con voltajes variables. Aplica el mismo tipo de aumento de ganancia que el amplificador estándar, pero se rastrearán variaciones en la ganancia de entrada y se emparejarán por la señal de salida. Este tipo de circuitos son a menudo usados por delante de otros sistemas para prevenir el daño por cambios súbitos de voltaje.

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 Amplificadores de suma/resta

Estas dos variedades de amplificadores operacionales realizan un proceso aritmético en la señal. Un amplificador operacional de resta saca una señal que es igual a la resta entre sus dos entradas. Un amplificador de suma combina diferentes voltajes de un número de entradas, y saca una ganancia basándose en los voltajes combinados. Cualquiera de estos circuitos puede ser configurado para operar como sistemas inversores o no inversores. El amplificador sumador es un dispositivo versátil, útil para combinar señales. Se pueden añadir directamente las señales, o bien cambiar la escala para que se adapten a una predeterminada regla de combinación. En un mezclador de audio, se suman varias señales con ganancias iguales. Un amplificador sumador con resistencias desiguales en las entradas, da una suma ponderada. Esto se puede utilizar para convertir un número binario a un voltaje, como en el convertidor digital a analógico. Un amplificador sumador se puede usar para aplicar un voltaje de polarización DC junto con una señal AC. Esto se hace en un circuito de modulación LED para mantener el LED en su rango operativo lineal. Integradores/diferenciadores

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 más grandes y rápidos en el voltaje de entrada producirán voltajes de salida más altos.

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