By Electronica gy laualcj ‘IOR6pR 16, 2011 14 pagos AMPLIFICADORES Originalmente los amplificadores operacionales (AO) se empleaban para operaciones matemáticas (Suma, Resta, Multiplicación, División, Integración, Derivación, etc. en calculadoras analógicas; El amplificador operacional es un dispositivo lineal de propósito general el cual tiene la capacidad de manejo de señal desde Hz hasta una frecuencia definida por el fabricante, tiene además limites de señal que van desde el orden de los nV, hasta unas docenas de voltios, El amplificador operacional (AO) es un amplificador de alta anancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas Los primeros amplificadores operacionales usaban el componente básico de su tiempo: la válvula de vacío.
El uso generalizado de los amplificadores operacionales no comenzó realmente hasta los años 60, cuando empezaron a aplicars PACE 1 or circuitos amplificado S»ipe que realizaban la circ eria i mediante el diseño d mediados de los 60, sólido al diseño de ándose módulos cador operacional . Entonces, a ros amplificadores operacionales de circuito integrado. En unos pocos años los mplificadores operacionales integrados se convirtieron en una herramienta estándar de diseño, abarcando aplicaciones mucho más allá del ámbito original de los computadores analógicos.
Esquemas y Configuraciones Externas. El símbolo de un ampllficador operacional es el siguiente: Los Terminales son: V+: Entrada no inver Swipe to page inversora. V-: Entrada Inversora Vout: Salida Vs+: Alimentación positiva Vs-: Alimentación negativa. Lazo Abierto: Si no existe realimentación, la salida del AO será la resta de sus 2 entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100000 (que se considera infinito en álculos con el componente ideal).
Por lo tanto si la diferencia entre las 2 tensiones es de lmV la salida debería de ser 100V. Lazo Cerrado: Se conoce como lazo a la retroalimentación en un circuito. Aquí se supondrá realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las 2 entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la Terminal positiva sube y por lo tanto la tensión en la salida también se eleva.
Como existe la realimentación entre la salida y la Terminal negativa, la tensión en esta Terminal ambién se eleva, por tanto la diferencia entre las 2 entradas se reduce, disminuyéndose también la salida Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas 2 aproximaciones para – – O Alimentación: El amplificador analizar el circuito: V+ Vl+ operacional puede ser polarizado, tanto con tensiones simples como con tensiones simétricas, si utilizamos tensiones simples, a la salida no podremos conseguir valores menores de CV.
Configuración Interna de un Amplificador Operacional. Internamente el AO contiene un gran numero de transistores, resistores, capacitares, etc. Hay varios tipos de presentaciones de os amplificadores operacionales, como el paquete dual en línea (DIP) de 8 pines o terminales. Para saber cual es el pin 1, se ubica una muesca entre lo una muesca entre los pines 1 y 8, siendo el numero 1 el pin que esta a la izquierda de una muesca cuando se pone integrado.
La distribución de los terminales del amplificador operaclonal 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 – IJna negativa conectada al Pin También existe otra presentación con 14 pines, en algunos casos no hay muesca, pero hay un circuito pequeño cerca del Pin numero 1. Esquema de la configuración interna Amplificador Operacional: Amplificador Operacional Ideal Este es un dispositivo de acoplo directo, con entrada diferencial y un único Terminal de salida.
El amplificador solo responde a la diferencia de tensión entre las 2 terminales de entrada, no a su potencia común. Una señal positiva en la entrada inversora produce una señal negativ ientras que la misma señal en la entrada no inv duce una señal positiva BW (Ancho de banda) infinito VO O si Vd 0 Teniendo en mente las funciones de la entrada y la salida, se puede definir las propiedades del amplificador ideal. 1 La ganancia de tención es infinita: a = 2. – La Resistencia de entrada es Infinita: RI = resistencia de salida es 0: Ro = 0 4. El ancho de banda es infinito: BW = 5. La tensión offset de entrada es O: VO = O Si Vd O A partir de estas características del AO, podemos deducir otras 2 importantes propiedades adicionales. Puesto que, la ganancia de tensión es infinita, cualquier señal de salida que se desarrolle será l resultado de una señal de entrada infinitesimalmente pequeña Luego, en resumen: La tensión de entrada diferencial es nula. También, si la resistencia de entrada es infinita. No existe flujo de corriente en ninguno de los termínales de entrada.
Estas dos propiedades pueden considerarse como axiomas, y se emplearan repetidamente en el análisis y diseño del circuito del AO. Una vez entendidas estas propiedades, se puede, lógicamente, deducir el funcionamiento de casi todos los circuitos amplificadores operacionales Funcionamiento en Modo Diferencial y Modo Común Una tercera configuración del amplificador operacional s conocida como el amplificador diferencial, es una combinación de la configuración inversa y no inversa.
Aunque esta basado en los otros 2 circuitos, el amplificador diferencial tiene características únicas. A continuación se muestra un esquema de un amplificador operacional diferencial: El circuito anterior tiene aplicadas señales en ambos terminales de entrada, y utiliza la amplificación diferencial natura 40F tiene aplicadas señales en ambos terminales de entrada, y utiliza la amplificación diferencial natural del amplificador operacional. Para comprender el circuito, primero se estudiarán las dos eñales de entrada por separado, y después combinadas.
Como siempre Vd = 0 y la corriente de entrada en los terminales es cero. Se debe recordar que Vd = V(+) – V(-) V(-) = ) La tensión a la salida debida a VI la llamaremos VOI y como V(-) = V(+) La tensión de salida debida a VI (suponiendo V2 0) valdrá: Y la salida debida a V2 (suponiendo VI 0) será, usando la ecuacón de la ganancia para el circulto Inversor, VOZ Y dado que, aplicando el teorema de la superposición la tensión de salida VOZ VOI y haciendo que R3 sea iguala RI yu igual a R2 tendremos que: Por lo que concluiremos
Que expresando en términos de ganancia: Que es la ganancia de la etapa para señales en modo diferencial Esta configuración es única porque puede rechazar una señal común a ambas entradas. Esto se debe a la propiedad de tensión de entrada diferencial nula, que se explica a continuación. En el caso de que las señales VI yV2 sean idénticas, el análisis es sencillo. VI se dividirá entre RI y R2, apareciendo una menor tensión V(+) en R2.
Debido a la ganancia infinita del amplificador, y a la tensión de entrada diferencial cero, una tensión igual V (-) debe aparecer en el nudo suma puesto que la red de esistenciasR3 y R4 es igual a la red RI y R2, y se aplica la misma tensión a ambos terminales de entrada, se concluye que Vo debe estar a potencial nulo para que V(-) se mantenga igual a Vo estará al mismo s OF Vo debe estar a potencial nulo para que V(-) se mantenga igual a V(+); Vo estaré al mismo potencial que R2, el cual, de hecho está a masa.
Esta muy útil propiedad del amplificador diferencial, puede utilizarse para dlscriminar componentes de ruidoen modo común no deseables, mientras que se amplifican las señales que aparecen de forma diferencial. Si se cumple la relación La ganancia para señales en modo común es cero, puesto que, por definición, el amplificador no tiene ganancia cuando se aplican señales iguales a ambas entradas. Las dos impedancias de entrada de la etapa son distintas.
Para la entrada (+), la impedancia de entrada es RI + R2. La impedancia para la entrada (-) es R3. La impedancia de entrada diferencial (para una fuente flotante) es la impedancia entre las entradas, es decir, RI+R3. Relación de Rechazo de Modo Común (CMRR) Al Amplificador de Instrumentación ingresan dos señales de modo común: una de c. c. de +2. 5V provenientes del puentes de esistencias y otra de c,a,V ruido inducida sobre los cables de entrada al amplificador. _os amplificadores de Instrumentación ampllfican la diferencia entre dos señales. Esas señales diferenciales en la práctica provienen de sensores como ser termo culas, foto sensores, puentes de medición resistivos, etc. En la figura de arriba se ve que de un puente resistivo, en estado de equilibrio sin señal, en la mitad de las ramas del puente existe una señal de 2. 5V respecto a masa. Esta señal de corriente continua es común a ambas entradas por lo cual es llamada Voltaje de Modo Común de la señal diferencial.
Se puede ver que estas señales no contienen información Voltaje de Modo Común de la señal diferencial. Se puede ver que estas señales no contienen Información útil en lo que se quiere medir y como el amplificador amplificará la diferencia de ambas, al ser iguales, se restan y a la salida el resultado será cero o sea idealmente no están contribuyendo a la información de salida. También se ve que se inducen señales de corriente alterna en ambas entradas a la vez y que serán rechazadas como en el caso de continua.
Pero al producirse un desbalance del equilibrio del puente por la variación de una de sus resistencias e producirá una señal que será aplicada entre ambas entradas y será amplificada. Por lo expuesto, es que se justifica la utilización de amplificadores de instrumentación para rechazar señales que entran en modo común, o sea en las dos entradas se presenta la misma señal. En la práctica, las señales de modo común nunca serán rechazadas completamente, de manera que alguna pequeña parte de la señal indeseada contribuirá a la salida.
Para cuantificar la calidad del Amplificador de Instrumentación, se especifica la llamada Relación de Rechazo de Modo Común CMRR) que matemáticamente se expresa como: Siendo: AD- Amplificación Diferencial AD Vout / Vin diferencial ACM= Amplificaclón Modo Común VCM- Voltage de modo común en la entrada ACM = Vout / VCM Vout= Voltage de salida De la última fórmula podemos obtener la Vout como: De las hojas de datos de los Amplificadores de Instrumentación podemos obtener por ejemplo: CMRR=100db ; AD ; De la figura, VCM de modo común es de 2. Volt De donde: Vout – 250uV para el caso de la figura anterior. Rechazo de Modo C de 2. 5Volt De donde: Vout — 250uV para el caso de la figura anterior. Rechazo de Modo Común de c. . y de c. c. Como se ve en la figura de arriba, y como se dijo, se presentan a las entradas dlferenciales, señales de c. c. y de c. a. y al no ser infinlto el CMRR, una cierta cantidad de ambas estarán presentes en la salida, además de la señal diferencial deseada. La componente indeseada de c. c. puede considerarse como un offset y es sencillo ajustarlo externamente.
La componente indeseada de c. a. es más complicada de disminuir a la entrada, y se hace principalmente utilizando filtros de c. a. colocados en la entrada, disminuyendo el ancho de banda de utilización del amplificador. Sumador En electrónica un sumador es un circuito lógico que calcula la operación suma. En los computadores modernos se encuentra en lo que se denomina Unidad aritmético lógica (ALI)). Generalmente realizan las operaciones aritméticas en código binario decimal o BCD exceso 3, por regla general los sumadores emplean el sistema binario.
En los casos en los que se esté empleando un complemento a dos para representar números negativos el sumador se convertirá en un sumador-sustractor la forma de las funciones para el acarreo y la suma respectivamente son: S = a»bCO» + ab»CO» + abC0 Cl – b + bCO + aco También se puede poner la salida S en función de Cl: S = coci» + bC1″ acr + abC1 Además, como 10 único que se hace para incluir el acarreo en la suma es añadirlo a la operación, este mismo circuito se puede formar anidando dos semisumadores, de manera que, la salida S del primer semisumador se conecte a una de las entradas del segundo se de manera que, la salida S del primer semisumador se conecte a una de las entradas del segundo semisumador, la entrada CO se conecte con la otra entrada del semisumador, las salidas de acarreo se conectan a un or para proporcionar la salida del carreo total de la suma (Cl) y la salida S del segundo semisumador se queda como resultado total de la operación INTEGRADOR En abril de 1949, el ingeniero alemán Werner Jacobi (Siemens AG) completa la primera solicitud de patente para circuitos integrados con dispositivos amplificadores de semiconductores. El primer circuito integrado fue desarrollado en 1958 por el ingeniero Jack Kilby Se trataba de un dispositivo de germanio que integraba seis transistores en una misma base semiconductora para formar un oscilador de rotación de fase. El desarrollo de los circuitos ntegrados fue posible gracias a descubrimientos experimentales que demostraron que los semiconductores pueden realizar algunas de las funciones de las válvulas de vacío.
Un circuito integrado (Cl), también conocido como chip o microchip, es una pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de p ástico o cerámica. El encapsulado posee conductores metálicos apropiados para hacer conexión entre la pastilla y un circuito impreso Tipos Existen tres tipos de circuitos integrados: Circuitos monolíticos: Están fabricados en un solo mono cristal, habitualmente de silicio, pero también existen en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanlo, etc. arseniuro de galio, silicio-germanio, etc.
Circuitos híbridos de capa fina: Son muy similares a los circuitos monolíticos, pero, además, contienen componentes dlfíciles de fabricar con tecnología monolítica. Muchos conversores MD y conversores D/ A se fabricaron en tecnología hibrida hasta que los progresos en la tecnología permitieron fabricar resistencias precisas. Circuitos íbridos de capa gruesa: Se apañan bastante de los circuitos monol[ticos. De hecho suelen contener circuitos monol[ticos sin cápsula (dices), transistores, diodos, etc, sobre un sustrato dieléctrico, interconectados con pistas conductoras. Las resistenclas se depositan por serigrafía y se ajustan haciéndoles cortes con láser. Todo ello se encapsula, tanto en cápsulas plásticas como metálicas, dependiendo de la disipación de potencia que necesiten.
En muchos casos, la cápsula no está «moldeada», sino que simplemente consiste en una resina epoxi que protege el circuito. En el mercado se ncuentran circuitos híbridos para módulos de RF, fuentes de alimentación, circuitos de encendido para automóvil, etc. Limitaciones de los circuitos integrados Existen ciertos límites físicos y económicos al desarrollo de los circultos integrados. Básicamente, son barreras que se van alejando al mejorar la tecnología, pero no desaparecen. Las principales son: Disipación de potencia-Evacuación del calor Los circuitos eléctricos disipan potencia. Cuando el número de componentes integrados en un volumen dado crece, las exigencias en cuanto a disipación de esta potencia, también crecen, calentando 4
