Tema 11: El Amplificador Operacional. Contenidos

11.1 El OPA como Bloque Realimentado. 11.2 El OPA de una Etapa: Aumento de la Ganancia. 11.3 El OPA de dos Etapas: Esquema de Compensación. 11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.

1

11.1 El OPA como Bloque Realimentado. Estructura del OPA como amplificador multietapa. Características deseables del amplificador operacional real • Estructura de entrada diferencial: El OPA es un amplificador diferencial. • Ganancia diferencial elevada (CMRR lo mayor posible): Amplificadores diferenciales en cascada, estructuras cascodo. • Impedancia de entrada elevada: Entradas FET, BJT tipo Darlington, etc. • Impedancia de salida pequeña: Estructura buffer de salida. • Estable en el caso peor: Se necesita compensación. Cm

Ad2(s)

Ad1(s) +

Out+

+

Out+

Ad3(s) +

Out+

Adn(s) +

Av(s)

Out+ Vs

-

OutADIF

-

OutADIF

-

OutCOMPENSACIÓN Cm

-

OutADIF

BUFFER

2

11.3 El OPA de dos Etapas: Esquema de Compensación. Estructura del OPA sencillo. Objetivo Se trata de obtener una estructura más sencilla que represente el OPA real. •

• •

Requisitos Se necesita como mínimo una estructura diferencial: el OTA que, además, proporciona ganancia diferencial Hy(s) y rechazo al modo común. Además su impedancia de entrada diferencial Zed es la del OPA resultante. Una etapa de compensación que también aporta parte de la ganancia total Hz(s) y el polo dominante de la respuesta global wo. La etapa de salida será un buffer que proporcione la corriente necesaria a la carga sin aportar ganancia al conjunto Hv=1 (realmente sería menor que 1) y con impedancia de salida reducida Zs.

Hy(s)

Cm

Hz(s)

Hv=1

+ Vs

OUT OTA

Zed

COMP/GANANCIA

BUFFER

Zs 3

11.3 El OPA de dos Etapas: Esquema de Compensación. Estructura del OPA sencillo. Vcc R1

Rb

Rc R3

Cbpb

Q1

(+)

Q7

Q2

Q5 D1

(-)

Cm R

Vs Q9 Q4

Q3

D2 Q6 R4 Q8

Vee

Etapa Diferencial: Hy(s), Zed

Etapa Etapa Buffer: De Hv, Zs Compensación: Hz(s), wo 4

11.3 El OPA de dos Etapas: Esquema de Compensación. Modelo de Pequeña Señal Simplificado del OPA. Vcc R1

Rb

Rc R3

Cbpb

Q1

(+)

Q7

Q2

Q5 D1

(-)

Cm R

Vs Q9 Q4

Q3

D2 Q6 R4 Q8

Vee

Etapa De Compensación: Hz(s), wo

Etapa Diferencial: Hy(s), Zed

Etapa Buffer: Hv, Zs=0

Cm Ve1

Cbpb

gmd /2(Ve1-Ve2)

gm9Vbe9 VaHv

Zed=2rp1

ro1

R1

Vbe9

Rb

rp9

ro9

Rc

Vs

Rs

Vb

Ve2

5

11.3 El OPA de dos Etapas: Esquema de Compensación. Diseño Simplificado del OPA.

Etapa Buffer: Hv, Zs=0

Etapa De Compensación: Hz(s), wo

Etapa Diferencial: Hy(s), Zed

Cm Ve1

Cbpb

gm1/2 . (Ve1-Ve2)=Ig

gm9Vbe9 VaHv

Zed=2rp1

ro1

R1

Vbe9

Rb

rp9

ro9

Rc

Vs

Rs

Vb

Ve2

6

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. Configuración inversora: Versión OPA. I2

V 1  R1 I1  Vent I1 V-

Vent  I1  I 2   Zent

-

Vsal

I3

V+

Vsal  A  Vent  I 3  Zsal Vsal  Vent   I 2  R 2

+ Zsal  0  Vsal  A Vent  Zent     Vent V 1  R1 I1

 Vsal  R 2   Vsal   I 2  R 2 V1 R1

  0  I1  I 2   I1  I 2   Zent   A     Vent  0 (Cortocircuito Virtual)

7

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. Configuración inversora: Versión OTA.

V(+)

OTA + Vs

OUT

V(-)

I1

-

I2

Vg R1

R2

I 2   g m  V (  )  V (  )   g m V (  )  I1 V () 

vg 1  g m  R1

 I2 

Vs  Vg  I 2  R1  R2  Vs  v g 

g m  vg 1  g m  R1

1  g m  R2 1  g m  R1 8

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. Configuración no inversora (transtensión): Versión OPA. I2

V 1  Vent  R1 I1 V-

I1

Vent  I1  I 2   Zent

-

Vsal

I3

V+

Vsal  A  Vent  I 3  Zsal Vsal  Vent   I 2  R 2

+ Zsal  0  Vsal  A Vent  Zent     Vent V 1   R1 I1

 Vsal R2   1   Vsal  V 1   I 2  R2 V1 R1

  0  I1  I 2   I1  I 2   Zent   A     Vent  0 (Cortocircuito Virtual)

9

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. Configuración no inversora (transtensión): Versión OTA.

OTA

V(+)

Vg

+ Vs

OUT

V(-)

-

I2 I1

R2 R1

I 2  g m  V (  )  V (  )   g m  ( v g  V (  ) )  I1 V () 

R1  vs R1  R2

Vs  v g 

g m  R1  R2  1  g m  R1

10

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. Comparador sin histéresis: Versión OPA. CONDICIONES (Estáticas)

Vs

• • •

Tensión en la entrada inversora: v(-)=v2. Tensión en la entrada no inversora: v(+)=v1. La salida vs sólo puede tomar como valores +Vsat ó –Vsat . FUNCIÓN DE COMPARACIÓN

• •

vs = +Vsat si v(+)>v(-) ó de otro modo v2< V1 vs = -Vsat si v(+) V1 Vs +Vsat

V2-V1

-Vsat

11

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. Comparador con histéresis Inversor: Versión OPA. CONDICIONES (Estáticas) Vs

OUT +

R2

ve

• • • • •

R1

Tensión en la entrada inversora: v(-)=ve. Tensión en la entrada no inversora: v(+)=vsR1/(R2+R1). La realimentación está conectada a la entrada no inversora, luego el sistema es inestable y la salida vs sólo puede tomar como valores +Vsat ó –Vsat . Valor umbral superior: Vth(s)= +Vsat R1/(R2+R1). Valor umbral inferior: Vth(i)= -Vsat R1/(R2+R1). FUNCIÓN DE COMPARACIÓN

Vs

• •

+Vsat

vs = +Vsat si v(+)>v(-) ó de otro modo ve< Vth(s) vs = -Vsat si v(+) Vth(i)

HISTÉRESIS Vth(i)

Vth(s)

Ve

• •

-Vsat

Se define la histéresis del comparador a la diferencia de umbrales: HIST= Vth(s) - Vth(i). La histéresis es una medida de la inmunidad del comparador a variaciones indeseadas (ruido) de la señal de entrada. 12

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. Amplificador Logarítmico. Válido sólo para Vg>0 + OUT R

OPA D

Vs

I

Vg

 I e  I s (e

R Vd  Vs

Vg

I

Ie

Vs  Vt ln(

Vg Is  R

Vd Vt

Vd Vt

 1)  I s ( e )

)

13

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. Amplificador Exponencial. Válido sólo para Vg>0 + OUT D

OPA R

Vg

Id

I

Vs

I d  I s (e

Vd Vt

Vd Vt

 1)  I s ( e )  I

 Vs I R Vd  Vg Vg

Vs   R  I s (e Vt )

14

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. Amplificador Sumador (Mezclador): Versión OPA I1

Ia

I1 

I2

V1 R1

V I2  2 R2

I3 I4 Vs

I3 

V3 R3

I4 

V4 R4

I a  I1  I 2  I 3  I 4 Ia 

V1 V2 V3 V4    R1 R2 R3 R4

Vs   I a  Ra

 V1 V2 V3 V4  Vs   Ra        R1 R2 R3 R4 

15

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. Amplificador Sumador (Mezclador): Versión OTA I1  g m1  V1

OTA V1

+

I1

OUT OTA V2

+

I a  I1  I 2  I 3  I 4

I 3  g m3  V3

I a   g ma Vs

I 4  g m 4  V4

OTA

I2

I 2  g m 2  V2

+

OUT

OUT

-

-

Vs

OTA V3

+

I3

OUT OTA V4

+ OUT

I4

Ia

  g m1 g m2 g m3 g m4  Vs   V1  V2  V3  V4  g ma g ma g ma  g ma 

-

16

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. Amplificador Sumador-Restador: Versión OPA. I2

I2

R2

Rb

V

0

V ( )

0

I1

8 3

V+

+ OUT

R1

V1

 Rb    V2   R2  Rb 

V ()  V ()

VCC V2

()

2

V ( )

-

4

1 TL082/301/TI

V-

U1A

Vs

V1  V (  )  V (  )   Vs I1   R1 Ra

-VCC Ra

0

I1

 Rb  Ra   Ra   1    V1   Vs  V2   R1   R1   R2  Rb 

17

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. Amplificador Sumador-Restador: Versión OTA. I1  g m1 V1 OTA V1

+

I1

+

OUT

OUT

-

OTA

Ia

+ OUT V2

-

I 2   g m 2 V2

OTA

Vs

I a  I1  I 2 I a   g ma  Vs

I2

Vs  

g m1 g V1  m 2 V2 g ma g ma

18

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. Amplificador de Instrumentación. Vg 1  Va Vg 2  Vg 1 Vb  Vg 2   R1 R4 R1

VCC 8 3

V+

+

Vg1

OUT 2

-

4

1 R3

V-VCC

0 -VCC R1

Vg1

Va

R2

4 6

R4

Vb

R1

Vg2

OUT 5

R2

-VCC

4 6

R3

0

+ 8

7

Vs

V+

VCC

Vs  (Vb  Va )(

R3 ) R2

V-

OUT

5

V-

-

 R1   R1  Va  Vg 1 1    Vg 2    R4   R4   R1   R1  Vb  Vg 2 1    Vg 1    R4   R4 

+ 8

V+

Vg2 VCC

7

R3  2  R1   Vs  (Vg 2  Vg1 ) 1  R2  R4 

0

19

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. El Girador de Inmitancias (Gyrator).

Ig Vg

I g   g m 2  V (  )  V (  ) 

Ze OTA

Ia

+

V (  )  0;V (  )  I a  Z

OUT

I a  g ma  v g

-

Imt

OUT + OTA

V(+)

I g  g m1  g m 2  Z  v g vg

1 Ze   I g g m1  g m 2  Z

20

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. El Integrador: Versión OPA.

+ OUT -

I Vg

R

OPA C

Vs

Vs  jw    1 Ve R  C  jw Ve  I  R Vs  

1 1 I  dt   Ve dt   C RC

21

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. El Integrador: Versión OTA.

I  g m  vg OTA Vg

+

vs 

I Vs

OUT -

C

g m  vg jw  C

gm vs ( t )  vg dt  C

22

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. El Integrador (OPA). + OUT -

I

R

Vs

OPA C

Vg

12V 10V

Vs 5V

Vg

0V

-5V

-10V -12V 100.0ms

100.2ms

100.4ms Tiempo

100.6ms 23

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. El Integrador (OPA). + Vs

OUT -

I

R

OPA C

Vg

20log(Vs/Vg) 110.4

80.0

40.0

0

-30.1 30.5mHz

100.0mHz

300.0mHz

1.00Hz

3.00Hz

10.0Hz

30.0Hz

100.0Hz Frecuencia

300.0Hz

1.00KHz

3.00KHz

10.0KHz

30.0KHz

98.8KHz

24

El Derivador: Versión OPA.

+ OUT -

I Vg

C

Vs

OPA R

Vs  jw    R  C  jw Vg

Vg 

1 I dt C

Vs   I  R   R  C 

d (Vg ) dt

25

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. El Derivador: Versión OTA.

OTA Vg

+ OUT

1 Z jw  C 1 jw  C Ze   g m1  g m 2  Z g m1  g m 2

Ze Vs OTA

-

+ OUT

jw  C vs   vg g m1  g m 2

OUT

C

+ OTA

dVg C vs (t )   g m1  g m 2 dt 26

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. El Derivador (OPA). + OUT C

Vs

OPA R

Vg 6.0V

4.0V

Vs

Vg

0V

-4.0V

-6.0V 10ms

11ms

12ms

13ms Tiempo

14ms

15ms

16ms

27

11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs. El Derivador (OPA). + Vs

OUT C

OPA R

Vg

20log(Vs/Vg) 28.3

-0.0

-40.0

-80.0

-109.8 30mHz

100mHz

300mHz

1.0Hz

3.0Hz

10Hz

30Hz

100Hz

300Hz

1.0KHz

3.0KHz

10KHz

30KHz

Frequency

28

11.4 Controladores Básicos Configuración PI

 Vsal 1     K p 1  Vgenerador  Ti s 

0

8

V2 15V

Vsal

V+

3

0

+

OUT

R1

2

1.2k

-

4

Vgenerador

1

TL082/301/TI V- U1A V3

Kp 

R2 R1

-15V

0

Ti  R 2  C 2

0

R2

C2

1.2k

1u

29

11.4 Controladores Básicos

0

V2 15V

3

0

V+

8

Configuración PI +

OUT

R1

2

1.2k

-

4

Vgenerador

1

Vsal

TL082/301/TI V- U1A V3

-15V

0

0

20log(Vsal/Vgenerador))

R2

C2

1.2k

1u

5.0

0

-5.0 Fase(Vsal/Vgenerador)) 180d

160d

140d

120d 100Hz

300Hz

1.0KHz

3.0KHz Frecuencia

10KHz

30KHz

30

100KHz

11.4 Controladores Básicos Configuración PD

Vsal   K p 1  Td s  Vgenerador

0

8

V2 15V

+

OUT

C1

2

2.2n Vgenerador

Vsal

V+

3

0

-

4

R1

1

TL082/301/TI V- U1A V3

Kp 

R2 R1

-15V

1.2k

0

0

Td  R1  C1

R2 1.2k

31

0

11.4 Controladores Básicos

V2 15V

8

Vsal

2

2.2n Vgenerador

+

OUT

C1

Configuración PD

V+

3

0

-

4

R1

1

TL082/301/TI V- U1A V3

-15V

1.2k

0

0

R2 1.2k

20log(Vsal/Vgenerador)) 8.0

4.0

0

-4.0 -120d

Fase(Vsal/Vgenerador))

-140d

-160d

-180d 100Hz

300Hz

1.0KHz

3.0KHz Frecuencia

10KHz

30KHz

100KHz

32

11.4 Controladores Básicos Configuración PID

  Vsal 1   K p 1   Td s  Vgenerador  Ti s 

0

8

V2 15V

+

OUT

C1

2

2.2n Vgenerador

Vsal

V+

3

0

-

4

R1

1

Ti  R1  C1  R 2  C 2

V3

0

R1  C1  R 2  C 2 R1  C 2

TL082/301/TI V- U1A

-15V

1.2k

Kp 

0

Td  R2

C2

1.2k

1u

R1  C1  R 2  C 2 R1  C1  R 2  C 2

33

11.4 Controladores Básicos Configuración PID 0

20log(Vsal/Vgenerador)) V2 15V

Vsal

4.0

3

0

2

2.2n Vgenerador

Fase(Vsal/Vgenerador))

-

4

R1

1

TL082/301/TI V- U1A V3

-15V

1.2k

200d

+

OUT

C1

0 240d

V+

8

8.0

0

0

160d 120d 100Hz

300Hz

1.0KHz

3.0KHz Frecuencia

10KHz

30KHz

100KHz

Hidalgo López, José A.; Fernández Ramos Raquel; Romero Sánchez, Jorge (2014). Electrónica. OCW-Universidad de Málaga. http://ocw.uma.es. Bajo licencia Creative Commons AttributionNonCommercial-Share-Alike 3.0 Spain

R2

C2

1.2k

1u

34