sa tema 13 amplificacion -...

1

Amplificadores para el acondicionamiento de la señal

Tema 13 - 1

E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicación de Vigo

Departamento de Tecnología Electrónica

SENSORES Y ACONDICIONADORES

TEMA 13

AMPLIFICADORES PARA EL ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES

Profesores: Enrique Mandado PérezAntonio Murillo Roldan


Tema 13 - 2



INTRODUCCIÓN

Numerosos sensores proporcionan variaciones porcent uales muy pequeñas de un parámetro eléctrico en función de un a variable física de entrada.Ejemplo: Las galgas extensométricas

Es más fácil medir tensiones pequeñas que tener una gran resolución en la medida de tensiones grandes.

La mayoría de los sensores proporcionan señales con tinuas que pueden permanecer en un determinado nivel durante u n tiempo indefinido.

Consideraciones generales

2


Tema 13 - 3



Características [PERE pagina 41]

Ad = ∞

Zi = ∞

Zo = 0

Anchura de banda = ∞

Relación de rechazo de modo común CMRR ( Common Mode RejectionRatio ) infinita

c

dAC

AMRR =

-

+

IB1

IB2

)v(-v(-)v

A od +

=

c

oc V

VA =

Con V(-) - V(+) = 0

-

+Vc

+

-

Con V c = 0-

+

+-

-+

Vd /2

Vd /2Vo

Vo

CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Amplificador operacional (AO) ideal


Tema 13 - 4



DIAGRAMA DE BLOQUES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Q1 Q2

Q3 Q4

Q7

Q5 Q6Q 1 0

Q9Q8

Q 1 1

Q1 3

Q 1 2

Q1 5

Q1 4

Q1 6

Q1 7

Q 1 8

Q1 9

Q

Q2 1

Q2 2

Q 2 3

Q 2 4R2 R3 R4

R5 R6

R1

R7

R8R9

R 1 0

R 1 1

C1

I+

I-

+ V cc

V o

-V ee

T erm in a les d e a ju ste d e o f fset

Q1 Q2

Q3 Q4

Q7

Q5 Q6

Q9Q8 Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q 2 0

Q

R2 R3 R4

R5 R6

R1

R7

R8R9

R

R

C1

I+

I-

+ V cc

V o

-V ee

T erm in a les d e a ju ste d e o f fset

E tap a d een trad a E tap a d e salid a

E tap ain term ed ia

+

-IN V .

V o

+ V cc

-Vee

N OIN V .

O F F S E T

+-

(a)

Ejemplo: AO 741

Etapadiferencial

Etapaintermedia

Etapade salida

3


Tema 13 - 5



AO ideal

[PERE pagina 41]

Como consecuencia de las características antes cita das:

Las corrientes a través de los dos terminales de en trada del AO,denominadas corrientes de polarización ( Bias currents ), son nulas.

El AO no carga al circuito que se conecta a cualquie ra de sus entradas.

La tensión de salida del AO no se modifica al conec tar una carga a la salida, independientemente del valor de la misma.

El AO no atenúa ninguna señal de entrada independien temente de su frecuencia.

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL


Tema 13 - 6




+

-

R 2

R 1

v i

v o

NO

MB

RE

CIR

CU

ITO

AP

LIC

AC

ION

ES

YC

OM

EN

TA

RIO

S

Amplificador que invierte la señal de entrada.

Amplificador inversor

Amplificador que no invierte la señal de entrada. Su ganancia es siempre superior a la unidad.

Amplificador no inversor

Amplificador sumador/restador.

Amplificador genérico

+

-

R 2

R 1

v i

v o +

-R 1

v 1

v o

R 2R 1

R 2R 1

R 1

v 2

v 3

v 4

i1

2o v

R

Rv −= i

1

21o v

R

RRv

+= ( )12431

2o vvvv

R

Rv −−+=

AO ideal (operadores analógicos básicos) [PERE pagin a 50]

4


Tema 13 - 7



AO ideal (operadores analógicos básicos)

+

-

v i

v o

NO

MB

RE

CIR

CU

ITO

AP

LIC

AC

ION

ES

YC

OM

EN

TA

RIO

S Circuito adaptador de impedancias. Posee una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida.

Seguidor de tensión

Amplificador utilizado para restar. Es el elemento básico de los amplificadores de instrumentación (AI).

Amplificador de modo diferencial o restador

Circuito básico que proporciona una tensión de salida a partir de una corriente de entrada.

Convertidor corriente-tensión

+

-R 1

v o

R 2

R 2

R 1

v 1

v 2

io vv = iR⋅−=ov( )121

2o vv

R

Rv −=

+

-

R

i

Vo



Tema 13 - 8



NO

MB

RE

CIR

CU

ITO

AP

LIC

AC

ION

ES

YC

OM

EN

TA

RIO

S

Circuito básico que genera una corriente a partir de una tensión.

Convertidor tensión-corriente

Circuito que calcula la integral de una tensión de entrada.

Integrador

Circuito que calcula la derivada de una tensión de entrada.

Derivador

+

-CR

v i

v o

+

-

C

R

v i

v o

1

io R

vi =

dt)t(dv

CRv io ⋅−=∫⋅

= dtt)(vCR

1v io

+

-

R 2

R 1

v i

R 2

R 1

I o

R

CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALESAO ideal (operadores analógicos básicos)

5


Tema 13 - 9



+

-

R 1

R 1

v i

R 2

R 2 / 2

+

-

R 2

v o

NO

MB

RE

CIR

CU

ITO

AP

LIC

AC

ION

ES

YC

OM

EN

TA

RIO

S

Circuito que rectifica la tensión de entrada y elimina la influencia de la caída de tensión en el diodo.

Rectificador de precisión

io vv =


AO ideal (operadores analógicos básicos)


Tema 13 - 10



AO ideal (Comparadores)

Como el anterior pero la histéresis se introduce alrededor de la tensión de referencia V ref ≠0

Comparador con histéresis

Circuito que compara la tensión Vi con el nivel cero e introduce una histéresis para evitar la conmutación de la salida cuando Vi varía alrededor de cero

Comparador con histéresis

Circuito que compara una tensión de entrada con una tensión de referencia.

Comparador básico


+

-

Vi

VrefVo

+Vcc

-Vcc

+Vcc

-VccVref

+

-

R1

V1

R2

Vo

Vcc

-VccH

2 R2 Vcc

R1+R2H=

+

-

R1

V1

R2

Vo

Vref

Vcc

-VccH

2 R2 Vcc

R1+R2H=

Vref

6


Tema 13 - 11



IMPERFECCIONES ESTÁTICAS [PERE página 55]DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

Influencia de la ganancia diferencial en bucle abie rto A d

(Open Loop Gain)

i

21

1d

do v

RRR

A1

Av

++

=Vo

+

-R1

R2

Vi

Vd

i+

i -

i+= 0

i-= 0

si A d = ∞, resulta: i1

2o v

R

R1v +=

En la práctica la ganancia A d no es infinita. Los AO de aplicación general como e l AO-741 tienen una ganancia típica (A d) del orden de 100 dB (10 5).


Tema 13 - 12



La resistencia de entrada es de algunas centenas de KΩ en los AO cuya etapa de entrada utiliza transistores bipolares y a lcanza los 10 6 MΩ en los AO con etapa de entrada implementada con transistor es de efecto de campo (FET).

( )id

1d

2

1

dio

rR

1A1RR

Avv

+++−=

VO

+

-

R2

Vi

R1

ii

+ AdVd

Vd r id

a

b

Vo

Ad(-Vb)

Vi

R1

Vb

Vo

R2

(a) (b) (c)

si A d = r id = ∞, resulta:

Efecto de la resistencia de entrada en un circuito i nversor

i1

2o v

R

Rv −=

IMPERFECCIONES ESTÁTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

Influencia de la resistencia de entrada ( Input Resistance)

7


Tema 13 - 13



Su influencia en V o es pequeña

i

L

o

21

o

21

1d

21

o

21

2d

o v

Rr

RRr

RRR

A1

RRr

RRR

Av

++

++

+

++

+−

−=si r o = 0 y Ad = ∞, resulta: i

1

2o v

R

Rv −=

(a)(b)

Ad(-Vb)

ViR1

Vo

R2

RL

R0

(c)

VO

Vi

R1

RL

+

-

R2

Vd

ii

+AdVd

Vd

a

b

Vo

ro


Influencia de la resistencia de salida r o (Output Resistance)


Tema 13 - 14



Nivel de la tensión que hay que aplicar entre ambas entradas cuando la tensión externa es nula, para que lo sea también la tensión de salida.

Su influencia es mayor cuanto menor es el nivel de l a señal a amplificar.

(a) (b)

1

21iood1 R

RRvv

+=

Tensión de asimetría (desviación o desequilibrio) d e entrada

(Input Offset Voltage ) [V io/Vos]

Vd

a

b

Vo

+

-Vx

Vio

R1

+

-

R2

|Vod1|Vio


8


Tema 13 - 15



Corrientes i B1 e iB2 que circulan a través de los dos terminales de entr ada.

VdVo

RTH+

RTH-

+

-

i b1

i b2

AMPLIFICADOR “REAL”

AMPLIFICADOR IDEALLas corrientes i B1 e iB2 generan una tensión diferencial de entrada:

Los fabricantes proporcionan:

b2Thb1Thd iRiRv −+ −=

2ii

i B2B1B

+= B2B1io iii −=

Corrientes de polarización I B1 e IB2 (Input Bias Currents )

Corriente de asimetría (desviación o desequilibrio) de entrada (I nput Offset Current )

Diferencia entre i B1 e iB2.



Tema 13 - 16



Influencia de las corrientes de polarización

o

+

-R1

R2

V

Vi

R1//R2

(Rcomp )

+

-R1

R2

Vo

Vi

R1//R2(Rcomp )

+

-

R

Vo

R

i

(Rcomp )

+

-

R

Vo

Vi

R

C

(Rcomp )

+

-R

Vo

Vi

R

C

(Rcomp )

Para disminuir la influencia de las I B se utiliza R comp que iguala las resistencias equivalentes conectadas a ambas entrad as.

Para disminuir la influencia de I io no se deben utilizar resistencias de valores elevados (superiores a algunos K Ω).

No se puede eliminar de esta forma el efecto de la corriente de asimetría de entrada.


9


Tema 13 - 17




AMPLIFICADOR 741

Corrientes depolarización

Q3

Q10

R4

Q1 Q2

Q4

Q11

Q6Q5

R2R3

Q7Q7Q7

I+

I-

R 1

I B1

I B2

Q9Q8

~ 2,6 mV

Ajuste de offset(potenciómetroexterno)

Vo

Tensión dedesviaciónde entrada

Corrientesde entrada

Imperfecciones estáticas del AO 741

Imáxima = 20mA

+Vcc

-Vee

Vo

Q13

Q15

Q14

Q17

Q20

Q21

Q24

R6

R7

R8R9 R11

C1

Q18

Q19

Q16 Q22

Q23

Margen de Vo


Tema 13 - 18



(b)

+

-V o

+V cc

-V ee

741

Offset nullpins

Afecta negativamente al ancho de banda

(a)

+

-V o

+V cc

-V ee+V cc -V ee

Compensanción de la tensión de asimetría ( Offset ) de salida

La tensión de salida debida a la tensión de asimetr ía de entrada y a la diferencia entre las dos corrientes de polarización de entrada recibe el nombre de tensión de asimetría de salida.Algunos AO poseen terminales para anular la tensión de asimetría de salida ( offset

null pins/ Vos TRIM) mediante un potenciómetro. Si el AO no posee dichos terminales,

el ajuste se puede realizar a través de la entrada no inversora.


10


Tema 13 - 19



Además de tener una ganancia diferencial A d, los AO reales amplifican la señal aplicada simultáneamente a ambas entradas y l a multiplican por un factor A c

dBA

log20CMRRc

d

= A

ccddv vAvAo +=

-

+

V2

+

-

V1

+

-

Vo

-

+

+-

-+

Vd /2

Vd /2

Vc

+

-

Vo

2/vvv;2/vvv;vvv dc1dc212d −=+=−=

Se define la relación de rechazo de modo común CMRR como:

Relación de rechazo de modo común CMRR (Common Mode Rejection Ratio)



Tema 13 - 20



Amplificador en modo diferencial o restador

Si se considera:

se tiene:

Esta expresión indica que la salida del amplificador de modo diferencial es igual al valor ideal más un término que es tanto mayor cuanto menor es el CMRR.

CMRRv

RR

)v(vRR

v 2

1

212

1

2o +−=

Vo

+

-R1

R2

V1

R1

R2

V2

Vd

V+

V-

AdVd

AcVc

1

21cd R

RR2

AA

++>>


Relación de rechazo de modo común CMRR (Common Mode Rejection Ratio)

11


Tema 13 - 21



Resumen (I)

iv

RR

R

21

1d

do

A1

Av

++

=

Parámetro Influencia Cuándo hay que tenerlo en cuenta y otras considera ciones

-Vomax+Vomax

• Siempre es una limitación

• Importante si la tensión de alimentación es baja (equipos portátiles)

• En los AO de punta a punta ( rail-to-rail)

Vomax es casi igual a V CC

Rango de la tensión de salida(Output Voltage Swing )

omaxoomax vvv- +≤≤

EFECTOS DE LAS IMPERFECCIONES ESTÁTICAS SOBRE EL AO EN CONFIGURACIÓN NO INVERSORA

A d

• Con ganancias elevadas (R 2 grande en relación con R 1)

• Con valores bajos de A d

• Cuando se tengan en cuenta la mayoría de los demás parámetros

Ganancia diferencial en bucle abierto(Open Loop Gain )

r id • Con valores altos de resistencias R 1 y R2

• Cuando la fuente de tensión de entrada tiene alta resistencia de salidaResistencia de entrada

(Input Resistance )

ro• Con niveles de carga en la salida elevados

• Es un parámetro poco importante en generalResistencia de salida(Output Resistance )

iv

RR

R

21

1d

do

A1

Av

++

=

i

id

v

RR

R

r

RR

21

1d

21

do

A//

1

Av

+++

=

io

L

o

v

RR

R

RR

r

R

r

21

1d

21

do

A1

Av

++

+++

=

IMPERFECCIONES ESTÁTICASDEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL


Tema 13 - 22



Resumen (II)

iv

RR

R

21

1d

do

A1

Av

++

=

Parámetro Influencia Cuándo hay que tenerlo en cuenta y otras consideraciones

Vio (Vso)• Cuando las entradas tienen un nivel de CC.

• Cuando la tensión de entrada es pequeña.

• Puede ser preciso realizar ajustes.

• Es uno de los parámetros más importantes al seleccionar el AO.

• Hay que evitar la saturación debida a la tensión de asimetría de salida en casos de ganancia alta.

Tensión de asimetría(Input Offset Voltage)

(expresión válida para la configuración inversora y para la diferencial)

EFECTOS DE LAS IMPERFECCIONES ESTÁTICAS SOBRE EL AM PLIFICADOR NO INVERSOR

I BIio

• Igual que en el caso de la tensión de asimetría.

• IB se puede eliminar pero a veces no es necesario.

• Con valores altos de las resistencias R 1 y R2Corrientes de polarización y asimetría

(Input Bias and Offset Currents ) (Se añade a la tensión de desviación)

Relación de rechazo de modo común

(Common Mode RejectionRatio )

(CMRR) Ad / Ac

• Afecta al valor de la ganancia.

• No tiene mucha influencia en el amplificador no inversor

(Sólo para el amplificador en modo diferencial)

• Cuando la tensión de modo común tiene un valor elevado.

• Cuando se pretende eliminar ruido de modo común

• ¡Cuidado con su comportamiento en frecuencia!

dBiO vv +=ioTOTALv

( )i

21

1cd

cdo v

RRR

2/AA1

2/AAv

+++

+=

( )CMRR

vRR

vvRR

v 2

1

212

1

2o +−=

1

21ov

R

RRvv iooideal

++=

IMPERFECCIONES ESTÁTICASDEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

VdB= IB |RTH+ - RTH-|+ Iio |RTH+ - RTH-| / 2

12


Tema 13 - 23



Resumen (III)

Parámetro Influencia Cuándo hay que tenerlo en cuenta y otras consideraciones

EFECTOS DE LAS IMPERFECCIONES ESTÁTICAS SOBRE EL AM PLIFICADOR OPERACIONAL EN CONFIGURACIÓN NO INVERSOR A

PSRR • En sistemas portátiles (Alimentados con baterías)

• Puede ser conveniente incluir reguladores de tensión en la alimentación

• Sólo se tiene en cuenta para variaciones lentas

Relación de rechazo de la alimentación

(Power Supply RejectionRatio )

o

ónAlimentaci

VV

log20SRRP∆

∆=



Tema 13 - 24



Ancho de banda ( Bandwidth )

lo g f0d B

1/ββββ

A

0º

-90º

-180º

φφφφ

-20d B /d ec

-40d B /d ec

lo g f

IMPERFECCIONES DINÁMICAS [PERE página 76] DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

Definición: Rango de frecuencias para el que la dis minución de la ganancia es inferior a 3 dB ( √2). Por ejemplo en el 741 es 4Hz.

Debido a las capacidades parásitas la ganancia de u n AO disminuye al elevarse la frecuencia de las señales que se le aplican. Los AO en cuyo circuito no se conectan condensadores se comportan como sistemas l ineales de segundo orden que tienen dos polos en su diagrama ganancia-frecue ncia.

13


Tema 13 - 25



Ancho de banda ( Bandwidth ) de un circuito implementado con un AO

Vo

+

-R1

R2

Vi

Ad

106dB

log f0dB

1/ββββ

B

B0dB

B

Ganancia delcircuito

Ad

A

Circuito amplificador no inversor realimentado con un factor β Ganancia del amplificador no

inversor

21

1

1

RR

R

A

AG

d

d

+=

+=

β

β

IMPERFECCIONES DINÁMICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

Se obtiene a partir de la curva de ganancia en bucle abierto del AO y de la ganancia del circuito.

Ejemplo: AO741


Tema 13 - 26



Pendiente de cambio ( Slew Rate )

Vo

+

-Vi

Vo

Log f

Vo

t

t

Vo

Vo

t

t

SR

SR

dtdVo

dtdVo

SR

SR

Log ff

ArmónicosgeneradosPérdida de

Real

Teórica

SRSR

max

max 2

..

oV

RSf

π=

IMPERFECCIONES DINÁMICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

Máxima pendiente de cambio de la señal de salida (s e suele indicar en V/µs).

14


Tema 13 - 27



AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

Principales parámetros que caracterizan a los AO rea les

La corriente de polarización de entrada I B (Input bias current ).

La corriente de asimetría de entrada I IO (Input offset current ).

La tensión de asimetría de entrada V IO (Input offset voltage ).

La máxima corriente de salida I OMAX (Maximum output current )

La ganancia de tensión en bucle abierto A O (Open loop voltage gain ).

La relación de rechazo de modo común denominada CMR R (Common Mode Rejection Ratio ).

La máxima pendiente de cambio de la tensión de sali da, denominada SR (Slew Rate ).

La resistencia de entrada R i (Input resistance ).

La resistencia de salida R o (Output resistance ).

El producto ganancia/ancho de banda ( Gain bandwidth product ).


Tema 13 - 28



AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL

Como resumen de todo lo expuesto anteriormente se p uede decir que el AO ideal se caracteriza por tener los siguie ntes valores de los diferentes parámetros de un AO real:

Corrientes de polarización y de asimetría de entrad a nulas.

Tensión de asimetría de entrada nula.

Ganancia de tensión en bucle abierto infinita.

Relación de rechazo de modo común infinita

Máxima pendiente de cambio de la tensión de salida, infinita.

Resistencia de entrada infinita.

Resistencia de salida nula.

Producto ganancia ancho de banda infinito.

15


Tema 13 - 29



Clasificaciónde los

AmplificadoresOperacionales

Reales

• Según la tecnologíade implementación

• Según el valor de losparámetros estáticos

• Según el valor de losparámetros dinámicos

De aplicación general(General Purpose )

De parámetros mejorados(Low Offset, Low Drift, etc. )

Bipolares

BIFET

CMOS

Compensados internamente(Internal Compensation )

No compensados internamente



Tema 13 - 30



Tecnologías de implementación


Amplificadores operacionales bipolares

Son AO en los que todos los transistores son bipola res NPN y PNP. Pueden ser de aplicación general o de parámetros es táticos mejorados.

Según la respuesta dinámica pueden estar compensado s internamente o no.

Amplificadores operacionales BIFET

Poseen transistores de efecto de campo en la etapa de entrada y bipolares en el resto. Tienen corrientes de polarización redu cidas pero en general mayor tensión de asimetría de entrada y mayor deriv a térmica.

Amplificadores operacionales CMOS

Realizados con transistores MOS de canal P y canal N. Se caracterizan por su bajo consumo y por tener corrientes de polarizac ión prácticamente nulas.

16


Tema 13 - 31



AO de aplicación general

Se caracterizan por tener los siguientes valores de sus parámetros mas característicos:

Corrientes de polarización y de asimetría del orden de decenas de nA.

Tensión de asimetría de entrada del orden de alguno s mV.

Ganancia en bucle abierto del orden de 100dB.

Resistencia de entrada del orden de varios M Ω.

Resistencia de salida del orden de las centenas de Ω.

Relación de rechazo en modo común del orden de 90 d B.

Producto de la ganancia por el ancho de banda compre ndido entre 1 y 10 MHz según estén o no compensados internamente.



Tema 13 - 32



Se suelen realizar con transistores bipolares y se p ueden considerar ideales si se les aplican señales cuya amplitud no es inferior a algunas unidades de mV y su frecuencia no supera las decenas de KHz.

Según su respuesta en frecuencia se dividen en dos c ategorías:

AO de aplicación general compensados internamente.

AO de aplicación general no compensados internamente .

AO de aplicación general


17


Tema 13 - 33



AMPLIFICADOR OPERACIONAL REALDE APLICACIÓN GENERAL COMPENSADO INTERNAMENTE

Incorpora en su etapa intermedia un condensador que hace que su segundo polo esté situado en el punto en el que la curva de respuesta en frecuencia se corta con el eje de abscisas del diag rama que representa la ganancia en bucle abierto en función de la frecu encia. Se suele decir que el primer polo es dominante. Se logra así que el amplificador operacional realimentado sea siempre estable.

lo g f0d B

1/ββββ

A

0º

-90º

-180º

φφφφ

-20d B /d ec

-40d B /d ec

lo g f


Tema 13 - 34



Ejemplo: AO 741

El condensador C1 hace que el primer polo sea el dom inante.

(c)

(b)

+

-INV.

Vo

+V cc

-V ee

NOINV.

OFFSET

+

-

(a)

Q 1 Q 2

Q3 Q 4

Q7

Q 5 Q6Q

10

Q 9Q 8

Q 11

Q13

Q 12

Q15

Q14

Q16

Q17

Q18

Q19

Q

Q21

Q22

Q23

Q24

R2 R3 R4

R5R6

R1

R7

R8R9

R 10

R 11

C 1

I+

I -

+ Vcc

Vo

- Vee

Terminales de ajuste de offset

Q 1 Q 2

Q3 Q 4

Q7

Q 5 Q6

Q 9Q 8 Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q20

Q

R2 R3 R4

R5R6

R1

R7

R8R9

R

R

C 1

I+

I -

+ Vcc

Vo

- Vee

Terminales de ajuste de offset

Etapa deentrada Etapa de salida

Etapaintermedia

AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIÓN GENERAL COMPENSADO INTERNAMENTE

18


Tema 13 - 35



Respuesta en frecuencia del AO 741

(c)(b)

+

-INV.

Vo

+V cc

-V ee

NOINV.

OFFSET

+

-

(a)

AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIÓN GENERAL COMPENSADO INTERNAMENTE

Ad

106 dB

0 dB

4 Hz 1,5 MHz

-20 dB/déc

log f

741


Tema 13 - 36



Al realimentar un amplificador operacional no compe nsado internamente se puede tener una ganancia superior a 1 con un des fase de 180º (realimentación positiva) y el amplificador oscila.

0dB

A

-20dB/dec

-40dB/dec

B

1/ββββ

Ad

log f 0dB

A

-20dB/dec

-40dB/dec¡INESTABLE! 1/ββββ

(d)

A d

log f

AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIÓN GENERAL NO COMPENSADO INTERNAMENTE

19


Tema 13 - 37



Permiten que el diseñador pueda compensar el circui to externamente mediante la utilización de un condensador conectado de acuerdo con las indicaciones del fabricante.

log f0dB

-20dB/dec

-40dB/dec

1/ββββ

(a)

Ad

Compensación

log f0dB

A

-20dB/dec

-40dB/dec

1/ββββ

(b)

Ad

Compensación

-20dB/dec

1/

d Ad

AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIÓN GENERAL NO COMPENSADO INTERNAMENTE


Tema 13 - 38



AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE CARACTERÍSTICAS MEJORADAS

Se pueden denominar amplificadores operacionales de características mejoradas los que poseen características estáticas o dinámica s mejores que las de los amplificadores de aplicación general.

Su denominación varía de unos fabricantes a otros s egún el parámetro característico que desean destacar. Como ejemplo se puede citar:

NE5512: se denomina AO de prestaciones elevadas ( Dual High-Performance ) porque su I B es inferior a 20 nA y su V OS (VIO es inferior a 1 mV) y la deriva de temperatura de V OS (VIO) es inferior a 5 µV/ºC.

OP07: se denomina AO de pequeña asimetría y deriva ( Low Offset, Low Drift ) porque su V O es inferior a 75 µV y la deriva de temperatura de V OS (VIO) es inferior a 0,6 µV/ºC.

TL082: se denomina AO JFET de elevado ancho de banda ( Wide Bandwidth ) porque su ancho de banda es de 4 MHz, pero también tiene una corriente de polarización de entrada de 50 pA y una elevada pendi ente de cambio SR de 13 V/µs.

20


Tema 13 - 39



FILTROS ANALÓGICOS [PERE página 145]

Son cuadripolos que atenúan determinadas frecuencias del espectro de la señal que se les aplica y permiten el paso de la s demás sin atenuarlas.

Función de transferencia

011

011

...

...

)(

)()(

bsbsbs

asass

s

ssH

nn

mm

++++++++== −

−

1-n

1m-m

i

o aavv

)p)...(sp)(sp(s

)z)...(sz)(sz(saH(s)

n

mm

−−−−−−=

21

21

Sacando factor común:

n: orden del filtro

pn: poloszm: ceros Para que el filtro sea realizable n ≥ m


Tema 13 - 40



Parámetros de diseño

Banda de pasoBanda

detransición

Banda suprimida

fp

Amax

fs

Amin

0

|H| (dB)

f

FILTROS ANALÓGICOS

21


Tema 13 - 41



CLASIFICACIÓN DE LOS FILTROS

Clasificaciónde losFiltros

• Según la función detransferencia queimplementan

• Según el modelo de lafunción de transferencia

• Según el tipo de señalque procesan

•Paso bajo

•Paso alto

•Paso banda

•Rechazo de banda

Pasivos

Activos

Conmutados

•Butterworth

•Chebyshev

•Bessel

•Analógicos

•Digitales


Tema 13 - 42




(a) Filtro paso bajo

f fffc fc

fc2 fc2fc1ffc1

Ideal

Real

0 0 0 0

-3

f0 f0

-3-3-3

(dB)H (dB)H

(b) Filtro paso alto (c) Filtro paso banda (d) Filtro rechazo de banda

Bandade paso

Bandade paso

Bandade paso

Bandade paso

Bandade paso

(dB)H(dB)H

Paso bajo

v i v o

Paso alto

v i v o

Paso banda

v i v o

Rechazo de banda

v i v o

FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS

22


Tema 13 - 43



Modelos matemáticos

Butterworth, Chebyshev y Bessel

t

Bessel

Chebyshev

Butterworth

io vv

Respuestas temporales a una entrada en escalón



Tema 13 - 44




Ejemplo: Filtro paso bajo.

Modelo de Butterworth


0,01 0,1 100

10

0

-30

-50

1 10

n=3

-60

-40

-20

-10

-70

-80

n=2

n=1

n=4

|H| (dB)

Frecuencia normalizada (f / f c )

( )n

pf

f

jf2

21

+

=

ε

1H

en la cual:

n es el orden del filtro.

ε es el parámetro que determina el rizado.

fp es la frecuencia extrema de la banda de paso.


23


Tema 13 - 45





Modelo de Chebyshev

Función de transferencia de Chebyshev de tipo I

( ) p

p

ωωpara

ωωnε

jωH ≤

⋅+

=−122 coscos1

1

( ) p

p

ωωpara

ωωhconhε

jωH >

⋅+

=−122 cos1

1



Tema 13 - 46





Modelo de Bessel


en la cual:

Bn(s) es el polinomio de Bessel de orden n:

en la cual:

Bessel

Chebyshev

Butterworth

0,1 1 10

10

0

-10

-20

-30

-40

-50

-60

RC

Frecuencia normalizada (f / f c )

|H | (dB)

( ))(sB

sn

1H =

∑=n

kkn sasB

0

)(

( )( ) nkpara

knk

ka

kn

n

k ...,,1,0!!2

!2 =−−

−= −


24


Tema 13 - 47



Paso alto

Filtros pasivos RC (I)

Filtros que utilizan solamente resistencias y conde nsadores.

Tipo de filtro Respuesta frecuencial Relaciones de interés

Paso bajo


R

CV1 Vo

RC

V1 Vo


Tema 13 - 48



Tipo de filtro Respuesta frecuencial Relaciones de interés

Paso banda

Filtros pasivos RC (II)

Filtros que utilizan solamente resistencias y conde nsadores.

Rechazo de banda


R1

R2C2

C1Vi Vo

R

C

Vi Vo

C

R/2

2C

R

25


Tema 13 - 49



Son filtros que utilizan amplificadores operacional es, condensadores y resistencias.

Topologías o estructuras más comunes

Sallen-Key

Realimentación múltiple [ Multiple FeedBack (MFB)]

Variables de estado ( State Variables )



Tema 13 - 50



Topología Sallen-Key

Estructuras para la realización de filtros activos Características

Sallen-Key


ViVo

Z4

+

-

Z1 Z2

Z3

R3

R4

26


Tema 13 - 51



R1

C1

R4

R3

Vi

Vo

R2

C2

+

-

Paso banda de 2º orden

Paso alto de 2º ordenPaso bajo de 2º orden

Topología Sallen-Key



Tema 13 - 52



Topología de realimentación múltiple ( Multiple Feedback)

Estructuras para la reañización de filtros activos Características

Realimentación múltiple (MFB)


ViVo

Z4

–

+

Z1 Z3

Z2

Z5

27


Tema 13 - 53



V iVo

R3

R2

C1

C2

R1

+

-


Paso alto de 2º orden Paso bajo de 2º orden

R1

C3=C

v ivo

C1=C

C2

R2

-

+

Topología de realimentación múltiple ( Multiple Feedback)



R2

C

vi

vo

C

R3

-

+

R1


Tema 13 - 54



Topología de variables de estado ( State Variables)

Permiten ajustar todos los parámetros del filtro de forma independiente Se logran valores de Q más elevados. Las salidas están disponibles de forma simultánea


R1

R2

RF1

RF2R

3

R4

C1 C

2

Paso bajo(LP)

Paso alto(HP)

Paso banda(BP)

vi v

o

RQ

-

+-

+

-

+

28


Tema 13 - 55



Son filtros que reemplazan las resistencias de los filtros activos por interruptores MOS que las emulan.

Ejemplo: Circuito integrador

C2

v ivo

S1

S2

C1

Reloj

"R"

-

+

t

v o

Durante el semiperiodo en el que S 1 esta cerrado la carga que se almacena en C 1 es v i C1.

FILTROS ANALÓGICOS ACTIVOS DE CAPACIDADES CONMUTADAS


Tema 13 - 56



PROGRAMAS DE DISEÑO DE FILTROS ASISTIDO POR COMPUTADOR

PROGRAMA

FilterLab

FABRICANTE

Microchip(www.microchip.com

)

CARACTERÍSTICAS

• Diseño de filtros hasta de 8º orden

• Diseño de filtros anti-aliasing• Genera salida para Spice

LIMITACIONES

• Sólo filtros activos paso bajo Sallen-Key o MFB

• No permite respuesta temporal

FilterCADLinear Technology(www.linear.com)

• Todo tipo de filtros, respuestas y estructuras

• Respuesta frecuencial y temporal

• Sólo para circuitos integrados de linear

• No genera salida para Spice

MAX274Maxim

(www.maxin-ic.com)

• Todos los modelos• Filtro de variables de estado universal

• Sólo para DOS• Solo para el MAX274 y MAX275

Filter2Texas Instruments

(www.ti.com)

• Permite las cuatro funciones y los tres modelos

• Estructuras Sallen-Key y MFB• Sólo para DOS

Filter2Texas Instruments

(www.ti.com)• Filtro Universal UAF42 • Sólo para DOS

sa tema 13 amplificacion -...

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