tema-2 [modo de compatibilidad]

TEMA 2

J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 1

Amplificación.

Amplificadores Integrados

Amplificadores Operacionales

• INTRODUCCIÓN(guión):– Introducción de la idea de amplificador.

– Tipos de Amplificadores: V, I y P.

– Concepto de Ganancia.

– Modelo básico de un amplificador de tensión.


– Ganancia logarítmica.

– Amplificadores en cascada. Ganancia, etapas de AC y Efectos del desacoplo.

– Rendimiento.

– Amplificadores diferenciales.


• AMPLIFICADORES OPERACIONALES(guión):– Introducción al Op-Amp. Parámetros.

– Amplificador inversor.

– Amplificador No inversor.

– Sumador inversor.


– Sumador inversor.

– Sumador no inversor.

– Consideraciones prácticas: excursión de salida, slew-rate, ancho de banda.

– Consideraciones de diseño: resistores, ancho de banda, características de catálogo.

– Bibliografía.

Amplificadores: conceptos básicos

• Idea que ya poseemos de amplificador:– Amplificador de audio.

EntradaAltavoces


Amplificador Audio Energía


• Idea que ya poseemos de amplificador: – amplificador de antena.

Antena

J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 5Amplificador R.F. Energía


• Un amplificador es un circuito cuadripolo que ante la aplicación en su entrada de una tensión o corriente es capaz de entregar una señal de salida similar a la de entrada, pero de proporciones mayores.


mayores.

• En general, pueden ser amplificadores de tensión, de corriente o de potencia.

× G SalidaEntrada

Amplificadores de Tensión

• Un amplificador de tensión actúa como circuito que entrega la tensión de entrada afectada de una determinada cte. denominada “ganancia”.

Entrada Salida


• Si G es constante, el amplificador es lineal e independiente de la frecuencia si vi(t) es una señal.

× GVi Vo = G×Vi

Amplificadores de Señal (alterna)• Si el amplificador posee una respuesta lo suficiente-

mente rápida, puede amplificar señales alternasaplica-das a su entrada.


V0(t) = Av•Vi(t)

Amplificadores de Corriente

• Un amplificador de corriente actúa amplificando la corriente que pasa por su entrada de baja impedancia:

EnergíaI in Iout


I in Iout

Amplificadores de Potencia

• Además de tensión, son capaces de dirigir la carga con suficiente corriente.


Amplificadores de Potencia• Además de tensión, son capaces de dirigir la carga con

suficiente corriente.

12 VRMS

t

12 VRMS

t

Salida: Tensión y corriente = POTENCIA

+Vcc


t t

Entrada:

generalmente tensión

-Vcc

El modelo del amplificador de tensión

• Como dipolo, es independiente de la tecnología con la que sea construido:

VentradaVsalida

VsalidaV

1.- Amp. a transistores


VsalidaVentrada

VsalidaVentrada

2.- Amp. a válvulas

3.- Amp. integrado

El modelo del amplificador de tensión

• Posee una impedancia de entrada (idealmente

infinita), una resistencia de salida (idealmente nula) y una fuente de tensión controlada que atiende a los cambios de tensión en la entrada:

A : Ganancia en Ro: Res. de salida


Avo: Ganancia en circuito abierto

Ri: Res. de entrada

Ganancia• La ganancia especifica la cantidad en que el

amplificador magnifica la señal de entrada:

• a) de Tensión:

• b) de Corriente: i

oV

V

VA =

Entre la salida y entrada del amplificador, con carga.


• b) de Corriente:

• c) de Potencia:

LiVIL

iV

ii

Lo

i

oI RRsiAA

R

RA

RV

RV

I

IA ==⇒⋅=== ,

//

( )L

iVIV

ii

Oo

i

o

R

RAAA

IV

IV

P

PG ⋅=⋅=

⋅⋅== 2

Ejemplos.- R.F.: 50Ω, Telf.: 600Ω

EJEMPLO (ejemplo1.1 Hambley, pag.22)

• Calcular la ganancia en tensión, de corriente y de potencia del circuito de la figura:


1MΩΩΩΩ 2MΩΩΩΩ 2ΩΩΩΩ 8ΩΩΩΩ

1mVRMS104·Vi

Guía de Solución ejemplo anterior:

• Pasos a seguir:– Determinar Vi para concluir en Vo.

– Observar que Vi está afectada por el divisor de tensiónformado por Ri y Rs.

– También, la salida de la fuente controlada se


– También, la salida de la fuente controlada se merma por el divisor RL y Ro y Vo es menor.

– Conocida AV, calcular AI y G por las expresiones anteriores.

Amplificadores en Cascada

• En una cadena de amplificación, la ganancia total es el producto de las ganancias individuales (si no hay divisores de tensión importantes entre etapas).

AAA ⋅=


21 VVV AAA ⋅=

Ejemplo:Amplificadores en Cascada.

• Calcular las ganancia de tensión, corriente y potencia de cada una de las etapas y de la conexión en cascada de ambas.


Guía de Solución ejemplo anterior:

• Observar que la segunda etapa amplificadora actúa como “carga” de la primera, por lo que el efecto divisor de tensión es entre Ro1 y la Ri2.

• Calcular las ganancias individuales en bucle


• Calcular las ganancias individuales en bucle cerrado y a partir de estas, las de corriente y potencia en cada caso por las expresiones ya conocidas.

Notación de la ganancia en Decibelios

• Para expresar magnitudes grandes o de respuesta en frecuencia es preferible utilizar unidades expresadas logarítmicamente.


• Para la ganancia en potencia se utiliza el Belio y su submúltiplo “DECIBELIO”(dB) :

Pi

PoGdB log10⋅=

Notación de la ganancia en Decibelios

• En el caso de la tensión, dada la relación P=V2/R, es:

ii

oodB

RV

RV

Pi

PoG

//

log10log10 2

2

⋅=⋅=


• y si Ro ≈Ri se llega a:

ii RVPi /

i

o

i

o

i

odB

V

V

V

V

V

VG log20log10log10

2

2

2

⋅=

⋅=⋅=

EJEMPLO: Notación en Decibelios

• Un regulador de tensión rechaza 100 Hz de rizado con 60dB. ¿Cual es la atenuación en una escala lineal?.

dBV

Go

dB 60log20 =⋅=


• Luego la relación de rechazo es:

dBV

Gi

dB 60log20 =⋅=

( ) 000.11020

60log 31 ==

= −

i

o

V

V

Amplificadores en Cascada de Corriente Alterna

• Para limitar el paso de corriente continua, es necesario el “desacoplo” en alterna mediante la adición de un condensador:


Condensador desacoplo

Ci

Impedan-cia de entrada


• La adición de capacidades en serie junto con las impedancias de entrada de cada etapa generarán estructuras de tipo “paso alto” y limitarán el ancho de banda del amplificador.

G(f)


f

G(f)RC diferenciador

Ri RiC1 C2 C2


• Cálculo de la frecuencia de corte diferenciador:

bandafrecuenciaimoCR

fc __min2

1 ≤⋅⋅⋅

=π

G(f)Mínimo Banda de paso


Donde Ri representa la impedancia de entrada de la etapa amplificadora, -o de la carga en su caso-, y C, el condensador a AÑADIR para implementar el DESACOPLO en AC. “fc” debe se tal que limite por la zona inferior la banda de paso deseada del amplificador.

fRC diferenciador

fc

Fuentes de Alimentación y Rendimiento

• La energía que se disipa en la carga debe obtenerse de la fuente de alimentación.

• Sin embargo, parte de la energía se disipa dentro del amplificador en forma de calor en los semiconductores de salida y en polarizaciones de


semiconductores de salida y en polarizaciones de los transistores para fijarlos en su punto de trabajo.

• Aparece así un concepto de RENDIMIENTO:

disipadaac

ac

fuente

ac

PP

P

P

P

+==

arg

argargη


• Distribución de corrientes:+Vcc

CALOR

- El rendimiento típico suele estar entre el 80% y 95%.


t

t

Polarizaciones:-Vcc


t

t

CALOREtapa con refrigeración forzada por ventilador


Etapas con refrigeración pasiva por convección.

Amplificadores Operacionales• Internamente puede contener un diseño basado en

una veintena de transistores de distintas tecnologías.


LM3140

Amplificadores Operacionales• Se comercializa integrado en formato de 1, 2 o

4 amplificadores dentro de un mismo chip.

LM3140


Características de la serie TL7xx.



• Amplificador operacional ideal:– Ganancia bucle abierto, K → ∞– Ganancia Modo Común, K’ → 0– Ancho de Banda, BW → ∞– Ri → ∞ Ω


– Ri → ∞ Ω– Ro → 0 Ω

ViVo

RiRo

K@Vi

Amplificador Inversor

• La señal entra a través de R1 por el terminal Inversor. La salida está desfasada 180º.

VRMS

t

VRMS

t


Análisis del Amplificador Inversor

• Masa Virtual: Ri es tan grande que la corriente que lo atraviesa es casi nula, y por tanto, la caída nula también:

V = -i · R

Siendo i1 ≡ i2


MASA VIRTUAL

V0 = -i2 · R2

Conclusión para el Amplificador Inversor

• Se concluye:– 1.- Impedancia de entrada: Ri

– 2.- Impedancia de salida: << R0 (prácticamente nula).

– 3.- Ganancia: G = - R2 / R1,• donde “-” significa que “invierte la fase”.

– 4.- Puede Amplificar y Atenuar, según la relación R/ R .


– 4.- Puede Amplificar y Atenuar, según la relación R2 / R1.

MASA VIRTUAL

1

2

R

RAvG

−==

1RZi ≡Ω↓≈≈ 0RoZo

AoBPCH GRR

Rf

+=

21

1


• Ancho de Banda del operacional (ejemplo TL081):


4MHz


• Producto Ancho de Banda Unidad (BPw):– Máximo de la banda de paso cuando la ganancia YA ES

“G = 1” (es decir, 0dB)


AoBPCH GRR

Rf

+=

21

1Para el montaje, depende de la ganancia que se pretende obtener de la etapa.

EJEMPLO: Diseño basado en Amplificador Inversor

• Diseñar un amplificador inversor de alterna para un micrófono de impedancia de salida 600Ω y que obtenga una de ganancia 30 dB.


obtenga una de ganancia 30 dB.• (Op-Amp con producto ancho de banda –unidad 3 MHz)

VoVi

R3

R2

R1

21

213

RR

RRR

+×=

Nota:

R3 compensa Ibias, siendo:


• Datos para la solución:

• 1.- Si es para un micro de 600Ω, la adaptación de impedancias exige que Zi= 600Ω, es decir, R1= 600Ω.

• 2.- Recordemos que:

– luego G = V/V = inv log (30 / 20 ) = 31,62 ⇒ Av = R / R = 31,62.

dBV

VG

i

odB 30log20 =⋅=


– luego G = Vo/V i= inv log (30 / 20 ) = 31,62 ⇒ Av = R2 / R1 = 31,62.

• 3.- Si es en alterna, se exige un condensador de desacoplo a la entrada del montaje inversor.

1

2

R

RAvG ==

RiZi ≡R3


• Datos para la solución:• 4.- Siendo R1= 600Ω, debe ser enonces R2 = 18.972 Ω• 5.- Valores comerciales en serie R2= 18KΩ + 820 Ω + 150 Ω.

o bien 3 resistores de 56 KΩ (18667 Ω) en paralelo • 6.- Ancho de banda (para BPw=3MHz) de :• fCH= (600/(600+18972))*3MHz = 92KHz.


• fCH= (600/(600+18972))*3MHz = 92KHz.

AoBPCH GRR

Rf

+=

21

1

Ω≈ 0Zo R3


• Datos para la solución:• 7.- Cálculo de R3

R3


I-

I+


• Datos para la solución:

• 8.- R3 = (600 * 18972)/(600+18972) = 581 Ω(comercial, 560 Ω aproximadamente).


R3

21

213

RR

RRR

+×=

Amplificador Inversor de alta ganancia

• Como G=-R2/R1, para conseguir gran ganancia hay que elegir R2 bastante grande, lo que puede conllevar inestabilidad.

• Una solución es la topología de la figura:


topología de la figura:

++−=3

2

1

4

1

4

1

2

R

R

R

R

R

R

R

RAv

Amplificador No Inversor

• La señal entra ahora por el terminal no Inversor del operacional. La salida está en fase con la entrada.


VRMS

tVRMS

t

Análisis del Amplificador No Inversor

• Aplicando el concepto de masa virtual, vi≈0V, por lo que V1 ≈ V in. También, i1 ≈ 0A.


Cortocircuito Virtual:

v1 ≈≈≈≈ vinoV

RR

RV ⋅

+=

21

11

Divisor:

Conclusión del Amplificador No Inversor

• Se concluye:– 1.- Impedancia de entrada: muy alta (infinita en caso ideal).

– 2.- Impedancia de salida: << R0 (casi nula).

– 3.- Ganancia: G = 1 + ( R2 / R1 ),

– 4.- No puede Atenuar (G ≥ 1 por la relación 1 + R2 / R1).


1

21

R

RAvG +==

Ω↓≈≈ 0RoZo

AoBPCH GRR

Rf

+=

21

1

Recomendación para el Amplificador No Inversor

• Dado que en la topología No Inversora, Zi ≈ ∞, en el caso de desacoplar con un condensador, Ci, el tiempo de carga (ι = R⋅C) sería también infinito.

• La solución es colocar una resistencia adicional Re, que

R2

Vi

R1


adicional Re, que impone un valor finitode impedancia de entrada.

Vi

Vo

Re

Vi

Ci

ndacuencia_baminimo_freRe2

1 ≤⋅⋅⋅

=Ci

fc π

Límite para el Amplificador No Inversor

• Como la ganancia del montaje No Inversor es:

1

21

R

RAvG +==

• en el límite cuando R2→0 (corto) y R1→ ∞ (abierto) se llega a la topología de Vo


se llega a la topología de “buffer”: amplificador ganancia unidad, alta impedancia de entrada (∞o fijada por Re) y casi nula de salida. Es un adaptador de impedancias.

ViVo

Re

“Buffer” ( G = 1 )

Amplificador No Inversor alta ganancia

• La propiedad G = 1 + R2 / R1 exige grandes valores óhmicos de R2 para obtener ganancias elevadas. Ello puede llevar al circuito a inestabilidad.

• La figura presenta una solución donde


una solución donde se eleva la ganancia por la red de R1 y R2. Ahora es:

2

1

2

1

231

+⋅+=R

R

R

RG

Amplificador Sumador Inversor

• Si se analiza el circuito de la figura mediante la técnica de “superposición” y “ masa virtual”se llega a que la salida es:

+−=⋅−⋅−=B

B

A

Af

B

fB

A

fAo

R

v

R

vR

R

Rv

R

Rvv


BABA RRRR

Amplificador Sumador Inversor

• Las propiedades son: – Impedancia entrada RA para Va , y RB para Vb.

– Impedancia de salida aproximadamente Ro.

• Aplicaciones:


– Mezclador de audio,

– Composición de señales.

– Off-set.

Amplificador Sumador No Inversor

• Igualmente, la topología de la figura consigue sumar señales sin invertirlas.

R2

RrRe• Igualmente, mediante superposición y


R2

R1

V2

R3

V1 Vo

⋅+

+⋅+

⋅

+= 221

11

212

Re1 V

RR

RV

RR

RRrVo

superposición y para R3 >> R1 y R2

, puede aproximarse a:

Consideraciones Prácticas

• Alimentación del operacional y excursión de salida. +Vcc

Vo = G * Vi

Vo = G * Vi ; Vo

Caída Colector-Emisor: (VCEsat)


VRMS

t

Entrada:

generalmente tensión -Vcc

Vo = G * Vi ; Vo ≤ Vcc - VCE


• Ejemplo: el LM358

Caída Colector-Emisor:

(VCEsat)



• Ejemplo: LM358 y del LM741.



• Producto Ancho de Banda x Ganancia:– La ganancia del operacional es casi infinita, pero

con un ancho de banda “Muy Limitado”.

• Para obtener mayor


• Para obtener mayor ancho de banda hay que limitar la ganancia.

• Para una G particular, puede ser necesario una cascada de amplificadores.

BW•G = 1

Consideraciones Prácticas• Ejemplo, el uA741:



• Velocidad de Subida(Slew-Rate) (V/ µ s )

+Vcc

Capacidades Parásitas

J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 58-Vcc


• Velocidad de Subida(Slew-Rate)


del uA741

Consideraciones Prácticas• Velocidad de Subida(Slew-Rate)

50m

V/d

iv

5V/d

iv


del LF356

50m

V/d

iv

5V/d

iv


• Cancelación de los efectos de la corriente de polarización(Ibias).:– Se recomienda colocar R = R2 // R1.


Consideraciones de Diseño• Valores resistivos, impedancia de entrada,

corriente de salida.


Consideraciones de Diseño

• Ancho de banda y ganancia. Slew-rate.• Compensación de capacidades parásitas para

alta velocidad.


Consideraciones de Diseño

• Tensión de alimentación.

• Nº de operacionales por encapsulado.

J.M. Guerrero Rodríguez - 2012/13 64TLV2241 de Texas

Bibliografía• A. R. Hambley, “ Electrónica “, 2ª Ed., Prentice Hall, 2.001.

• Norbert R. Malik, “ Circuitos Electrónicos: Análisis, Simulación y Diseño “, Prentice Hall, 1.996.

• J.M. Jacob, “Applications and Design with Analog Integrated Circuits “, 2nd Ed., Prentice Hall, 1.993.


• Boylestad Nashelsky, “ Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos “, 8ª ed., Pearson, Prentice-Hall, 2.003.

• E. Malvino, “ Principios de Electrónica “, 5ª Ed., McGraw-Hill, 1.993.

tema-2 [modo de compatibilidad]

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