Post on 07-Jun-2022
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.
2
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.
ADIF
+
- Out-
Out+
ADIF
+
- Out-
Out++
- Out-
Out+
Vs
BUFFERCOMPENSACIÓN
Cm
Cm
ADIF
+
- Out-
Out+
Ad1(s) Ad3(s) Ad2(s) Adn(s) Av(s)
3
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.
OTA
+
-
OUT
BUFFER
Vs
COMP/GANANCIA
CmHy(s) Hz(s) Hv=1
Zed Zs
11.3 El OPA de dos Etapas: Esquema de Compensación.
4
Estructura del OPA sencillo.
Rc
Cm
Cbpb
Q9
Rb
Q1 Q2
Q3Q4
R1
R
Vcc
Vee
Q5
Q6
R3
R4
Vs
Q7
Q8
D1
D2
(+)
(-)
Etapa Diferencial:
Hy(s), Zed
Etapa
De
Compensación:
Hz(s), wo
Etapa Buffer:
Hv, Zs
11.3 El OPA de dos Etapas: Esquema de Compensación.
5
Modelo de Pequeña Señal Simplificado del OPA.
Rc
Cm
Cbpb
Q9
Rb
Q1 Q2
Q3Q4
R1
R
Vcc
Vee
Q5
Q6
R3
R4
Vs
Q7
Q8
D1
D2
(+)
(-)
VsVaHv
ro1 R1
Cbpb
Cm
Rb ro9 Rc Rs
Ve2
Ve1
Etapa
De
Compensación:
Hz(s), wo
Etapa Diferencial:
Hy(s), Zed
Etapa Buffer:
Hv, Zs=0
gmd /2(Ve1-Ve2)
Zed=2rp1 rp9
gm9Vbe9
Vbe9 Vb
11.3 El OPA de dos Etapas: Esquema de Compensación.
Diseño Simplificado del OPA.
6
VsVaHv
ro1 R1
Cbpb
Cm
Rb ro9 Rc Rs
Ve2
Ve1
Etapa De
Compensación:
Hz(s), wo
Etapa Diferencial:
Hy(s), Zed
Etapa Buffer:
Hv, Zs=0
gm1/2 . (Ve1-Ve2)=Ig
Zed=2rp1 rp9
gm9Vbe9
Vbe9 Vb
11.3 El OPA de dos Etapas: Esquema de Compensación.
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
7
Configuración inversora: Versión OPA.
2
11
2
3
21
1
RIVentVsal
ZsalIVentAVsal
ZentIIVent
VentIRV
1
2
12
11
2
1
R
R
V
Vsal
RIVsal
IRV
0
0
0
2121
VentA
IIIIZent
VentZent
VentAVsalZsal
(Cortocircuito Virtual)
Vsal V-
V+
1I
2I
3I
+
-
8
Configuración inversora: Versión OTA.
1
2
212
1
2
1
)(
1
)()()(
2
1
1
11
Rg
RgvVs
RRIVV
Rg
vgI
Rg
vV
IVgVVgI
m
mg
gs
m
gm
m
g
mm
OTA
+
-
OUT
R2R1
Vg
Vs
V(-)
V(+)
1I 2I
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
9
Configuración no inversora (transtensión): Versión OPA.
2
11
2
3
21
1
RIVentVsal
ZsalIVentAVsal
ZentIIVent
IRVentV
1
21
121
11
2
1
R
R
V
Vsal
RIVVsal
IRV
0
0
0
2121
VentA
IIIIZent
VentZent
VentAVsalZsal
(Cortocircuito Virtual)
Vsal V-
V+ 1I
2I
3I
+
-
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
10
1
21
21
1)(
1
)()()(
2
1
)(
Rg
RRgvV
RR
vRV
IVvgVVgI
m
mgs
s
gmm
OTA
+
-
OUT
R2R1
Vs
Vg
V(-)
V(+)
1I
2I
Configuración no inversora (transtensión): Versión OTA.
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
CONDICIONES (Estáticas)
• 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(+)<v(-) ó de otro modo v2> V1
11
Comparador sin histéresis: Versión OPA.
Vs
-Vsat
Vs
V2-V1
+Vsat
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
12
Comparador con histéresis Inversor: Versión OPA.
+
-
OUT
R2
R1
Vs
ve
-Vsat
Vs
Ve
+Vsat
Vth(i) Vth
(s)
CONDICIONES (Estáticas)
• 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 si v(+)>v(-) ó de otro modo ve< Vth(s)
• vs = -Vsat si v(+)<v(-) ó de otro modo ve> Vth(i)
HISTÉRESIS
• 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.
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
OPA
+
-
OUT
R
Vg
Vs
D
13
Amplificador Logarítmico.
)ln(
)()1(
RI
VVV
VV
eIeIIR
VI
s
g
ts
sd
V
V
s
V
V
se
g t
d
t
d
Válido sólo para Vg>0
I eI
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
OPA
+
-
OUT
R
Vs
Vg
D
14
Amplificador Exponencial.
gd
s
V
V
s
V
V
sd
VV
R
VI
IeIeII t
d
t
d
)()1(
)( t
g
V
V
ss eIRV
IdI
Válido sólo para Vg>0
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
15
Amplificador Sumador (Mezclador): Versión OPA
4
44
3
33
2
22
1
11
R
VI
R
VI
R
VI
R
VI
Vs
1I
2I
3I
4I
aI
aas
a
a
RIV
R
V
R
V
R
V
R
VI
IIIII
4
4
3
3
2
2
1
1
4321
4
4
3
3
2
2
1
1
R
V
R
V
R
V
R
VRV as
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
16
Amplificador Sumador (Mezclador): Versión OTA
1I
aI
smaa
a
VgI
IIIII
4321
444
333
222
111
VgI
VgI
VgI
VgI
m
m
m
m
4
43
32
21
1 Vg
gV
g
gV
g
gV
g
gV
ma
m
ma
m
ma
m
ma
ms
OTA
+
-
OUT
OTA
+
-
OUT
OTA
+
-
OUT
OTA
+
-
OUT
OTA
+
-
OUT Vs
V1
V2
V3
V4
2I
3I
4I
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
17
Amplificador Sumador-Restador: Versión OPA.
1
1
12
2 1R
RV
R
R
RR
RVV aa
b
bs
Vs
1I
2I2I
1I
R1
V1
R2
U1A
TL082/301/TI
+3
-2
V+8
V-4
OUT1
Ra
0
0
-VCC
VCCV2
Rb
0
)(V
)(V
b
b
RR
RVV
2
2
)(
)()( VV
a
s
R
VV
R
VVI
)(
1
)(
11
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
OTA
+
-
OUT
OTA
+
-
OUT
OTA
+
-
OUT
V2
V1
Vs
18
Amplificador Sumador-Restador: Versión OTA.
1I
2I
aI
222
111
VgI
VgI
m
m
smaa
a
VgI
III
21
22
11 V
g
gV
g
gV
ma
m
ma
ms
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
19
Amplificador de Instrumentación.
Vg1
+3
-2
V+8
V-4
OUT1
R1
0
VCC
-VCC
+5
-6
V+8
V-4
OUT7
-VCC
VCC
+5
-6
V+8
V-4
OUT7
-VCC
VCC
R1 R2
R2
R3
R3
R4
Vg2
0
0
Vs
Vg2
Vg1
Va
Vb
))((
1
1
2
3
4
11
4
12
4
12
4
11
1
2
4
12
1
1
R
RVVV
R
RV
R
RVV
R
RV
R
RVV
R
VV
R
VV
R
VV
abs
ggb
gga
gbggag
4
1
2
312
21)(
R
R
R
RVVV ggs
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
OTA
+
-
OUT
Vg
OTA
+
-
OUT
Imt
20
El Girador de Inmitancias (Gyrator).
ZggI
vZ
vZggI
mmg
g
e
gmmg
21
21
1
gI
gmaa
a
mg
vgI
ZIVV
VVgI
)()(
)()(
2
;0
V(+)
aI
eZ
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
OPA
+
-
OUT
R
Vs
Vg
C
21
El Integrador: Versión OPA.
dtVCR
dtIC
V
RIV
es
e
11
I
w
wjCR
jV
V
e
s
1
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
OTA
+
-
OUT Vs
Vg
C
22
El Integrador: Versión OTA.
dtvC
gtv g
ms )(
I Cj
vgv
vgI
gm
s
gm
w
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
23
El Integrador (OPA).
OPA
+
-
OUT
R
Vs
Vg
CI
Tiempo 100.0ms 100.2ms 100.4ms 100.6ms
Vg
Vs
-10V
-5V
0V
5V
10V
-12V
12V
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
24
El Integrador (OPA).
OPA
+
-
OUT
R
Vs
Vg
CI
Frecuencia
100.0mHz 300.0mHz 1.00Hz 3.00Hz 10.0Hz 30.0Hz 100.0Hz 300.0Hz 1.00KHz 3.00KHz 10.0KHz 30.0KHz 30.5mHz 98.8KHz
20log(Vs/Vg)
0
40.0
80.0
-30.1
110.4
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
25
El Derivador: Versión OPA.
dt
VdCRRIV
dtIC
V
g
s
g
)(
1
ww jCRjV
V
g
s
OPA
+
-
OUT
R
Vs
Vg
CI
26
El Derivador: Versión OTA.
OTA
+
-
OUT Vs
Vg
C
OTA
+
-
OUT
OTA
+
-
OUT
g
mm
s
mmmm
e
vgg
Cjv
gg
Cj
ZggZ
CjZ
21
2121
1
1
w
w
weZ
dt
dV
gg
Ctv
g
mm
s
21
)(
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
27
El Derivador (OPA).
OPA
+
-
OUT
R
Vs
Vg
C
Tiempo
10ms 11ms 12ms 13ms 14ms 15ms 16ms
Vg Vs
-4.0V
0V
4.0V
-6.0V
6.0V
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
28
El Derivador (OPA).
OPA
+
-
OUT
R
Vs
Vg
C
Frequency
100mHz 300mHz 1.0Hz 3.0Hz 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 30mHz
-80.0
-40.0
-0.0
-109.8
28.3
20log(Vs/Vg)
11.4 Aplicaciones con OPAs y OTAs.
11.4 Controladores Básicos
sTK
Vgenerador
Vsal
i
p
11
29
Configuración PI
Vsal
22
1
2
CRT
R
RK
i
p
V2
15V
U1ATL082/301/TI
+3
-2
V+
8
V-4
OUT1
V3
-15V
R2
1.2k
0 0
0
0
R1
1.2k
Vgenerador
C2
1u
11.4 Controladores Básicos
30
Configuración PI
Vsal
Fase(Vsal/Vgenerador))
20log(Vsal/Vgenerador))
V2
15V
U1ATL082/301/TI
+3
-2
V+
8
V-4
OUT1
V3
-15V
R2
1.2k
0
0
0
0
R1
1.2k
Vgenerador
C2
1u
Frecuencia
100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz 120d
140d
160d
180d
-5.0
0
5.0
11.4 Controladores Básicos
31
Configuración PD
V2
15V
U1ATL082/301/TI
+3
-2
V+
8
V-4
OUT1
C1
2.2n
V3
-15V
R2
1.2k
0 0
0
0
R1
1.2k
Vgenerador
Vsal
sTKVgenerador
Vsaldp 1
11
1
2
CRT
R
RK
d
p
11.4 Controladores Básicos
32
Configuración PD
V2
15V
U1ATL082/301/TI
+3
-2
V+
8
V-4
OUT1
C1
2.2n
V3
-15V
R2
1.2k
0 0
0
0
R1
1.2k
Vgenerador
Vsal
Frecuencia
100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz -180d
-160d
-140d
-120d
-4.0
0
4.0
8.0
Fase(Vsal/Vgenerador))
20log(Vsal/Vgenerador))
11.4 Controladores Básicos
sT
sTK
Vgenerador
Vsald
i
p
11
33
Configuración PID
Vsal
2211
2211
2211
21
2211
CRCR
CRCRT
CRCRT
CR
CRCRK
d
i
p
V2
15V
U1ATL082/301/TI
+3
-2
V+
8
V-4
OUT1
C1
2.2n
V3
-15V
R2
1.2k
0 0
0
0
R1
1.2k
Vgenerador
C2
1u
11.4 Controladores Básicos
34
Configuración PID
Vsal
V2
15V
U1ATL082/301/TI
+3
-2
V+
8
V-4
OUT1
C1
2.2n
V3
-15V
R2
1.2k
0 0
0
0
R1
1.2k
Vgenerador
C2
1u
Frecuencia 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz
120d
160d
200d
240d
20log(Vsal/Vgenerador))
0
4.0
8.0
Fase(Vsal/Vgenerador))
Hidalgo López, José A.; Fernández Ramos Raquel; Romero Sánchez, Jorge (2014). Electrónica. OCW-Universidad de Málaga. http://ocw.uma.es. Bajo licencia Creative Commons Attribution-NonCommercial-Share-Alike 3.0 Spain