CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES · 2019-08-03 · TEMA 5. CIRCUTOS CON AMPLIFICADORES...

TEMA 5. CIRCUTOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES 1

CCIIRRCCUUIITTOOSS CCOONN AAMMPPLLIIFFIICCAADDOORREESS OOPPEERRAACCIIOONNAALLEESS

5.1. AMPLIFICADOR INVERSOR

La señal de entrada Vi se introduce por el terminal inversor del A.O.

R1

I1

I

I

2I

R2

+V

-V

V 00VV i

-

+

-

+

Figura 1

Si se tiene en cuenta que la Zi (impedancia de entrada) es muy elevada:

+I = -I = 0

Despreciando la corriente que entra por el terminal inversor (-I), se tiene:

21 II −=

11 R

VI i=

Siendo la tensión de salida Vo:

22 ·RIVo =

21

·RRV

V io −=

Existiendo un desfase en la tensión de salida de 180º

Adoración Hermoso Fernández


Según la ecuación anterior, la tensión de salida es igual a la de entrada, amplificada según el valor de la ganancia en tensión (∆v).

1

22

1

·

RR

V

RRV

VV

vi

i

i

o −=

−

==∆

Para que los dos terminales (inversor y no inversor), vean la misma resistencia de entrada.

213 // RRR =

R1

R2

+V

-V

V0

Vi -

+R3

Figura 2



5.2. AMPLIFICADOR NO INVERSOR

o La señal de entrada Vi se aplica al terminal no inversor del A.O. o La señal de salida Vo, está en fase con la de entrada.

R1

I1

2I

R2

+V

-V

V 0V i

-

+ I0R3

Figura 3

Si observamos el circuito determinamos:

21 II =

11 R

VI i=

)(· 211 RRIVo +=

Sustituyendo el valor de I1:

( )io V

RRRV ·

1

21 +=

La ganancia en tensión (∆v) viene determinada:

1

21

RRR

VV

i

ov

+==∆

De lo que se deduce que no se puede conseguir ∆v = 1

213 // RRR =



Conclusiones:

o En la configuración inversora se obtiene un desfase de 180º de la salida respecto a la entrada; pudiéndose conseguir una ∆v = 1.

o En la configuración no inversora, la salida está en fase con la entrada y ∆v ≠ 1.

5.3. APLICACIONES CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES 5.3.1. INTRODUCCIÓN

Las primeras aplicaciones de los A.O., fueron en la realización de operaciones matemáticas: suma, resta, derivación, integración, etc. 5.3.2. SUMADOR INVERSOR Y NO INVERSOR 5.3.2.1 SUMADOR INVERSOR

o Se le llama también amplificador inversor multicanal. o El siguiente circuito constituye un A.O. sumador inversor de 3 canales.

R1

I1I 0

R4

+V

-V

V 0

V 1

--

+

V 2 I

R2

V 33I

R32

I0

iI

Figura 4

Teniendo en cuenta, las consideraciones vistas hasta ahora y que son 3 inversores:

oi II −=

3

43

2

42

1

41 ;;

RR

RR

RR

vvv −=∆−=∆−=∆



321 vvvv ∆+∆+∆=∆

( )321 IIII o ++−=

Sustituyendo los valores de las intensidades:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−=

3

3

2

2

1

1

RV

RV

RVIo

Podemos obtener la tensión de salida:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−=

3

3

2

2

1

14 R

VRV

RVRVo

Si: R1 = R2 = R3 = R4 321 VVVVo ++=

( )332211 ··· VVVV vvvo ∆+∆+∆−=

Haciendo:

R1 = R2 = R3 = R

R4 = R / n (n: nº de entradas del sumador)

Obteniéndose un circuito que realiza la media aritmética de las señales de entrada.



Conectando un amplificador inversor de ganancia unitaria a la salida del sumador inversor, se obtiene un amplificador sumador no inversor.

R1

R4

+V

-V

V0

V1

-

+

V2

R2

V3

R3

R

+V

0V'

-V

R

+

-

Figura 5

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++−=

3

3

2

2

1

14 R

VRV

RVRVo

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=′

3

3

2

2

1

14 R

VRV

RVRVo



5.3.2.2 SUMADOR NO INVERSOR

La salida se encuentra en fase con la entrada, pero no se puede obtener ganancia unitaria.

R1

I1

R6

+V

-V

V0

V1 -

+V2 I

R2

V33I

R32

I0

0I

R5 5I

0I

+

-

4R

4IVi

Figura 6

Si se aplican las consideraciones de un amplificador no inversor:

oII =5

5

56

RRR

VV

i

ov

+==∆

La tensión en el terminal no inversor (Vi) viene determinada por:

44 · IRVi =

( )3214 IIIRVi ++=



⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

3

3

2

2

1

14 R

VRV

RVRVi

ivo VV ·∆=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

5

56

3

3

2

2

1

14 ·

RRR

RV

RV

RVRVo

5.3.3. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL (RESTADOR)

o Realiza la resta o diferencia entre las dos señales de entrada. o El A.O. funciona como inversor y no inversor. o Aprovechando el desfase del inversor se puede realizar la resta o diferencia entre

las dos señales de entrada.

I0

R3

Vi2 - I 0

R1

I1

R2

V0Vi1

-

+

Figura 7

21 ooo VVV +=

Vo1: salida proporcionada por el terminal no inversor.

Vo2: salida proporcionada por el terminal inversor.



11

12111 ·· iivo V

RRRVV ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +=∆=

21

2222 ·· iivo V

RRVV −=∆=

( ) ( )2211 ·· ivivo VVV ∆−∆=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ += 2

1

21

1

12 · iio VRRV

RRRV

o El inconveniente del circuito anterior, es que no se obtiene exclusivamente la diferencia de las dos señales de entrada. Intervienen ∆v1 y ∆v2.

o Para que la salida sea solo la diferencia de las dos señales de entrada se tiene que cumplir que:

∆v1 = ∆v2 = 1

R

R

+V

-V

Vi2 -

+

R

-V

+

-V0

R

+V

i1VR

V'0AB

Figura 8

Amplificador A inversor.

Amplificador B sumador inversor.

2io VV −=′

12 iio VVV −=



5.3.4. DERIVADOR E INTEGRADOR 5.3.4.1. DERIVADOR

o En la salida (Vo) se obtiene la derivada de la señal de entrada (Vi), respecto al tiempo, multiplicada por una constante.

o El circuito se basa en un inversor, en el que R1 se ha sustituido por un condensador.

C

Ii

0I

R

+V

-V

V0

Vi -

+

Figura 9

Como IC = Ii

dtdV

CI CC =

oC II −=

iC VV =

La tensión de salida (Vo) será:

RIV Co ·=

dtdV

RCdt

dVRCV iC

o −=−=



5.3.4.2. INTEGRADOR

La salida es el producto de una constante por la integral de la señal de entrada.

C

Ii

cI

R

+V

-V

V0

Vi -

+

Figura 10

Para obtener la salida, hay que tener en cuenta la carga (Q) almacenada, entre las

placas del condensador.

∫= dtIQ C

Al ser Ii = - IC

∫ −= dtIQ i

Definiendo la carga (Q) en función del voltaje (VC) y la capacidad (C) del condensador:

CVQ C ·=

∫−== dtICC

QV iC1

iii RVI /=

∫−== dtVCR

VV ioC1



5.3.5. AMPLIFICADOR LOGARÍTMICO

o Su salida es no lineal, es proporcional al logaritmo neperiano de la señal de entrada.

o Se basa en la relación exponencial existente entre la corriente y la tensión en una unión PN.

-

+ I

R

-V

+

-V0

T

I

+V

Vi

R

I

I

D

+V

-V

V0

Vi

Figura 11

Relación exponencial:

( )1/ −= TVVo eII

Io: corriente inversa de saturación. VT: KT/q [ K: ctte de Boltzman (1,38·10-23 J/K), T : temperatura absoluta en grados Kelvin, q : carga del electrón (1,602·10-19 C) ]. V: caída de tensión entre ánodo y cátodo.

( )1/ −= To VVo eII

1/ ⟩⟩To VVe Tomando logaritmo neperiano:

T

o

o VV

IILn =



Si: I = Vi / R.

RIV

LnVVo

iTo =

En cuanto al circuito utilizando un transistor:

( )1/ −= TBE VVo eII

La ventaja de utilizar un transistor, es su propiedad amplificadora.

Para conseguir el amplificador antilogarítmico (figura 12), se intercambia el

diodo por la resistencia y viceversa.

R

D

+V

-V

V 0

V i -

+

Figura 12

T

i

VV

T

io eRI

VV

RIV ··exp·· 00 −=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=



5.3.6. MULTIPLICADOR Y DIVISOR

Hay que basarse en las propiedades que cumplen los logaritmos. 5.3.6.1. MULTIPLICADOR

( )ABLnLnBLnA =+

( )[ ] ABABLnanti =log

R

V0

-

+

A

D

-

+

RR

BR

+

-

D

R

D

+

-

R

0V'

Figura 13



5.3.6.2. DIVISOR

BALnLnBLnA =−

BA

BALnanti =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛log

R

V0

-

+

A

D

-

+

RR

BR

+

-

D

R

D

+

-

R

0V'

Figura 14



5.3.7. POTENCIACIÓN Y RADICACIÓN 5.3.7.1. POTENCIACIÓN

( ) LnAnALn n ·= ( )[ ] nn AALnanti =log

A

D

-

+

RR

D

+

-

R

0V'0V''

nR

V0

-

+

Figura 15

5.3.7.2. RADICACIÓN

( )n

LnAALn n =

( )[ ] nn AALnanti =log

A

D

-

+

RnR

D

+

-

R

0V'0V''

R

V0

-

+

Figura 16



5.4. COMPARADOR DE TENSIÓN

o Se basa en un A.O. sin lazo de realimentación, al que se le aplica una señal en cada entrada.

o Utiliza alimentación simétrica (+V, -V). Saturándose el amplificador, a los valores que se apliquen a estos terminales.

R1

+V

-V

V0

V2 -

+R3

1V

Figura 17

Suponiendo una alimentación simétrica de ± 15v (+V = 15v, -V = -15v), la salida Vo tomaría los siguientes valores:

V1 > V2 ( Vo = +V = +15V) (Salida saturada positivamente).

V1 < V2 ( Vo = -V = -15V) (Salida saturada negativamente).



Un ejemplo práctico de esta configuración es el detector inversor de cruce por cero (figura 18).

Ei

+V

-VV0

-

+

RUIDO

RVref

Figura 18

Se puede comprobar que el A.O. es muy sensible al ruido y esto es un grave problema en los A.O. que trabajan como comparadores .

SEÑAL SIN RUIDO SEÑAL CON RUIDOE i

0

0V

V SAT

SATV

t

t

A

+

-

Figura 19



5.4.1. COMPARADOR REGENERATIVO (BÁSCULA DE SCHMITT)

o Coge una fracción del voltaje de salida (Vo) para crear un voltaje de referencia (VR) dependiente de la salida.

o Utiliza realimentación positiva.

Ei

+V

-V

V0

-

+

R

VR

R

1

2

Figura 20

Su funcionamiento se basa en llevar la salida del A.O. a saturación positiva (+VSAT) y negativa (-VSAT).

+VSAT = +V.

-VSAT =

-V.

o VO = +VSAT, el voltaje realimentado Umbral superior de voltaje (VHT)

positivo respecto a masa.

21

2·RRRV

V SATHT +

=+

o VO = -VSAT, el voltaje realimentado Umbral inferior de voltaje (VLT) negativo respecto a masa.

21

2·RRRV

V SATLT +

=−



Al ser los voltajes de umbral más grandes que los voltajes de pico de ruido eliminación de las transiciones falsas de salida.

E i

0

0V

V SAT

SATV

t

t

+

-

HTV

LTV

Figura 21

El funcionamiento de un comparador, se puede representar de forma gráfica mediante el ciclo de histéresis.



0

V SAT

0V

-

-

HTV

HV

V+0

SAT+ V

E-i

+iELTV

Figura 22: Ciclo de Histéresis

Observando la gráfica:

VO = +VSAT Ei > VHT para que VO = -VSAT.

VO = -VSAT Ei < VLT para que VO = +VSAT.

El voltaje de histéresis (VH) viene definido como:

LTHTH VVV −=

VH: ruido pico a pico que puede soportar el circuito.



5.5. RECTIFICADORES DE PRECISIÓN DE MEDIA ONDA Y ONDA COMPLETA 5.5.1. MEDIA ONDA

RVi

1

1

2R

R4

3R

1DD2

01VV02

Vi

V 01

t

t

t

tt

D2V

02V

Figura 23



5.5.2. ONDA COMPLETA

o Rectificador de media onda, a la que se le añade un sumador. o Para aumentar la tensión continua de salida aumentar ganancia.

1

1

2R

R5

4R

1D

D2

01V V02

R61

P

R3

SV

7R

A1

2A

RVi

Vi

V O1

t

t

t

tt

O2V

SV

Figura 24



5.6. CONVERTIDORES 5.6.1. CORRIENTE A VOLTAJE

o A1 etapa conversora. o A2 produce cambio de signo y ganancia adicional.

Ii

LI

RL

Vi -

+

R

+

-V0

R

V'0A1A2

Figura 25

iLiLO IRRRIRV ·)·( =

−−=

RL: constante de traducción.



5.6.2. VOLTAJE A CORRIENTE

Utiliza realimentación negativa y positiva.

R1

I1

2I

R2

V0

Vi -

+

R3

IL4I

VS

R4

V0 I

I4

3

LR

SV

Figura 26

33

11 R

VVI

RVV

I SOSi −=

−=

44

22 R

VI

RVV

I SSO =−

=

Teniendo en cuenta que:

)1(43

43 ecuaciónRV

RVV

III SSOL −

−=−=

21 II −=

21 RVV

RVV OSSi −

=−

( )SiOS VVRRVV −=−

1

2



Multiplicando por (-1):

( )iSSO VVRRVV −=−

1

2

Sustituyendo en la ecuación 1:

( )31

2

431

2

431

2 1RRRV

RRRRV

RV

RRRVV

I iS

SiSL −⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=−

−=

Haciendo:

R1 = R2

R3 = R4

42

2

424

2 1RRRV

RRRRVI i

SL −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

4

1R

VI iL −=

conversióndectteR

=4

1



5.6.3. ANALÓGICO/DIGITAL

o Transforman la señal analógica, en una señal digital de amplitud constante y discontinua en el tiempo.

Diagrama de bloques:

CUANTIFICADOR CODIFICADORVe2 -1n 0b

1b

bn

A/D

Figura 27

CUANTIFICADOR:

o Transforma la señal de entrada analógica, en escalones cuantificados. o Cada escalón viene definido:

nee

escalon

VVV

2minmax −=

Ve = señal de entrada analógica. n = número de bits.

CODIFICADOR: o Necesita señales de entrada cuantificadas (en escalones). o Sus salidas son las del convertidor A/D binarias.



Diseño de un A/D de 3 bits, que digitalice una señal de entrada analógica de 0 a 4 vóltios.

Valor del bit menos significativo (LSB) o de cada escalón:

vóltiosLSB 5,02

043 =−

=

000

001

010

011

100

101

110

111

ENTRADA

SALIDA

0,5v=000

1v=001

1,5V=010

Figura 28

Márgenes de tensión, para cada combinación binaria:

000: 0 < Ve < 0,5 001: 0,5 < Ve < 1 010: 1 < Ve < 1,5 011: 1,5 < Ve < 2 100: 2 < Ve < 2,5 101: 2,5 < Ve < 3 110: 3 < Ve < 3,5 111: 3,5 < Ve < 4



Quedando el diseño del convertidor A/D siguiente:

-+

-+

-+

-+

-+

-+

-+

0,5V

1V

1,5V

2V

2,5V

3V

3,5V

CODIFICADOR

PRIORIDAD

DE

1

2

3

4

5

6

7

2

1

4 b

b

b0

1

2

0V < Ve < 4V

VREF5 V

5 V

5 V

5 V

5 V

5 V

5 V

Figura 29



5.6.4 DIGITAL/ANALÓGICO

o Muy utilizados en el proceso y tratamiento de señales digitales. o Reciben una palabra digital de “n” bits y la transforman en una señal analógica. o La entrada digital viene representada en binario o cualquier código BCD. o 2n combinaciones de entrada 2n niveles discretos en la salida. o Ecuación que define un D/A de cualquier tamaño:

( )11

321 2............4212

1−

−++++−

= nn

nO VVVVV

4R

I1

R1

V0

V1

-

+

V2 I

2R

V3

R 2

I0

Vn-1

(2 )R

n-1I

I3

n-1

Figura 30



Diseño de un D/A de 3 bits con entradas TTL

o Los valores de las resistencias pueden ser:

- R = 10 KΩ (normalizado). - 2R = 20 KΩ (no normalizado). - 4R = 40 KΩ (no normalizado).

Los valores “no normalizados”: resistencias variables.

o Ecuación del convertidor de 3 bits:

)24(71

123 VVVVO ++=

o Al ser lógica TTL:

- Nivel ALTO “1”: 5V. - Nivel BAJO “0”: 0V (masa).

Nº binario Operaciones V0 000: 1/7 (4·0 + 2·0 + 1·0) 0 : 0V.

001 1/7 (4·0 + 2·0 + 1·5) 5/7: 0,71V. 010 1/7 (4·0 + 2·1 + 1·0) 2/7: 1,43V 011 1/7 (4·0 + 2·1 + 1·1) 3/7: 2,14V. 100 1/7 (4·1 + 2·0 + 1·0) 4/7: 2,86V. 101 1/7 (4·1 + 2·0 + 1·1) 5/7: 3,57V. 110 1/7 (4·1 + 2·1 + 1·0) 6/7: 4,28V. 111 1/7 (4·1 + 2·1 + 1·1) 7/7: 5V.


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