Diseño, simulación e implementación de circuitos con amplificadores operacionales

Diseño, simulación e implementación de circuitos con amplificadores operacionales

Steban Mosquera, Kevin Ñañez

{u1803181 y u1803185}@unimilitar.edu.co

Resumen— En el presente informe se busca poner en práctica los conocimientos de amplificadores operacionales y utilizarlos en circuitos que utilicen los diferentes tipos de opamps además de acondicionarlos para usarlos con diferentes componentes como lo son los transistores.

Palabras clave— Amplificador operacional, transistores.

1. INTRODUCCIÓN

EN  el  presente  laboratorio se implementaron circuitos reuniendo dispositivos como los amplificadores operacionales y los transistores para elaborar circuitos como los son el PWM y cada ejercicio de diseño se le elaboraron las matemáticas y simulaciones en Proteus respectivas.

1. Marco teórico

Amplificador operacional.

Es un amplificador de voltaje electrónico de alta ganancia acoplado a CC con una entrada diferencial y, generalmente, una salida de un solo extremo. En esta configuración, un amplificador operacional produce un potencial de salida (en relación con la tierra del circuito) que suele ser cientos de miles de veces mayor que la diferencia de potencial entre sus terminales de entrada. Los amplificadores operacionales tenían sus orígenes en las computadoras analógicas, donde se usaban para realizar operaciones matemáticas en muchos circuitos lineales, no lineales y dependientes de la frecuencia.

La popularidad del op-amp como bloque de construcción en circuitos analógicos se debe a su versatilidad. Al utilizar retroalimentación negativa, las características de un circuito de amplificador operacional, su ganancia, impedancia de entrada y salida, ancho de banda, etc. están determinadas por componentes externos y tienen poca dependencia de los coeficientes de temperatura o la tolerancia de ingeniería en el propio amplificador operacional.[5]

Elementos de un amplificador

[pic 7]

Figura 1. Partes del amplificador.

Clasificación

Los amplificadores operacionales pueden ser clasificados por su construcción:

discreto (construido a partir de transistores individuales o tubos / válvulas)

IC (fabricado en un circuito integrado) - más común híbrido

Los amplificadores operacionales IC se pueden clasificar de muchas maneras, incluyendo:

Grado militar, industrial o comercial (por ejemplo: el LM301 es la versión de grado comercial del LM101, el LM201 es la versión industrial). Esto puede definir rangos de temperatura de operación y otros factores ambientales o de calidad.

La clasificación por tipo de paquete también puede afectar la resistencia del medio ambiente, así como las opciones de fabricación; DIP, y otros paquetes de orificio pasante tienden a ser reemplazados por dispositivos de montaje en superficie.

Clasificación por compensación interna: los amplificadores operacionales pueden sufrir inestabilidad de alta frecuencia en

algunos circuitos de retroalimentación negativa, a menos que un pequeño condensador de compensación modifique las respuestas de fase y frecuencia. Los amplificadores operacionales con un condensador incorporado se denominan " compensados ", y permiten que los circuitos por encima de alguna ganancia de bucle cerrado especificada funcionen de manera estable sin un condensador externo. En particular, los amplificadores operacionales que son estables incluso con una ganancia de bucle cerrado de 1 se denominan "ganancia de unidad compensada".

Están disponibles versiones únicas, dobles y cuádruples de muchos op-amp IC comerciales, lo que significa que 1, 2 o 4 amplificadores operacionales están incluidos en el mismo paquete.

Los amplificadores operacionales de entrada (y / o salida) de riel a riel pueden funcionar con señales de entrada (y / o salida) muy cerca de los rieles de la fuente de alimentación.

Los amplificadores operacionales CMOS (como el CA3140E) proporcionan resistencias de entrada extremadamente altas, superiores a JFET (amplificadores operacionales de entrada), que normalmente son más altos que los amplificadores operacionales de entrada bipolares.

otras variedades de amplificador operacional incluyen amplificadores operacionales programables (lo que significa que la corriente de reposo, el ancho de banda, etc. pueden ajustarse mediante una resistencia externa).

los fabricantes a menudo tabulan sus amplificadores operacionales según su propósito, como los preamplificadores de bajo ruido, amplificadores de ancho de banda amplio, etc.

Lazo abierto

La magnitud de la ganancia es, generalmente, muy grande, del orden de 100.000 veces o más y, por lo tanto, una pequeña diferencia entre las tensiones v+ y v- hace que la salida del amplificador sea de un valor cercano al de la tensión de alimentación, situación conocida como saturación del amplificador. La magnitud de la ganancia no es bien controlada por el proceso de fabricación, así que es impráctico usar un amplificador en lazo abierto como amplificador diferencial.

Si la entrada inversora es conectada a tierra (0 V) de manera directa o mediante una resistencia Rg y el voltaje de entrada Vin aplicado a la otra entrada es positivo, la salida será la de la máxima tensión positiva de alimentación; si Vin es negativo, la salida será el valor negativo de alimentación. Como no existe realimentación, desde la salida a la entrada, el amplificador operacional actúa como comparador.[4]

[pic 8]

Figura 2. Amplificador operacional en modo de lazo abierto.

Lazo cerrado

se usa la realimentación negativa aplicando una parte de la tensión de salida a la entrada inversora. La configuración de lazo cerrado reduce notablemente la ganancia del dispositivo, ya que ésta es determinada por la red de realimentación y no por las características del dispositivo. Si la red de realimentación es hecha con resistencias menores que la resistencia de entrada del amplificador operacional, el valor de la ganancia en lazo no afecta seriamente la operación del circuito. En el amplificador no inversor de la imagen, la red resistiva constituida por Rf y Rg determina la ganancia en lazo cerrado.[1]

...