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Parámetros Reales de un Amplificador Operacional. Burgos Calvache, Juan José, 20131007022 [email protected]

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Bogotá D.C. 2015 Abstract-Se describen el Amplificador Operacional real, el cual tiene ganancia finita, y depende de la frecuencia. Este amplificador no tiene balance perfecto, presenta un error en corriente continua, el cual se llama offset. Las resistencias de entrada y salida del dispositivo tienen valores finitos. Cada Amplificador Operacional es identificado mediante un código que especifica su encapsulado y tipo.

A continuación se hablará un poco acerca de ésta características reales de trabajo del amplificador operacional.

Palabras Clave- Amplificador operacional, modelo ideal, significancia, sistema real

I. INTRODUCCIÓN. Para trabajar con Amplificadores Operacionales reales se tienen en cuenta varios aspectos, ya que siendo el modelo ideal muy similar al modelo real, este no se comporta exactamente igual. Se debe conocer esta diferencia, pues de ello depende el comportamiento final de un circuito diseñado como un Amplificador Operacional.

II. SISTEMA REAL. Esta parte se puede entender como cualquier sistema físico que modele o realice una función con elementos reales y funcionales, es decir, se refiere a todos los elementos electrónicos de estado sólido (encapsulados) energizados, que realizan una función análoga, digital o de cualquier tipo que puede cambiar el estado de una variable física.

Figura 1. Amplificador Operacional Circuito Interno

a) Ganancia en lazo abierto. Esta ganancia es aquella que tiene el amplificador operacional cuando no existe ningún camino de realimentación entre la salida y alguna de las dos entradas. La ganancia del amplificador en lazo abierto está dada por la siguiente fórmula:

∆V=

V out V¿

Parámetro Valor Ideal Valor Real Zi ∞ 10 TΩ Zo 0 100 Ohm Bw ∞ 1 MHz Av ∞ 100.000 Tabla 1.Características ideales y reales. Figura 2. Circuito en lazo abierto con un amplificador operacional.

Dónde: AV = ganancia de tensión Vsal = tensión de salida Vent = tensión de entrada En un amplificador operacional ideal, esta ganancia sería infinita; pero como el operacional es real, su ganancia está entre 20,000 y 200,000. Este tipo de configuración se utiliza en comparadores, en donde lo que se desea es saber cuál de las dos entradas tiene mayor tensión.

b) Errores de desplazamiento (Offset) de tensión y corriente. El AO real tiene un desajuste, debido a que los transistores que lo componen varían el uno del otro, especialmente los transistores del amplificador diferencial de entrada (Q1y Q2), que no son exactamente pareados. Esto implica que pueden producirse desajustes en los valores de b de los transistores, lo cual trae como consecuencia variaciones en los valores de las corrientes de entrada ya que los flujos de corrientes son distintos en los terminales de entrada, también aparecen diferencias en las tensiones base emisor de los transistores del par diferencial. También una variación en las resistencias de colector, producirá un desequilibrio. El resultado final es un desajuste entre los colectores de los amplificadores diferenciales, lo que se transforma en un voltaje vo de salida distinto de cero. El desbalance producido se conoce como voltaje offset o voltaje de desplazamiento. Para solucionar este problema, se requiere de la aplicación de un voltaje de compensación entre los terminales de entrada, para balancear la salida del amplificador. A parte de los desajustes propios de construcción de los AO, existen otros tales como los producidos por variaciones de temperatura y cambios en las tensiones de alimentación.

c) Tensión de desplazamiento (Offset) en la entrada (Vio) Como en el AO real la salida es distinta de cero, si ambas entradas son iguales, existe una pequeña tensión de desplazamiento. Esta tensión de desplazamiento en la entrada se puede definir como la tensión de entrada necesaria para que la salida sea igual a cero, llamada Vio. Este valor es distinto de cero, el AO amplificará cualquier desplazamiento en la entrada, provocando un error grande en corriente continua en la salida. Este parámetro es independiente de la ganancia del AO, y su polaridad puede ser positiva o negativa. El efecto del voltaje Vio, se modela como una fuente de tensión continua en una de las entradas del AO ideal.

Figura 3. Modelo Voltaje Offset

d) Corriente de desplazamiento (Offset) de entrada (Iio). Este parámetro describe polarización de entrada de como la diferencia de polarización de entrada que balancear el AO.

las corrientes de un AO. Se define las corrientes de debe aplicarse para

I io = IB+ - IB Obviamente esto indica que ambas corrientes de polarización son distintas.

Figura 4. Modelo Corriente Offset

e) Parámetros Relacionados En frecuencia. El AO real no tiene ancho de banda (BW) infinito. En los AO reales, el ancho de banda comienza en la frecuencia cero y llega hasta la frecuencia de corte superior fc (frecuencia a la cual la ganancia disminuye en 3dB), esta depende del tipo de AO y de la ganancia de lazo cerrado.

igura 6. Grafica de Ganancia en función de frecuencia.

F

g) Tiempo de estabilización El tiempo de estabilización (settling time) de un amplificador es el tiempo requerido para que la salida permanezca dentro de una banda de error especificada de su valor final, después que una entrada escalón es aplicada a su entrada. El tiempo de estabilización está limitado por el ancho de banda del amplificador en lazo cerrado.

Fi gura 5. Curva de Lazo Abierto

f) Ganancia Por Ancho de Banda (BW). El producto ancho de banda-ganancia, el cual se define como el producto de la ganancia de lazo cerrado por la banda de frecuencias, sobre el cual la ganancia se mantiene aproximadamente constante. El mismo se determina sobre la curva de ganancia de lazo abierto vs frecuencia del amplificador operacional. La frecuencia de esquina del amplificador realimentado se obtiene interceptando el valor de ganancia de lazo cerrado con la recta de pendiente negativa en la curva de lazo abierto del amplificador operacional como se muestra en la figura 6.

Fig ura 7. Grafica de Voltaje en función de tiempo.

h) Rapidez de Respuesta. Entre un amplificador operacional real y el ideal, es la máxima velocidad posible de cambio de la señal de salida del amplificador. Existen ocasiones en las cuales a pesar de que la frecuencia de la señal se encuentre dentro del rango permitido, ésta posea saltos muy rápidos cuya respuesta también deba ser muy rápida y no siempre esa respuesta es tan rápida como se desearía.

Por ello, la máxima velocidad posible de cambio en una señal, a la que se denomina SLEW-RATE, se mide en unidades SR (V/micro-segundo) siendo del orden de 1 V/micro-s en amplificadores normales (para el 741 vale 0,5 V/ micro-s). Para amplificadores rápidos alcanza los 3000 ó 4000 V/ micro-s. El slew-rate se puede relacionar para una señal senoidal, con f M, si llamamos fM al ancho de banda a plena potencia, es decir, la máxima frecuencia a la cual una señal senoidal con amplitud máxima comienza a distorsionar. Si v = V sen (ωt) su velocidad de cambio se obtendrá derivando esta expresión respecto al tiempo; la condición de máximo ocurrirá cuando el coseno sea 1 y además ω sea la máxima ecuación que nos da la frecuencia máxima a la cual la señal, a plena potencia, empieza a distorsionar.

i) Sobrecarga/ Overshoot. Los AO comerciales se especifican generalmente para una tensión total de operación de 36 Volts (±18 V). Estos límites de tensión NO deben ser sobrepasados ni siquiera durante breves instantes. En el caso de que exista la probabilidad de ocurrencia, se deberá utilizar un voltaje de bloqueo mediante un diodo zener en los terminales de alimentación, ya que el diodo zener impide que se sobrepase un límite de tensión establecido por la polarización del mismo.

gura 8. Montaje Sobre Tensión.

Fi

III. CONCLUSIONES.



Amplificador operacional de propósito general. Su finalidad es acondicionar o procesar señales. Las cargas que deben soportar son de alta impedancia, y la intensidad y los rangos de tensión que debe proporcionar son bajas. Son los estudiados en este tema.



Amplificador operacional de potencia. Su objeto es transferir potencia a cargas de baja impedancia y deben tener capacidad de proporcionar en su salida intensidades y rangos de tensiones altos. Serán estudiados dentro de los circuitos de potencia en el capítulo V.



Amplificador operacional para conmutación (Comparador). Su objeto es comparar señales y generar en su salida señales que serán interpretadas como señales digitales binarias.

REFERENCIAS. [1] Jung, W.(1977) Amplificadores Operacionales Integrados, Paraninfo [2] Savat, C., Roden, M (1992). Diseño Electronico. Addison-Wesley [3] Sedra, A., Smith, K. (1998). Microelectronic Circuit. Oxford Press [4] Rutkowski, G. (1993). Operational Amplificers. Integrated and Hybrid Circuits. Wiley...