Tecsup ecsup 201 2012-I 2-I
Ing. Baker Carpio
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL (OPAMP)
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Objetivos Identificar las características y aplicaciones de los circuitos integrados analógicos Comprender el principio de funcionamiento de los amplificadores operacionales. Reconocer las características de circuitos temporizadores.
“Los estudiantes aplican conocimientos de matemáticas, ciencia y tecnología en equipos de cómputo, redes y sistemas de telecomunicaciones.”
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Aplicación Industrial Comparadores de voltaje. Alarmas de nivel Alto y Bajo. Filtro de ruidos.
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1. Int Introd roducc ucción ión Un am ampl plif ific icad ador or op oper erac acio iona nall es un am ampl plif ific icad ador or mu mult ltie ieta tapa pa de alta ganancia que se trata como un solo conjunto, norm no rmal alme ment nte e los los am ampl plif ific icad ador ores es tien tienen en en entr trad ada a dife difere renc ncia iall y salida asimétrica. Es posible crear una amplia variedad de circ circui uito tos s mu muy y útil útiles es.. Para Para ap apli lica caci cion ones es de prop propós ósit ito o ge gene nera ral, l, es mucho más rápido y económico diseñar usando amplif amplifica icadore dores s ope operaci racional onales es que compone componente ntes s discre discretos tos..
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AMPLIFICADORES DIFERENCIALES Los amplificadores operacionales utilizan un amplificador diferencial como etapa de entrada. Este circuito normalmente se denomina amplificador diferencial o par diferencial.
Ic1
Ic2
V RE = V EE − 0 .7V IE1
IE2
IT
I T =
V EE − 0 . 7 V 5
RT
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2. Amplificadores Operacionales (OP-AMP)
El Op-Amp (operational amplifier) es un circuito integrado de bajo coste capaz de realizar multitud de funciones con pocos componentes discretos.
El opamp se comporta de forma lineal si:
Hay camino de circulación de corriente entre la salida y la entrada negativa
La tensión de salida no supera los limites de la tensión de alimentación. 6
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4.- Símbolo y terminales del circuito
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5.- Encapsulado y terminales
Mini Dip
Dip
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Características principales 1. Rechazo en modo común.- Les proporciona aptitud para reducir el zumbido y el ruido. 2. Impedancia de entrada elevada.- Cargan adecuadamente los generadores de señal de gran impedancia. 3. Gran Ganancia.- Tienen ganancia “sobrada” que puede reducirse mediante realimentación. 4. Impedancia de salida reducida.- Pueden entregar señal a una carga de baja impedancia.
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REALIMENTACIÓN NEGATIVA (I) R1
R2
Vi
Con Ad infinita
-
Vd
Vo +
V1
Vo
Vi
=−
R2 R1
V2
Amplificador de ganancia negativa
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REALIMENTACIÓN NEGATIVA (II) R1
R2
-
Vd +
V1
Vi V2
Vo
Vo Vi
= 1+
Amplificador de ganancia positiva ≥ 1
R2 R1
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Amplificador inversor: • El amplificador inversor amplifica e invierte una señal de corriente alterna. • En este caso la señal alterna de entrada sale amplificada en la salida, pero también desfasada 180° (invertida). • La anancia de tensi!n se obtiene con la f!rmula" • #$ % &''1 • *i $ent % 0.1 $ % 100 m$ + $sal % &10 $, entonces #$ % &10 0.1 % &100.
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Aplicaciones de los Amplificadores Operacionales Circuito inversor. Sumador. Conversor tensión--corriente. Amplificador diferencial. Diferenciador. Integrador. Resolución de ecuaciones diferenciales.
Comparadores.
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AMPLIFICADORES OPERACIONALES EN LAZO ABIERTO Cuando no se utiliza un camino o lazo de realimentación, la ganancia de tensión es máxima y se conoce como ganancia de tensión en lazo abierto
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Ejercicio 1 Para el circuito mostrado calcular la señal de salida si A0= 2x105
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Ejercicio2 Para el circuito mostrado calcular y graficar la señal Vo. La hoja de características indica un recorrido máximo de salida es de solo ± 13.5V, cuando la alimentación es de ±15V, A0= 2x105
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REALIMENTACION NEGATIVA Para que un opamp pueda ser operado como un amplificador lineal, se debe reducir considerablemente la amplificación al vació Ao, esto se consigue con el amplificador inversor por medio de la realimentación de una tensión parcial desde la salida hacia la entrada inversora
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Amplificador Inversor (I)
Av =
V o V i
=−
R2 R1
V cc ≥ Av ⋅ V i 18
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Amplificador Inversor (II)
Av =
V o V i
=−
R2 R1
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CUADRO RESUMEN DE LAS CARACTERISTICAS DEL AMPLIFICADOR INVERSOR
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Ejercicio3 Para el circuito mostrado R1= 100KΩ y R2=500KΩ,calcular el voltaje de salida para una entrada de 2V
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Ejercicio4 Cual es el voltaje de salida en el circuito de la figura mostrada
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Ejercicio7 Para el siguiente opamp calcular: a)Voltaje Vo. b) RL para una corriente de 2mA
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Ejercicio8 Para el amplificador operacional de la figura calcular: a)Voltaje Vo b)La corriente en la resistencia de 10KΩ
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CARACTERISTICAS EL AMPLIFICADOR NO INVERSOR
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AMPLIFICADOR SUMADOR Un amplificador sumador es un circuito del amplificador operacional que combina varias entradas y produce una salida que es la suma ponderada de las entradas.
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Ejercicio4 Calcule Vo en el circuito del amplificador operacional de la figura.
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Ejercicio 5 Tres señales de audio ingresan a un mezclador ¿Cuál es la tensión alterna de salida del mezclador?
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Ejercicio 6 Calcular el valor de la tensión de salida para el circuito en base a opamp mostrado?
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Ejercicio7 Calcular el valor de la tensión de salida y la corriente en la carga para el circuito en base a opamp mostrado?
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AMPLIFICADOR SUMADOR NO INVERSOR
Si R1=R2=R3
n= # de canales 31
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Ejercicio8 Un sumador no inversor se utiliza para combinar tres señales V1=+1V, V2= -0.2V, y V3 que es una señal senoidal de 100Hz y 2V de pico, determinar la tensión de salida si R1=R2=R3=Rf = 20KΩ y Ri= 5KΩ.
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AMPLIFICADOR DIFERENCIAL: RESTADOR Un amplificador diferencial es un dispositivo que amplifica la diferencia entre dos entradas pero rechaza cualesquiera de las señales comunes a las dos entradas V1
R1
Aplicando superposición:
R2
R 4 R + R ⋅ 1 + 4 3
Vo = V2 ⋅
V2
R3
V+ +
Vo
R 2
− V1 ⋅ R 1
R2 R1
Si hacemos R1=R3 y R2=R4
R4 Vo =
R2 R1
(
⋅ V2 − V1
)
La tensión de salida es proporcional a la diferencia de las 33 tensiones de entrada
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Ejercicio9 Para la siguiente figura en base a opamp calcular el voltaje de salida.
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TIMER 555
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INTRODUCCION El proceso de funcionamiento de los multivibradores, ya sean estables o monoestables, consiste, básicamente, en la carga y/o descarga de un condensador desde que se inicia la carga hasta que en el condensador hay un nivel lógico considerado como nivel lógico 1, transcurre un tiempo; y desde que se inicia la descarga, hasta que en el condensador hay un nivel de tensión considerado como un nivel lógico 0, también transcurre el tiempo. El tiempo que transcurre en estos procesos es función del valor mayor de resistencia y/o condensador. 36
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Oscilador Es un circuito capaz de convertir la corriente continua en una corriente que varía de forma periódica en el tiempo (corriente periódica). Estas oscilaciones pueden ser senoidales, cuadradas, triangulares, etc.,dependiendo de la forma que tenga la onda producida.
“A un oscilador de onda cuadrada se le denomina multivibrador ”.
Multivibrador Es un circuito
oscilador capaz de generar una onda cuadrada
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Temporizador. Es un sistema que retrasa la aparición o desaparición de una señal, según sea un temporizador a la conexión o a la desconexión.
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Multivibrador monoestable. Recibe un impulso en la entrada, genera un impulso eléctrico de una duración fija en la salida.
1KΩ -1MΩ si 5KΩ y 1MΩ. si
Vcc >= 3V Vcc < 3V
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Circuitos Osciladores: Reloj •Los relojes son circuitos osciladores que generan una señal cuadrada y que son usados como patrón de funcionamiento de los circuitos secuenciales. •Los relojes son circuitos que cambian el estado de sus salidas permanentemente entre dos estados lógicos (1 lógico y 0 lógico).
•Existen varios osciladores que se pueden construir para generar señales de reloj, mediante el uso resistencias, condensadores, inversores y compuertas.
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Multivibrador Biestable Llamado báscula (flip-flop ), es un multivibrador capaz de permanecer en un estado determinado o en el contrario durante un tiempo indefinido. Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica digital para memorizar información. El paso de un estado a otro se realiza variando sus entradas.
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Multivibrador estable. Genera una señal cuadrada, pasando de 0 a 1 y de 1 a 0 constantemente, cargando y descargando un condensador consecutivamente y de forma cíclica.
n :numero de puertas Tp: tiempo de propagación. 42
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Astable •Genera ondas a partir de la propia fuente de alimentación.
no tiene ningún
estado estable, lo que significa que posee dos estados "quasi-estables" entre los que conmuta, permaneciendo en cada uno de ellos un tiempo determinado. •La frecuencia de conmutación depende de la carga y descarga de los condensadores.
Aplicaciones -Generación de ondas periódicas (reloj) -Trenes de impulsos.
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CI LM555
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DISPOSICIÓN INTERNA DEL CIRCUITO INTEGRADO 555
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Circuito integrador 555 Permite múltiples aplicaciones: multivibrador estable, multivibrador monoestable, modulador de anchura de impulsos, generador de rampa, etc.Es un dispositivo TTL. La frecuencia de oscilación de la señal de salida depende de los valores de las resistencias Ra, Rb y C.
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DESCRIPCIÓN DE TERMALES DEL CI555 • GND (1) y +VCC (8). Son los terminales de alimentación a este circuito se le puede alimentar con una tensión comprendida entre 4,5 y 18 V dependiendo del modelo. • DISPARO (2). Se utiliza para provocar el disparo cuando esta montado como monoestable, cuando la tensión en este Terminal baja por debajo de ½ de la tensión en la patilla 5(2/3 de VCC si no se ha modificado la tensión en la patilla 5), se activa la señal de la entrada S de la bascula interna, y por tanto hace que en la salida haya un 1 (si las entradas 6 UMBRAL y 4 RESET no están activas). • SALIDA (3). Es el Terminal de salida.
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• RESET (4). Terminal de reset. Hace que en la salida haya un nivel 0 al aplicarle una señal activa (1). En los circuitos integrados fabricados con tecnología bipolar puede estar sin conectar, ya que en un circuito TTL una entrada al aire es como si se aplicase un 1 . si es de tecnología
CMOS, ha de estar conectado a un nivel, ya que una entrada al aire actúa como si estuviera conectada a un oscilador. • TENSION DE CONTROL (5). Controla la tensión a la que la patilla 6 (UMBRAL) y la patilla 2 (DISPARO), activan la bascula R-S interna. Normalmente
los
valores son
2/3
de
VCC
y 1/3
de
VCC,
respectivamente.
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UMBRAL (6). Cuando la tensión en este Terminal supera la tensión que hay en el Terminal 5(2/3 de VCC si no se ha modificado la tensión en la plantilla 5), activa la señal R de la bascula interna, y por tanto hace que en la salida haya un 0(si las entradas 2DISPARO y 4 RESET no están activas). • DESCARGA (7). Es una salida de colector abierto y tiene el mismo nivel que en la plantilla 3. se utiliza normalmente para descargar el condensador, y de ahí su nombre.
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Entre las características más importantes están las siguientes: • Frecuencia de funcionamiento máxima como estable de 500kHz. • Vcc entre los 4,5 y los 16V. • Compatible con circuitos TTL y CMOS. • Intensidad de salida máxima 200 mA. • Pueden construirse temporizadores desde unos µs hasta horas. •En el modo astable entrega un tren continuo de pulsos. •En el modo monoestable suministra un pulso de determinada duración. •En el modo monoestable la duración del ancho de pulso es controlado por voltaje externo aplicado al pin 5. 50
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CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS •Mínimo voltaje de alimentación
4.5V
• Máximo voltaje de alimentación
18V.
• Máxima disipación de potencia
760mW.
• Consumo de corriente (sin carga y Vcc=5V)
3 – 5mA.
• Máximo voltaje de salida en bajo (con Vcc=5V)
0.25V
• Máximo voltaje de salida en alto (con Vcc=5V)
3V
•Máxima corriente de salida
200 mA.
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CIRCUITO ASTABLE BÁSICO
TC= 0.693(R1+R2)C1 TD= 0.693R2C1 T= TC+TD
D= TC/TD X100
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TA = 0.693 * (R1+R2) * C1
f = 1/(0.693 * C1 * (R1 + 2 * R2))
TB = 0.693 * (R2*C1)
T = 0.693 * C1 * (R1 + 2 * R2) Ciclo de trabajo=TA/T
(%)
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EJERCICIO
Calcular la frecuencia de oscilación y el ciclo de trabajo de la salida de un multivibrador astable 555 para los siguientes valores: C=0.001µF, RA=2.2KΩ y RB=100K Ω
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CIRCUITO MONOESTABLE
T= 1.1 RC 56
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EJERCICIO
Calcular el pulso de salida de un multivibrador monoestable 555 para los siguientes valores: C=0.001µF y RA=2.2KΩ.
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