Acondicionamiento Lineal usando amplificadores operacionales

OBJETIVOS (referencias sección 3.2, 3.3.1 y 3.3.2 del texto de G. Dieck)Describir las características más importantes del amplificador operacional como un dispositivo de procesamiento activo de señales análogas.Describir las aplicaciones más sencillas de los amplificadores operacionales en sistemas de acondicionamiento para instrumentación.Entender la operación de los circuitos convertidores de voltaje a corriente, y de corriente a voltaje.Entender el funcionamiento de los circuitos de balanceo y ganancia.Desarrollar las distintas configuraciones del amplificador de instrumentación básico.Desarrollar ejemplos sencillos para los amplificadores

de instrumentación.

El amplificador operacional ideal vs real

Ancho de banda del amp. operacional

Saturación, voltaje de desvío y ganancia

(a) En lazo abierto (b) En lazo cerrado

Rapidez de respuesta (“slew rate”)

Comparación de amplificadores operacionales

Parámetro Ideal Tipo Veloz Bajo Ruido 741 715 5534

=================================================================Ao (dB) 100 90 100Rsa () 0 75 75 0.3Ren () 2 Meg 1 Meg 0.1 MegIdes (nA) 0 20 250 300Vdes (mV) 0 2 10 5GBW (Hz) 1 Meg 65 Meg 10 MegSR (V/mseg) 0.7 100 13CMRR (dB) 90 90 90PSRR (V/V) 0 30 30 30PSRR(dB) {dB(V/V)} 90 90 90=================================================================

Configuraciones básicasTabla 3.2: Características de las configuraciones retroalimentadas

Amplificador no inversor Amplificador inversor

Rentrada 21

RGR

R Rmcen

F A RA

Rsalida RR G

R R

sa

A

F A

1

RR G

R R

sa

A

F A

1

Ancho

de Banda

GBW

R RF A1

GBW

R RF A1

Ganancia

de Voltaje 1RRF

A

R

RF

A Nomenclatura adicional: Rmc=Resistencia de entrada en modo común, GBW = Producto Ganancia Ancho de Banda, y G = Ganancia en Lazo Abierto

Acondicionamiento Lineal de Señales: Amplificador Inversor

V+ está conectada a tierra (V+=0). (V+) (V-)=0, la terminal inversora (negativa) esta al mismo

potencial que la no-inversora y se denomina: tierra virtual. La corriente I1 se encuentra usando la ley de Ohm. La

corriente I1 fluye solamente hacia R2. Esto es I1=I2. La resistencia presentada a Vi es R1. Entonces: (V-) = (V+) Vo = -(R2/R1) Vi

I1 Vi

R1

I2 Vo

R2

I1I2 Vo R2

R1

Vi

Acondicionamiento Lineal de Señales:Amplificador Sumador

Sumador Inversor (V+) esta conectado a tierra, o (V+)=0. Debido a que (V-) = (V+), la señal inversora tiene un

potencial de cero y se le denomina tierra virtual. Las corrientes I1, I2 e I3 se calculan usando la ley de

Ohm.

I1V1

R1

I2 V 2

R2

I3 Vo

R3

I3 I1 I2 Vo R3

R2V2

R3

R1V1

Acondicionamiento Lineal de SeñalesAmplificador No Inversor Ahora (V+) está conectada a Vi. (V+) = (V-) = Vi De nuevo, la corriente I1 se calcula usando la ley

de Ohm. I1 fluye a través de R2 e I1=I2. El circuito presenta una resistencia muy grande a

Vi

I1 ViR1

I2Vi Vo

R2

I1I2 Vo 1R2

R1

Vi

Acondicionamiento Lineal de SeñalesEl amplificador diferencial

(V+) se obtiene de la división de voltajes: (V+) = [R2/(R2 + R1)]V2

Las corrientes IA e IB se calculan usando la ley de Ohm.

IA = IB y (V+) = (V-) Vo se obtiene de una substitución sencilla.

IAV1

R2

R2 R1V2

R1

IB

R2

R2 R1V2 Vo

R2

IA IB VoR2

R1V2 V1

Acondicionamiento Lineal de Señales:Amplificador de Instrumentación Este amplificador es una herramienta poderosa para medir

señales análogas de bajo nivel que se originan en sensores

remotos y que se transmiten a través de un par de alambres.

Amplificador de Instrumentación Integrado

Usando 3 amplificadores operacionales

Acondicionamiento Lineal de Señales:Circuito Integrador

(V+) está conectado a tierra, (V+) = 0 Otra vez, (V-) = (V+) y la terminal inversora tiene un

potencial de cero. IR se calcula usando la ley de Ohm. IR fluye a través

de C. Esto es IR = Ic.

IR Vi

R

Ic CdVo

dt

IR Ic Vo 1

RCVi( )d

Convertidor de Voltaje a Corriente

Convertidor del tipo V-I (carga flotada) (V+) esta conectado a Vi. (V-) = (V+), de tal forma que la terminal inversora

tiene el mismo potencial que Vi. La corriente a través de R1 es IL. La corriente IL no

depende de la resistencia RL. Notar que la carga esta flotada.

Otro convertidor de Voltaje a Corriente

Convertidor V-I con carga aterrizada IL no depende de RL. Sólo depende de VIN y VREF. 1/R1 determina laconstante de proporcionalidad entre

V y I. Notar que la carga esta referenciada a tierra.

IL 1

R1VIN VREF

Convertidor de Corriente a Voltaje

Convertidor I-V inversor (V+) está conectado a tierra, o (V+) = 0 (V-) = (V+) = 0, La terminal inversora es tierra

virtual I fluye solamente a través de R. R determina la constante de proporcionalidad

entre la curriente y el voltaje.

Otro convertidor de corriente a voltaje

Convertidor I-V no inversor Si R1 >> Rs, IL fluye casi totalmente a través de Rs.

Acondicionamiento Lineal: Ejemplo

Usando Amp. Operacionales, diseñar el siguiente circuito aritmético:

Solución Usar un amplificador sumador con entradas Vi y 5 Volts,

ajustar la ganancia a 3.4 y 1, respectivamente.

Acondicionamiento Lineal de Señales:Ejemplo

Diseñar un circuito con Amp. Operacional que tenga una ganancia de 42 y que tenga una resistencia de entrada muy grande.

Solución Usar la configuración no inversora, ya que posee la

inherente característica de su resistencia de entrada grande.

Acondicionamiento Lineal de Señales: Ejemplo Diseñar un circuito basado en amplificadores

operacionales que convierta un rango de voltajes de 20 a 250 mV a un rango de 0 a 5 V.

Acondicionamiento Lineal de SeñalesEjemplo Diseñar un circuito basado en amplificadores operacionales

para convertirun rango de señales de [4 to 20 mA] a un

rango de voltaje de [0 to 10 V].

Solución.