Amplificador para fotodiodo, convertidor corriente a tensión

Un amplificador de alta eficiencia para un fotodiodo es muchas veces indispensable. Si se toma en cuenta que la corriente que entrega el fotodiodo es muy pequeña, poder amplificar la señal que este recibe es de gran utilidad.

Aunque se pueden utilizar un gran número de amplificadores operacionales diferentes para realizar esta amplificación, se utiliza en este caso un LM308, debido a que tiene una excelente ganancia, es más inmune al ruido que otros operacionales y su respuesta de frecuencia es mejor (Hay que tomar en cuenta que la ganancia de un amplificador operacional disminuye al aumentar la frecuencia).

Este circuito está diseñado para recibir pulsos de luz. Si se desea que este amplificador se utilice como detector de luz hay que retirar el condensador C1 y el fotodiodo debe de conectarse directamente a la entrada no inversora (símbolo negativo- ) del amplificador operacional (patita 2).

Este circuito es muy sensible y funciona muy bien como receptor de de señales de luz.

El amplificador esta configurado como un amplificador inversor. Esto significa que la forma de onda de la salida es opuesta a la de la entrada (está desfasada 180°). La ganancia del amplificador se puede controlar con ayuda del potenciómetro R2.

Otra manera de observar este circuito es como convertidor de corriente(corriente del fotodiodo) a tensión (salida del amplificador operacional). El voltaje de salida es el producto de la corriente del fotodiodo por la resistencia R1.

El capacitor C2 se utiliza en el LM308 para mejorar su respuesta de frecuencia.

Este circuito puede funcionar también con el amplificador operacional 741C (más barato), pero la ganancia y la respuesta de frecuencia es menor. En este caso el capacitor C2 no es necesario

El voltaje de alimentación puede estar entre los 6 y 15 Voltios.

Mario Dominguez Zambrano

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Amplificador con retroalimentación

"Amplificador con realimentación" (CFB-current feedback) es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia):

El amplificador con realimentación es una alternativa a los amplificadores con realimentación en voltaje, también llamados operacionales.

El amplificador con realimentación es una alternativa a los amplificadores con realimentación en voltaje, también llamados operacionales.

Teoría de realimentación negativa

Definición

Estrategia general de diseño de sistemas, según la cual una magnitud proporcional a la salida del sistema se resta a la entrada de referencia.

Ventajas de la RN

 Reduce la sensibilidad del sistema a variaciones de parámetros.

 Aumenta el ancho de banda.

 Reduce la distorsión no lineal.

 Mejora las impedancias de entrada y de salida

Configuración del amplificador realimentado

En el caso de amplificadores de voltaje la realimentación debe aumentar Rin y disminuir Rout, para que toda la tensión que proviene de la señal de entrada caiga sobre el amplificador y para que toda la tensión de la señal de salida caiga sobre la carga que se coloque. En los amplificadores de transresistencia la realimentación debe disminuir la Rin y disminuir Ro, para que toda la corriente de la señal de entrada pase por el amplificador y para que toda la tensión de salida del amplificador caiga sobre la carga colocada. En el caso de amplificadores de corriente la realimentación deberá disminuir Rin y aumentar Rout, para que toda la corriente de la señal de entrada pase por el amplificador y para que toda la corriente de salida pase por la carga colocada. Y por último en los amplificadores de transconductancia la realimentación deberá aumentar Ri y aumentar Ro, para que toda la tensión de la señal de entrada caiga sobre el amplificador y para que toda la corriente de salida pase por la carga colocada.

La Realimentación aumenta o disminuye Rin y Rout de forma que los amplificadores se parezcan más al caso ideal.

Tipos de realimentación

La Realimentación en Tensión se opone a cualquier variación de la señal de entrada que intente cambiar la tensión de salida a reduce la Rout (adecuada para los amplificadores de tensión y transresistencia)

La Realimentación en Corriente se opone a los cambios de corriente, haciendo que la salida sea una fuente de corriente cte a aumenta la Rout (adecuada para los amplificadores de corriente y transconductancia)

La Realimentación en Serie. Se conecta en serie el circuito del amplificador con el de realimentación. Esto incrementa la resistencia de entrada (adecuada para amp. de tensión y transconductancia).

La Realimentación en Paralelo. Se conectan en paralelo el circuito amplificador y el de realimentación. Esto disminuye la resistencia de entrada (adecuada para amp. de corriente y transrresistencia).

Realimentación de tensión en serie para amplificador de tensión.

Realimentación de corriente en paralelo para amplificador de corriente.

Ventajas

La principal ventaja del desarrollo usando amplificadores con realimentación en corriente es la altísima velocidad que proporcionan. En consecuencia, se ha comprobado que aumentar la velocidad tiene como ventaja una mejora del sonido. Así mismo, la velocidad influye en la rapidez en la que se podrán corregir los fallos que ellos mismos producen.

Los amplificadores realimentados en corriente (CFA) es un tipo de amplificador electrónico cuya entrada negativa es sensible a lacorriente, a diferencia de los amplificadores normales que lo son a la tensión (VFA).

El CFA fue inventado sobre 1988. Normalmente son producidos como circuitos integrados con la misma asignación de pines que los VFA, permitiendo así que los dos tipos puedan ser fácilmente intercambiables. En configuraciones simples, tales como amplificadores lineales, un CFA puede ser usado en lugar de un VFA sin modificar el circuito, pero en otros casos, como en los integradores se necesita un rediseño. La configuración clásica del amplificador con cuatro resistencias también funciona con un CFA, pero el CMRR es muy pobre.

Mario Dominguez Zambrano

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Familia de amplificadores operacionales LM124, LM224, LM324

Los circuitos integrados de esta familia de amplificador contienen cuatro amplificadores operacionales independientes en el mismo encapsulado. Alta ganancia, compensación interna y el amplio rango de fuentes de alimentación son sus características principales. Su bajo consumo permite usarlos en equipos con alimentación a batería. A diferencia de otros amplificadores operacionales que necesitan fuentes de alimentación de ±15V, estos amplificadores puede operar con fuentes simples de tensión de tan solo 5v.

Características principales

 Alta ganancia en bajas frecuencias: 100.000 veces

 Ancho de banda de 1Mhz compensado térmicamente

 Amplio rango de tensiones de alimentación: 3v - 32v, o ±1.5V - ±16V

 Bajo consumo, solo 700 uA

 Rango tensiones de entrada es igual a la tensión de alimentación

 Tensión de salida mínima: 0v

 Tensión de salida máxima: tensión de alimentación positiva menos 5v

Temperatura de operación

 LM124 -55°C a +125°C

 LM224 -25°C a +85°C

 LM324 0°C a +70°C

Ilustración de un encapsulado DIP14 del amplificadoroperacional LM124

Distribución de las patillas del amplificador

Mario Dominguez Zambrano

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Disparador Schmitt

Efecto del uso del trigger Schmitt (B) en vez de un comparador (A)

En electrónica un trigger Schmitt o disparador de Schmitt es un tipo especial de circuito comparador. Fue inventado por el estadounidense Otto Herbert Schmitt.

Funcionamiento

Un trigger Schmitt cambia su estado de salida cuando la tensión en su entrada sobrepasa un determinado nivel; la salida no vuelve a cambiar cuando la entrada baja de ese voltaje, sino que el nivel de tensión para el cambio es otro distinto, más bajo que el primero. A este efecto se conoce como ciclo de histéresis. Ésta es la principal diferencia con un comparador normal, que es un simple amplificador operacional sin realimentación, y que su salida depende únicamente de la entrada mayor.

El trigger Schmitt usa la histéresis para prevenir el ruido que podría solaparse a la señal original y que causaría falsos cambios de estado si los niveles de referencia y entrada son parecidos.

Para su implementación se suele utilizar un amplificador operacional realimentado positivamente. Los niveles de referencia pueden ser controlados ajustando las resistencias R1 y R2:

Por ejemplo, si el trigger inicialmente está activado, la salida estará en estado alto a una tensión Vout = +Vs, y las dos resistencias formarán un divisor de tensión entre la salida y la entrada. La tensión entre las dos resistencias (entrada +) será V+, que es comparada con la tensión en la entrada −, que supondremos 0V (en este caso, al no haber realimentación negativa en el operacional, la tensión entre las dos entradas no tiene porque ser igual). Para producir una transición a la salida, V+ debe descender y llegar, al menos, a 0V. En este caso la tensión de entrada es
Llegado este punto la tensión a la salida cambia a Vout=−Vs. Por un razonamiento equivalente podemos llegar a la condición para pasar de −Vs a +Vs:

Con esto se hace que el circuito cree una banda centrada en cero, con niveles de disparo ±(R1/R2)VS. La señal de entrada debe salir de esa banda para conseguir cambiar la tensión de salida.

Si R1 es cero o R2 es infinito (un circuito abierto), la banda tendrá una anchura de cero y el circuito funcionará como un comparador normal.

Para indicar que una puerta lógica es del tipo trigger Schmitt se pone en el interior de la misma el símbolo de la histéresis:

Mario Dominguez Zambrano

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Amplificador electrónico

Amplificador electrónico puede significar tanto un tipo de circuito electrónico o etapa de este, como un equipo modular que realiza la misma función; y que normalmente forma parte de los equipos HIFI. Su función es incrementar la intensidad de corriente, la tensión o la potencia de la señal que se le aplica a su entrada; obteniéndose la señal aumentada a la salida. Para amplificar la potencia es necesario obtener la energía de una fuente de alimentación externa. En este sentido, se puede considerar al amplificador como un modulador de la salida de la fuente de alimentación

Circuito amplificador HIFI Clase D, de 200W RMS sobre altavoz de 4 Ohm.

CARACTERÍSTICAS

El amplificador puede realizar su función de manera pasiva, variando la relación entre la corriente y el voltaje manteniendo constante la potencia (de manera similar a un transformador), o de forma activa, tomando potencia de una fuente de alimentación y aumentando la potencia de la señal a su salida del amplificador, habitualmente manteniendo la forma de la señal, pero dotándola de mayor amplitud.

La relación entre la entrada y la salida del amplificador puede expresarse en función de la frecuencia de la señal de entrada, lo cual se denomina función de transferencia, que indica la ganancia del mismo para cada frecuencia. Es habitual mantener a un amplificador trabajando dentro de un determinado rango de frecuencias en el que se comporta de forma lineal, lo cual implica que su ganancia es constante para cualquier amplitud a su entrada.

El componente principal de estos amplificadores, denominado elemento activo, puede ser un tubo de vacío o un transistor. Las válvulas de vacio suelen usarse aún en algunos amplificadores diseñados específicamente para audio por la respuesta en frecuencia de estos, preferida en algunos estilos musicales. Los transistores suponen la base de la electrónica moderna. Con ellos se diseñan circuitos más complejos, como los amplificadores operacionales, que a su vez se usan en otros como los amplificadores de instrumentación.

Clases de amplificador

Clase A

Son amplificadores que consumen corrientes contínuas altas de su fuente de alimentación, independientemente de la existencia de señal en la entrada. Esta amplificación presenta el inconveniente de generar una fuerte y constante cantidad de calor, que ha de ser disipada. Esto provoca un rendimiento muy reducido, al perderse una parte importante de la energía que entra en él. Es frecuente en circuitos de audio y en equipos domésticos de gama alta, ya que proporcionan gran calidad de sonido, al ser muy lineal, con poca distorsión.

Tiene una corriente de polarización mayor que la máxima corriente de salida que pueden entregar. Los amplificadores de clase A a menudo consisten en un transistor de salida conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación y un transistor de corriente constante conectado de la salida al negativo de la fuente de alimentación. Cuando no hay señal de entrada la corriente de polarización constante fluye directamente del positivo al negativo de la fuente de alimentación al negativo, consumiéndose potencia sin resultar útil.

Clase B

Clase B.

Los amplificadores de clase B se caracterizan por tener intensidad casi nula a través de sus transistores cuando no hay señal en la entrada del circuito. Ésta es la que polariza los transistores para que entren en zona de conducción, por lo que el consumo es menor que en la clase A, aunque la calidad es algo menor debido a la forma en que se transmite la onda. Se usa en sistemas telefónicos, transmisores de seguridad portátiles, y sistemas de aviso, aunque no en audio.

Los amplificadores de clase B tienen etapas de salida con corriente de polarización nula. Tienen una distorsión notable con señales pequeñas, denominada distorsión de filtro, porque sucede en el punto que la etapa de salida se cruza entre la fuente y la corriente de amortiguación.

Clase C

Los amplificadores de clase C son similares a los de clase B en que la etapa de salida tiene corriente de polarización cero. Sin embargo, tienen una región de corriente libre cero que es más del 50% del suministro total de voltaje. Las desventajas de los amplificadores de clase B son más evidentes en los amplificadores de clase C. Este tipo de amplificador no se usa en audio.

Clase AB

Los amplificadores de clase AB reciben una pequeña alimentación constante en su entrada, independiente de la existencia de señal. Es la clase más común en audio, al tener alto rendimiento y calidad. Estos amplificadores reciben su nombre porque con señales grandes se comportan como un clase B, pero con señales pequeñas se comportan como un clase A.

Tienen dos transistores de salida, como los de clase B, pero a diferencia de estos, tienen una pequeña corriente libre fluyendo entre los terminales de la fuente de alimentación, que sin embargo no es tan elevada como en los de clase A. Esta corriente libre corrige casi todas las no linealidades asociadas con la distorsión de los filtros.

Clase D

Los amplificadores de clase D tienen un elevado rendimiento energético, superior en algunos casos al 95%, lo que reduce el tamaño de los disipadores de calor necesarios, y por tanto el tamaño y peso general del circuito.

Aunque con anterioridad se limitaban a dispositivos portátiles o subwoofers, en los que la distorsión o el ancho de banda no son factores determinantes, con tecnología más moderna existen amplificadores de clase D para toda la banda de frecuencias, con niveles de distorsión similares a los de clase AB.

Los amplificadores de clase D se basan en la conmutación entre dos estados, con lo que los dispositivos de salida siempre se encuentran en zonas de corte o de saturación, casos en los que la potencia disipada en los mismos es prácticamente nula, salvo en los estados de transición, cuya duración debe ser minimizada a fin de maximizar el rendimiento.

Esta señal conmutada puede ser generada de diversas formas, aunque la más común es la modulación por ancho de pulso. Ésta debe ser filtrada posteriormente para recuperar la información de la señal, para lo que la frecuencia de conmutación debe ser superior al ancho de banda de la señal al menos 10 veces.

Los amplificadores de clase D requieren un minucioso diseño para minimizar la radiación electromagnética que emiten, y evitar así que interfieran en equipos cercanos, típicamente en la banda de FM.

Otras clases

Las clases E, G y H no están estandarizadas como las A y B. Se trata de variaciones de los circuitos clásicos, que dependen de la variación de la tensión de alimentación para minimizar la disipación de energía en los transistores de potencia en cada momento, dependiendo de la señal de entrada.

Mario Dominguez Zambrano

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Conversores analógico-digitales

1. Introducción

Entre las señales válidas para los sistemas digitales y las señales analógicas que son las que habitualmente encontramos en la naturaleza es necesario realizar una conversión que permita comunicar los sistemas digitales con el exterior.

Esta comunicación se efectuar a en dos direcciones:

1. desde el sistema digital hacia el exterior, efectuando una conversión digital/analógica (D/A).

2. desde el exterior hacia el sistema digital, efectuando una conversión analógica/digital (A/D).

Existen una gran cantidad de conversores implementados mediante una combinación

de componentes electrónicos analógicos y digitales. La elección entre uno u otro diseño dependerá de las prestaciones que se requieran para cada aplicación.

2. Conversión digital/analógica (D/A) con ponderación binaria

Vamos a montar un sencillo sistema de conversión digital/analógica, en el que convertiremos la señal generada mediante un sistema digital para obtener una señal analógica a la salida del circuito. Nuestro sistema digital va a ser un contador integrado 74LS93A, circuito muy versátil, que permite, modificando las conexiones externas, configurarlo para efectuar una cuenta que podemos truncar en cualquier punto de la secuencia.

Utilizaremos, para construir las señales digitales que queremos convertir, las configuraciones del 74LS93A que se muestran en la figura 1 (analizar razonadamente, mediante el esquema de bloques del integrado que se anexa, como se genera cada secuencia):

Figura 1: Configuración de un contador modulo 16, 10 y 5 respectivamente

Las señales obtenidas Q0, Q1, Q2 y Q3 serán las señales digitales, cuyo valor (4 bits) vamos a convertir en una señal analógica. El valor de la señal digital es una simple cuenta que va desde cero hasta el modulo dado por la configuración respectiva, y por tanto su conversión analógica será una rampa lineal hasta dicho valor. Uno de los conversores D/A más simple es el de ponderación binaria, que se construye mediante una red de resistencias en el que los valores de las resistencias son inversamente proporcionales a los pesos binarios de cada bit digital de la señal de entrada al conversor. Mediante un amplificador operacional, convertimos la intensidad de corriente que circula por cada rama del circuito (y que será proporcional al peso del bit correspondiente), en una señal de voltaje analógica cuyo valor corresponderá al valor binario dado por los cuatro bits de la señal digital. Montar el siguiente circuito para el conversor D/A utilizaremos las resistencias dadas (cuyo valor nominal estándar diere ligeramente del idóneo indicado en el esquema), y el amplificador operacional del integrado LM741. Para alimentar el amplificador operacional es necesario conectar la alimentación del integrado a 􀀀12 V /+12 V , para lo que utilizaremos las dos fuentes de tensión interconectadas como indica la figura, creando un nodo intermedio a tierra, que será la referencia de tierra para todos el circuito. La alimentación de los otros circuitos integrados se realiza entre 0 y 5 V, utilizando la alimentación TTL de la fuente de tensión. Antes de conectar los integrados, comprobar la polaridad de las alimentaciones con el milímetro.

Las señales de entrada Q0, Q1, Q2 y Q3 del conversor, son las que obtenemos a la salida del contador 74LS93A y que debemos conectar respetando el peso de cada bit.

Una vez montado el circuito, efectuar las siguientes medidas:

1. Comprobar, visualizando en el osciloscopio las señales Q0, Q1, Q2 y Q3, si la secuencia generada por el contador en sus tres diferentes configuraciones es la correcta.

2. Superponer para visualizar en el osciloscopio la señal de reloj que introducimos en el contador, y la señal de salida Vout que obtenemos del conversor. Debemos obtener la conversión correcta para la señal de salida invertida (pulsar de forma prolongada la tecla correspondiente al canal 2 en el osciloscopio para ver la inversa de Vout), es decir, una rampa escalonada que crece linealmente y que se vuelve

Figura 2: Circuito de ponderación binaria

a iniciar una vez alcanzado el valor del modulo para el que hemos configurado el conversor. Realizar esta observación para las tres configuraciones dadas del contador y representar gráficamente la señal obtenida.

Elegir una de las configuraciones del contador para realizar las siguientes medidas:

1. Modificar el valor de Rvar y observar su efecto en la rampa de conversión. Construir

una grafica en que se represente (para unos cinco valores) el valor de la resistencia variable y el máximo de la rampa. >Se satura la rampa? Obtener el valor máximo de Rvar para que el amplificador no esté saturado. Modificar ligeramente (hasta +-13.5 V ) la alimentación del 741 y observar el efecto en la conversión. Obtener el valor de Rvar máximo para +-13.5 V de alimentación.

2. Modificar una de las resistencias de la red resistiva (por ejemplo cambiar el valor 2R por uno ligeramente mayor, utilizando para ello el potenciómetro, que habremos sustituido por una resistencia _ja de 100 k) y observar su efecto en la rampa de conversión. Variar diferentes ramas y anotar que escalones se modifican en cada caso.

3. Medir los tiempos de retardo para cada escalón de la rampa (respecto a la señal de referencia de reloj) y el tiempo de retardo de inicialización de la conversión (puesta a cero de la rampa). Aumentar la frecuencia de reloj y comprobar cómo se deforma la señal. Obtener la frecuencia máxima a la que el conversor funciona sin errores.

Explicar razonadamente los resultados de las medidas obtenidas en estos tres últimos puntos.

3. Conversor analógico/digital (A/D) paralelo

Se trata en este caso de digitalizar una señal de entrada analógica para obtener el valor de la magnitud de dicha señal expresada mediante una secuencia binaria. Hay una gran cantidad de diseños, muy variados, de conversores A/D, cuya precisión depende del número de bits de salida mediante los que digitalizamos la señal.

Vamos a montar un sencillo conversor en paralelo que digitaliza, dando una salida de dos bits (una precisión muy limitada), una señal analógica de entrada que obtendremos generando una señal sinodal con el generador de funciones. Para ello utilizaremos cuatro resistencias de 100 k, tres amplificadores operacionales de los cuatro que tiene el LM324 y un codificador con prioridad 74LS148. (NOTA: en este caso el integrado de los operacionales se alimenta con (0,+5 V ), como los otros, lo que simplifica el montaje en la board).

Antes de montar el circuito, efectuaremos un ensayo de conversión digital utilizando un único operacional en el que controlaremos la señal introducida por la entrada inversora del amplificador mediante la fuente de alimentación (Vcont), que podremos modificar, y convertiremos la señal sinoidal analógica que introducimos por la entrada no inversora a una señal cuadrada (digital ) que obtenemos en la salida. Observaremos el efecto del valor de la señal continua de control Vcont sobre la salida que obtenemos (realizar un esquema de la visualización de la conversión en el osciloscopio, en el que observaremos la señal analógica original y la señal digitalizada de forma simultánea). Observar el retardo que se produce y obtener la frecuencia máxima a la que el amplificador deja de digitalizar correctamente.

Una vez comprobada la función digitalizadora del operacional, montar el conversor completo de dos bits y visualizar en el osciloscopio la secuencia 0{3 generada por el conversor conforme va digitalizando la señal analógica (utilizar una señal sinoidal de que oscila entre 0 y 4 V ).

Figura 3: Configuración 74LS148

Notar las siguientes cuestiones en el montaje de la figura:

1. Los operacionales tienen la entrada inversora conectada a la señal que queremos digitalizar y la no inversora a cada uno de los niveles de voltaje en que hemos dividido el recorrido 0{VCC. Es lo contrario que hicimos en la prueba con un único operacional, ya que de esta manera obtenemos la digitalización invertida y podemos introducir las señales de salida de los operacionales directamente a la entrada del decodificador (entradas negadas, activas en bajo) para obtener el correcto funcionamiento del conversor A/D.

2. La entrada EI sirve para introducir una señal que marca el ritmo de muestreo. En nuestro caso, al estar conectada a LOW, (activa en baja) vamos a efectuar un muestreo continuo, por lo que el ritmo de la digitalización vendrá marcado por los retrasos de los operacionales y del decodificador.

3. Las salidas del decodificador también son activas en baja, por lo que para visualizarlas correctamente en el osciloscopio sin necesidad de utilizar inversores adicionales, vamos a utilizar la función inversora del propio osciloscopio, que se activa manteniendo pulsada unos segundos la tecla que hay junto a la entrada del canal.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, y una vez comprobado el correcto funcionamiento del conversor A/D,

1. Comparar la señal analógica y cada uno de los bits significativos de salida (A0 y A1). Realizar un gráfico en el que se represente la señal analógica y los dos bits de salida en función del tiempo. Razonar el funcionamiento del conversor en sus dos etapas: los operacionales y el decodificador. Indicar por que el decodificador debe ser con prioridad.

2. Sobre la grafica anterior, estudiar el efecto de los retrasos de los operacionales midiendo el retardo de la señal intermedia en la línea 3 de entrada al decodificador. Calcular dicho retardo mediante la asimetría de la conversión. Medir el retardo total del decodificador, hallar cuanto retado corresponde a los operacionales y cuanto al decodificador.

3. Estimar la precisión obtenida en la digitalización.

4. Conversores D/A y A/D integrados

En los sistemas electrónicos no se suelen montar conversores construidos a partir de componentes discretos de menor rango, sino que se utilizan directamente circuitos integrados que contienen el conversor completo, en el que todos los componentes se han litografiado monolíticamente en silicio. Hay una gran oferta en el mercado. La casa Burr- Brown, fue la que originalmente dominaba el mercado de conversores. Actualmente ha sido absorbida por Texas Instrumentes, y todos sus productos han quedado incluidos en el catálogo de esta multinacional.

Mencionaremos dos de los conversores más utilizados, de los que os facilitamos parte de su hoja de especificaciones como Anexo a esta practica, aunque no vamos a utilizarlos.

ADC0804C, es un conversor analógico-digital de 8 bit por aproximaciones sucesivas en tecnología CMOS monolítica. La conversión se realiza mediante una red potenciométrica modificada de 256 resistencias. Incluye biestables para controlar el bus de datos que utiliza, lo que lo hace muy versátil y apto para incluirlos en sistemas que incluyan microprocesadores.

DAC80, es un conversor digital-analógico de 12 bit. Su salida analógica es muy robusta y estable, capaz de suministrar hasta 2;5mA a una carga externa sin degradar la conversión D/A. Además funciona correctamente en un amplio rango de temperaturas y voltajes de alimentación, con un consumo bastante bajo. Al ser también bajo su coste, este conversor es un de los más utilizados.

Mario Dominguez Zambrano

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El amplificador operacional como elemento de regulación

Solo describiremos aquello que se relaciona con la regulación. Un operacional es un amplificador lineal de alta ganancia con muchas aplicaciones en sistemas de regulación analógicos. La figura muestra dos tipos de cápsulas frecuentes y la numeración de sus patillas, el símbolo empleado en esquemas, las formas de alimentación y la función a la que responde su salida en la patilla 6.

Un operacional muy utilizado es el 741 por sus amplios márgenes de funcionamiento, con una alimentación habitual de +15 voltios y -15 voltios (con fuente de doble vía). Si no se utiliza fuente de doble vía (patilla 4 conectada a masa), la tensión más baja en la patilla 6 no llegará hasta los cero voltios ya que su linealidad se pierde cuando se acerca a los límites de la alimentación en las patillas 4 y 7. Un operacional que salva este problema es por ejemplo el CA3140, respondiendo bien desde los cero voltios cuando esta misma tensión se aplica en la patilla 4.

Como habremos visto en la figura, la salida de este curioso componente es proporcional a la diferencia de las señales de entrada aplicadas en las patillas 2 y 3, siempre y cuando no resulte un valor superior a la tensión de alimentación (positiva o negativa), a partir de cuyo momento es encontrará saturado. Dependiendo de cuál de las entradas es mayor, la salida podrá ser positiva o negativa respecto de la tensión de referencia o masa (en el caso de alimentación de doble vía). El problema que surge en principio, es que la constante es del orden de cien mil, de modo que una mínima diferencia entre las señales de entrada produce la saturación del operacional, apareciendo en su salida una tensión +V o -V (o cero voltios si no es de doble vía). La posibilidad de detectar diferencias mínimas en las señales de entrada ofrece muchas aplicaciones, pero no resulta nada indicado en regulación. Este problema se salva fácilmente si le hacemos trabajar en lazo cerrado (realimentando la salida hacia una de las entradas, que normalmente es la patilla 2 por cuestiones de su funcionamiento interno).

El hecho de que la ganancia K sea tan elevada es en realidad una ventaja muy importante al ser usado con realimentación. Si en la fórmula de la figura pasamos el valor K dividiendo a la tensión de salida V6, el resultado será prácticamente cero, de lo cual se deduce que el operacional siempre tenderá a igualar las dos tensiones de entrada ya que su diferencia será casi cero. Seguidamente veremos unas cuantas posibilidades de los operacionales.

Si el operacional tiende a igualar las dos entradas y la salida está conectada con una de ellas (una realimentación directa como en el primer caso de la siguiente figura), entonces la salida Vs siempre tenderá a igualarse a la entrada Ve. Una característica de los operacionales de gran valor práctico es que su impedancia de entrada es elevadísima y la de su salida es muy baja, de esta forma se puede alimentar una carga (en la salida Vs) sin que modifique para nada el comportamiento del divisor de tensión (el cociente entre las dos resistencias es igual al cociente entre las dos tensiones que soportan). Recuérdese que cuando se conectan varios elementos y uno de ellos supone una carga para el anterior, su comportamiento varía y no puede ser estudiado por separado, complicándose su estudio. La finalidad mostrada en el primer caso de la siguiente figura es por lo tanto la de adaptar impedancias con el propósito de que un componente o circuito no cargue a otro. Un operacional con una realimentación directa recibe el nombre de seguidor de tensión.

En el segundo caso de la figura anterior vemos su aplicación como amplificador inversor, con una ganancia ajustable si la resistencia Rs es variable. Aunque se pueden conectar dos de ellos en serie para conseguir un amplificador no inversor, esto mismo se consigue con un solo operacional (tercer caso de la figura). No es un imperativo que el amplificador sea inversor o no inversor sino que puede ser este un factor también ajustable (primer caso de la siguiente figura). Como cabe suponer, estos montajes pueden desempeñar perfectamente la función de un regulador proporcional. Las fórmulas de la ganancia mostradas se pueden deducir con facilidad considerando iguales las dos tensiones de entrada.
En el segundo caso de la figura anterior podemos ver un montaje para restar dos señales y aplicar a la vez una ganancia al resultado (por sí solo engloba un comparador y un regulador proporcional, siendo V2 la señal de consigna y V1 la de realimentación). Si solo se desea usar como restador bastará con que R1 y R2 sean iguales. Cuando sea necesario hacer la suma de señales, como por ejemplo para sumar dos o varias acciones de un regulador, podremos utilizar un sumador inversor (primer caso de la siguiente figura) o un sumador no inversor (segundo caso). En el último caso vemos cómo pueden sumarse varias señales y restar finalmente los resultados.
Las acciones integral y derivativa las podemos obtener como en la figura siguiente. La resistencia en paralelo con el condensador (primer caso) no tiene ninguna función en cuanto a la señal obtenida en la salida sino que simplemente mejora el funcionamiento interno del operacional. La misma consideración hacemos con el condensador de pequeña capacidad en el segundo caso.
El siguiente ejemplo es un regulador PID completo pero muy simplificado, que presentaría algunos problemas de ajuste de parámetros y sería más apropiado para una aplicación concreta con parámetros fijos. Sin embargo si tenemos en cuenta las posibilidades que se han descrito no encontraremos mucha dificultad en el diseño de un regulador ajustable.

Completamos este apartado mostrando un sencillo amplificador de potencia (segundo caso de la figura anterior) para la alimentación de pequeñas cargas (pequeños motores, lámparas...). Como puede suponerse, un operacional no puede (normalmente) alimentar directamente una carga. La salida de control es solamente una señal que aporta una información, debiendo ser amplificada en potencia (y en tensión normalmente).

Mario Dominguez Zambrano

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Filtro activo paso bajo con Amplificador Operacional frecuencia de corte, ganancia

Los filtros activos se diferencian de los filtros comunes, en que estos últimos son solamente una combinación de resistencias,capacitores e inductores.

En un filtro común, la salida es de menor magnitud que la entrada

En cambio los filtros activos se componen de resistores, capacitoresy dispositivos activos comoAmplificadores Operacionales otransistores.

En un filtro activo la salida puede ser de igual o de mayor magnitud que la entrada.

Filtro activo paso bajo con Amplificador Operacional

Curva de respuesta de un filtro Paso bajo.

Las líneas discontinuas rojas representan el filtro paso bajo ideal

Si se seleccionan los capacitores de modo que:

C1 = C2 = C y R1 = R2 = R3 = R

El valor de la frecuencia Fc (frecuencia de corte) se puede obtener con ayuda de la siguiente fórmula: Fc = 0.0481 / RC.

Y la ganancia del filtro (acordarse de que es un amplificador) será: Av = Vo / Vin = R2 / R1.

Si se expresa esta ganancia en decibeles: Av = 20Log Vo / Vin o Av = 20 log R2 / R1.

Nota: Fc (frecuencia de corte) es el punto en la curva de transferencia en que salida ha caído 3 dB (decibeles) desde su valor máximo.

Mario Dominguez Zambrano

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Osciladores

Los osciladores son dispositivos capaces de repetir dos acciones opuestas en un período regular. Ejemplo: movimiento de un péndulo.

Un ejemplo de oscilador en el área de la electrónica, es la variación de la tensión o corriente en un punto específico.

Un circuito LC (inductor– capacitor) es capaz de producir esta oscilación a su frecuencia natural de resonancia.

Aplicaciones de los osciladores:

- Circuitos digitales (reloj)

- Transmisión y recepción de radio

Hay un tipo de oscilador llamado oscilador realimentado y para que éste oscile debe haber en el circuito una realimentación positiva.

Las características de los osciladores realimentados

1.- Amplificación

2.- Lazo de realimentación positiva

3.- Circuito para controlar la frecuencia

Un oscilador realimentado es un circuito que usa un amplificador para suministrar la energía necesaria al oscilador y un circuito de realimentación para mantener la oscilación. Es en este circuito de realimentación donde se pierde la energía que tiene que suministrar el amplificador para el continuo funcionamiento del oscilador.

Como empieza la oscilación?

La tensión de arranque es generada por los mismos componentes del oscilador. Los resistores generan una tensión de ruido que tiene frecuencias senoidales mayores a los 10.000.000.000.000 hertz. Cuando el circuito arranca todas las frecuencias generadas son amplificadas y aparecen a la salida excitando el circuito resonante que responde sólo una de ellas, la cual es realimentada a la entrada del circuito con la fase adecuada para que se inicie la operación.

Tipos de osciladores:

- Oscilador por corrimiento de fase

- Oscilador Armstrong (no muy utilizado debido a su inestabilidad)

- Oscilador Hartley

- Oscilador Colpits

La realimentación positiva

- Vi = Tensión de entrada

- Vo = Tensión de salida

- B = Ganancia del circuito de realimentación

- Ao = Ganancia del amplificador con lazo abierto Ao = Vo / Vi (no se toma en cuenta la realimentación). Ver el gráfico

- Vf = Tensión de realimentación

- Ac = Ganancia en lazo cerrado

- BAo = Este producto (B x Ao) se llama ganancia de lazo

Para realimentación positiva, la ganancia de lazo cerrado es:

Ac = Ao / [1-BAo]

Si el producto B x Ao se aproxima a "1", el denominador de la fórmula anterior tiende a "0" y como consecuencia la ganancia de lazo cerrado Ac, tiende al infinito. Estas ganancias tan altas producen oscilaciones.

Osciladores por corrimiento de fase

Los osciladores por corrimiento de fase utilizan generalmente en la red de realimentación (B) compuesta de componentes pasivos (resistencia y condensadores). Ver el gráfico.

En la etapa amplificadora (A), hay un amplificador inversor con amplificador operacional A2, con lo que la señal a su entrada es desplazada 180º.

Entondes se puede utilizar una red (B) de tres etapas RC (R1C1, R2C2, R3C3. cada red RC desplaza 60º) para obtener los restantes 180º y así sumar los 360º necesarios.

En el gráfico se ve un amplificador A1, que se utiliza para evitar que la red de desplazamiento de fase cargue la entrada del amplificador inversor A2. Esto es así, debido a que el amplificador A1 tiene una alta impedancia de entrada. La salida de A1 tiene la misma fase que su entrada (no desfasa).

La frecuencia de oscilación está dada por la siguiente fórmula:

El amplificador A2 da la ganancia necesaria para mentener la oscilación y puede ser calculada con la fórmula: Ganacia = - R5 / R4, donde el signo menos significa inversión de fase. Con R2 = 36K y R1=1K, la ganacia es 36.

Si la atenuación causada por la red RC, es menor a la esperada, la ganancia de lazo es mayor que 1 (la ganancia en lazo abierto desable es 1). La señal de salida entonces crece hasta que el amplificador amplifica con distorsión.

Como la entrada no inversora del amplificador A2 está a tierra y la entrada inversora del mismo amplificador es una tierra virtual, la entrada inversora se mantiene cerca de los 0 voltios.

Para evitar que la ganancia sea mayor que 1, se incluyen dos diodos (D1 y D2) que conducen cuando la salida senoidal de A2 en sentido positivo es mayor de 0.7V, y en sentido negativo menor a - 0.7V.

Cuando la salida de A2 es aproximadamente 0.7 V, D1 conduce poniendo las resistencias R5 y R6 en paralelo, lo mismo sucede cuando la señal es de aproximadamente de -0.7, D2 conduce poniendo en paralelo las mismas resistencias. Entoces la ganacia de A2 será = (R5//R6)/R4 = (36k//8.2K)/1K = 6.5. Ganancia que es menor a 36 anteriores. Así la tensión de salida será aproximadamente 1.4V pico-pico.

Nota:

- // significa: en paralelo

- A1, A2: amplificadores operacionales de propósito general TI LM348N (4 operacionales)

Oscilador Puente Wein: Ganancia, red realimentación

Ganancia, realimentación

El oscilador puente de Wien es un oscilador utilizado para generar ondas sinusoidales que van desde los 5 Hz a los 5 Mhz.

A diferencia del oscilador por corrimiento de fase, tiene menos componentes y el ajuste de la frecuencia de oscilación es más fácil, motivo por el cual es más utilizado.

El circuito básico consta de un amplificador y una red de adelando/atrazo compuesto de dos redes RC, una serie y otra paralelo. Los dos valores de resistencias y condensadores son iguales.

Ganancia

La ganancia del amplificador está dada por las resistencias R1 y R2.

La ganancia que debe tener este amplificador debe compensar la atenuación causada por las redes RC (red de realimentación positiva conectada a la patilla no inversora del amplificador operacional). Esta ganancia debe estar por encima de 1 para asegurar la oscilación.

La ganancia se obtiene con la primera fórmula. Como la ganancia debe ser mayor que 1, la ecuación se simplifica y se obtiene la segunda fórmula:

Ver que para que esto se dé el cociente de R2 y R1 debe ser igual o mayor que 2.

Red de realimentación y desfase

La salida de la red de realimentación se comporta de la siguiente manera:

- Para frecuencias por debajo la frecuencia de oscilación la atenuación es grande y la fase se adelanta 90°

- A la frecuencia de resonancia la ganancia de tensión es de 1/3 (máxima) y no hay corrimiento de fase.

- Para frecuencias por encina de la frecuencia de oscilación, la atenuación es grande y la fase se atrasa 90°.

Oscilador Puente de Wein

Frecuencia de oscilación

Para lograr la oscilación, es necesario que el desfase o desplazamiento de fase sea 360° o lo que es lo mismo, que el desfase sea 0°.

Para deducir la fórmula de oscilación, se siguen los pasos mostrados en la figura.

En la primera ecuación se ve que para que esta sea igual a 0, el contenido del paréntesisi debe ser igual a 0.

La igualdad de la segunda ecuación permite despejar w y después la frecuencia f. Al final de la simplificación se ve que la frecuencia depende los valores del condensador C y la resistencia R. Recordar que w = 2Pif

Un oscilador puente de Wien real

Los valores de las resistencias y condensadores de las redes RC, R3 = R4 = 16.2K y C3 = C4 = 0.01uF.

También se ve el amplificador inversor con las resistencias R1 y R2 que establecen la ganancia del amplificador. R1 = 10K y R2 está compuesto de una resistencia en serie con un potenciómetro R2 = R + P. La resistencia R = 18K y el potenciómetro P = 5K.

El potenciómetro se conecta como resistencia variable y cuando este tiene su valor mínimo, (0 ohmios), el valor de R2 = 18K. Cuando el potenciómetro tiene su valor máximo (5K), R2 = 23K.

Con los datos anteriores la ganancia del amplificador varía de 1.8 a 2.3 (mayor a 1)

El recuadro formado por el puente de diodos y el diodo zener tiene como objetivo limitar la salida del amplificador operacional a un máximo positivo de 7 voltios y negativo de -7 voltios.

El puente de diodos suministra una tensión de 5.6 voltios tanto para el ciclo negativo como para el positivo.

Esta tensión sumada a dos caídas de tensión de dos diodos (0.7+0.7=1.4), suman los 7 voltios mencionados.

Oscilador Hartley

El Oscilador Hartley es un tipo de oscilador muy utilizado en receptores de radio con transistores adaptándose con facilidad a una gran gama de frecuencias. Para su funcionamiento este circuito utiliza una bobina con derivación central.

Analizando el diagrama, se ve que el punto de derivación D de la bobina L1, estará puesto a tierra para corriente alterna (c.a.) (a la frecuencia de oscilación) a través del condensador C4.

De esta manera se logra que los extremos A y B de la bobina estén 180° fuera de fase (funciona como un inversor).

El extremo B se realimenta a la base del transistor a través de C1, haciendo que éste (el transistor) cambie de estado, esto a su vez cambia las polaridades en los extremos de la bobina, repitiéndose el proceso y produciéndose así la oscilación.

La función de la bobina L2 es de choque de R.F. y evita que la señal del oscilador pase a la fuente de alimentación.

Analizando el funcionamiento de la bobina con derivación y tomando en cuenta que la conexión D (derivación central) está puesta a tierra a través del capacitor C4, las formas de onda en los extremos de la bobina serán:

La frecuencia de oscilación de este tipo de oscilador está dada por la fórmula:

fo = 1 / [2π x ( LC)1/2].

Notas:

- C3 puede ser un capacitor variable para ajustar la frecuencia de oscilación

- El exponente 1/2 equivale a una raíz cuadrada

Oscilador Colpitts

El oscilador Colpitts es un tipo de oscilador es muy utilizado en generadores de frecuencia de alta calidad y se usa principalmente para obtener frecuencia por encima de 1 Mhz. Su estabilidad es superior a la del oscilador Hartley.

Para poder lograr la oscilación este circuito utiliza un divisor de tensión formado por dos capacitores: C1 y C2.

De la unión de estos capacitores sale una conexión a tierra. De esta manera la tensión en los terminales superior de C1 e inferior de C2 tendrán tensiones opuestas.

La realimentación positiva se obtiene del terminal inferior de C2 y es llevada a la base del transistor a través de una resistencia y un condensador

La bobina L2 (choke) se utiliza para evitar que la señal alterna no pase a la fuente Vcc

Este oscilador se utiliza para bandas de VHF (Very High Frecuency), frecuencias que van de 1 Mhz a 30 Mhz.

A estas frecuencias sería muy difícil utilizar el oscilador Hartley debido a que las bobinas a utilizar serían muy pequeñas.

La frecuencia de oscilación de este tipo de oscilador está dada por:

fo = 1 / [2π x ( LC)1/2]

donde:

- C = C1xC2 / [C1+C2]

- L = L1

Notas:

- R1 puede ser un resistor variable (potenciómetro) para ajustar la magnitud de la señal de la salida que se realimenta a la entrada.

- El exponente 1/2 equivale a una raíz cuadrada.

Mario Dominguez Zambrano

EES

Sección: 02