1.3: DESCRIPCIÓN GENERAL
- Page ID
- 84214
El amplificador operacional es un potente y multifacético elemento analógico de análisis de datos, y la explotación óptima de este versátil bloque de construcción requiere un fondo en varias áreas diferentes. El objetivo principal de este libro es ayudar al lector a aplicar amplificadores operativos a sus propios problemas. Si bien el uso de un enfoque “manual” que básicamente tabula una serie de configuraciones que otros han encontrado útiles es atractivo por su simplicidad, este enfoque tiene limitaciones definidas. Los resultados superiores se obtienen invariablemente cuando el diseñador adapta el circuito que utiliza a sus propios requisitos específicos y detallados, y al amplificador operacional particular que elija.
Una presentación equilibrada que combine conceptos prácticos de diseño de circuitos y sistemas con la teoría aplicable es un antecedente esencial para el tipo de enfoque creativo que da como resultado sistemas óptimos de amplificador operacional. Los siguientes capítulos proporcionan los conceptos necesarios. Una segunda ventaja de esta presentación es que muchas de las técnicas se aplican fácilmente a un amplio espectro de problemas de diseño de circuitos y sistemas, y el material está estructurado para fomentar este tipo de transferencia.
La retroalimentación es fundamental para prácticamente todas las aplicaciones de amplificadores operativos, y una comprensión profunda de este importante tema es necesario en cualquier situación de diseño desafiante. Los capítulos 2 al 6 están dedicados a conceptos de retroalimentación, con énfasis en ejemplos extraídos de conexiones operacional-amplificador. Sin embargo, la presentación en estos capítulos se mantiene lo suficientemente general como para permitir su aplicación a una amplia variedad de sistemas de retroalimentación. Los temas tratados incluyen modelado, un estudio detallado de las ventajas y limitaciones de la retroalimentación, determinación de respuestas, estabilidad y técnicas de compensación destinadas a mejorar la estabilidad. También se incluyen métodos simples para el análisis de ciertos tipos de sistemas no lineales. Este enfoque en profundidad se incluye al menos en parte porque estoy convencido de que una comprensión detallada de la retroalimentación es el requisito previo más importante para el éxito del diseño de circuitos electrónicos y sistemas.
Varias técnicas de diseño de circuitos interesantes y ampliamente aplicables se utilizan para realizar amplificadores operativos. El diseño de circuitos operacional-amplificadores se complica por el requisito de obtener ganancia a frecuencia cero con baja deriva y corriente de entrada. En el capítulo 7 se analiza el diseño de los amplificadores d-c necesarios. Las implicaciones de la topología en la dinámica de los circuitos operacional-amplificadores se discuten en el Capítulo 8. También se incluye el diseño de las etapas de alta ganancia utilizadas en la mayoría de los amplificadores operativos modernos y los factores que influyen en el rendimiento de la etapa de salida. El capítulo 9 ilustra cómo las técnicas de diseño de circuitos y los conceptos del sistema de retroalimentación se combinan en un circuito amplificador operacional ilustrativo.
Los factores que influyen en el diseño de los amplificadores operativos modernos de circuito integrado que han aumentado drásticamente el uso del amplificador se discuten en el Capítulo 10. Se incluyen varios ejemplos de diseños representativos actuales.
Una variedad de aplicaciones de amplificadores operativos se rocían a lo largo de los primeros 10 capítulos para ilustrar conceptos importantes. Los capítulos 11 y 12 se centran en otras aplicaciones, con mayor énfasis en aclarar técnicas y topologías importantes en lugar de concentrarse en detalles menores que dependen en gran medida de los detalles específicos de una aplicación dada y del amplificador utilizado.
El capítulo 13 está dedicado al problema de compensar los amplificadores operativos para un rendimiento dinámico óptimo en una variedad de aplicaciones. La discusión de este material se aplaza hasta el capítulo final porque solo entonces es necesaria la retroalimentación, el circuito y los antecedentes de la aplicación para apreciar completamente las sutilezas de compensar los amplificadores operativos modernos disponibles. La compensación es probablemente el aspecto más importante de la aplicación efectiva de amplificadores operativos, y a menudo representa la diferencia entre rendimiento inadecuado y superlativo. Se utilizan varios ejemplos de la manera en que la compensación influye en el desempeño de un amplificador operacional de circuito integrado repre sentativo para reforzar la discusión teórica incluida en este capítulo.
PROBLEMAS
Ejercicio\(\PageIndex{1}\)
Diseñe un circuito utilizando un único amplificador operacional que proporcione una relación ideal de entrada/salida
\[V_o = -V_{i1} - 2V_{i2} - 3V_{i3}\nonumber \]
Mantener los valores de todas las resistencias utilizadas entre 10 y 100 kU.
Determine la transmisión en bucle (asumiendo que no hay carga) para su diseño.
Ejercicio\(\PageIndex{2}\)
Tenga en cuenta que es posible proporcionar una relación input-output ideal
\[V_o = V_{i1} + 2V_{i2} + 3V_{i3}\nonumber \]
siguiendo el diseño del Problema 1.1 con un inversor de ganancia unitaria. Encuentre un diseño más eficiente que produzca esta relación utilizando solo un único amplificador operacional.
Ejercicio\(\PageIndex{3}\)
Un amplificador operacional está conectado para proporcionar una ganancia de inversión con un valor ideal de 10. A bajas frecuencias, la ganancia de bucle abierto del ampli fier es independiente de la frecuencia e igual a\(a_0\). Suponiendo que la única fuente de error es el valor finito de ganancia de bucle abierto, ¿qué tan grande debe\(a_0\) ser para que la ganancia real de bucle cerrado del amplificador difiera de su valor ideal en menos de 0.1%?
Ejercicio\(\PageIndex{4}\)
Diseñe una conexión de amplificador único que proporcione la relación ideal de entrada/salida
\[v_o = -100 \int (v_{i1} + v_{i2}) dt \nonumber \]
Mantenga los valores de todas las resistencias que utilice entre 10 y 100\(k\Omega\).
Ejercicio\(\PageIndex{5}\)
Diseñe una conexión de amplificador único que proporcione la relación ideal de entrada/salida
\[v_o = +100 \int (v_{i1} + v_{i2} ) dt \nonumber \]
usando solo valores de resistencia entre 10 y 100\(k\Omega\). Determine la transmisión en bucle de su configuración, asumiendo una carga insignificante.
Ejercicio\(\PageIndex{6}\)
Determinar las relaciones ideales entrada-salida para las dos conexiones mostradas en la Figura 1.7.
Ejercicio\(\PageIndex{7}\)
Determine la función de transferencia de entrada/salida ideal para la conexión de amplificador operacional que se muestra en la Figura 1.8. Estimar el valor de ganancia de bucle abierto requerido de tal manera que la ganancia real de bucle cerrado del circuito se aproxime a su valor ideal a una frecuencia de entrada de 0.01 radianes por segundo. Se puede descuidar la carga.
Ejercicio\(\PageIndex{8}\)
Supongamos que la conexión operacional-amplificador mostrada en la Figura 1.9 satisface las dos condiciones establecidas en la Sección 1.2.2. Utilice estas condiciones para determinar la resistencia de salida de la conexión (es decir, la resistencia vista por la carga).
Ejercicio\(\PageIndex{9}\)
Determine la relación de transferencia de entrada/salida ideal para el circuito que se muestra en la Figura 1.10. Supongamos que las variables del terminal del transistor están relacionadas como
\[i_C = 10^{-13} e^{40v_{BE}}\nonumber \]
donde\(i_C\) se expresa en amperios y\(v_{BE}\) se expresa en voltios.
Ejercicio\(\PageIndex{10}\)
Trazar las características ideales de entrada/salida para los dos circuitos mostrados en la Figura 1.11. En la parte a, supongamos que las variables de diodo están relacionadas por\(i_D = 10^{-13} e^{40v_D}\), donde\(i_D\) se expresa en amperios y\(v_D\) se expresa en voltios. En parte\(b\), supongamos que\(i_D = 0\),\(v_D <0\), y\(v_D = 0\),\(i_D > 0\).
Ejercicio\(\PageIndex{11}\)
Nos hemos concentrado en conexiones operacional-amplificador que implican retroalimentación negativa. Sin embargo, varias conexiones útiles, como la que se muestra en la Figura 1.12, utilizan retroalimentación positiva alrededor de un amplificador. Supongamos que la ganancia de bucle abierto de región lineal del amplificador es muy alta, pero que su voltaje de salida está limitado a\(\pm 10\) voltios debido a la saturación de la etapa de salida del amplificador. Aproximar y trazar la señal de salida para el circuito mostrado en la Figura 1.12 utilizando estos supuestos.
Ejercicio\(\PageIndex{12}\)
Diseñe un circuito amplificador operacional que proporcione una relación de entrada y salida ideal de la forma
\[v_O = K_1 e^{v_I/K_2}\nonumber \]
donde\(K_1\) y\(K_2\) son constantes dependientes de los valores de parámetros utilizados en su diseño.
