Amplificadors operacionals en el disseny (04/04/2016)

Avui, per finalitzar el tema d’amplificadors operacionals i a mode de resum, hem recordat l’ús dels amplificadors operacionals per dissenyar, recordant quatre usos típics i introduint per a la seva realització alguns conceptes nous:

1.  Quan ens trobem davant de la realització d’una font controlada de valor kVx, en aquest cas connectarem un A.O. no inversor ideal, i ajustarem les resistències perquè ens doni la sortida desitjada, és a dir, perquè k=1+R2/R1. Un exemple amb aquestes característiques és el que ens va portar a estudiar els amplificadors operacionals, un circuit que permetia, sense sinusoide a l’entrada i amb una k de valor 3 obtenir una sinusoide a la sortida.
   
   
   
    Per realitzar aquesta font controlada connectem a V la pota positiva de l’A.O. ideal no inversor i C a la sortida de l’amplificador, ens adonarem que a k=3, la sortida seria la mateixa tot i que curtcircuitéssim Vg. Un altre exemple d’aquest primer tipus es dóna quan volem modelar un circuit que tingui un caràcter inductiu, el més senzill, però menys precís, seria pensar en utilitzar una bobina, però si busquem un model més exacte caldria tenir en compte que aquesta bobina generaria una petita però rellevant resistència paràsita. Per eliminar-la ens caldria enllaçar-hi un A.O. que ens doni a la sortida una Vo=2Vx, ja que si analitzem el bipol format per una resistència en sèrie amb una font controlada de valor 2Vx ens adonem que no hi ha diferència entre aquest i  el format per un únic resistor de valor -R, justament el que busquem per anul·lar la resistència paràsita. 
   
2.  El segon cas es dóna quan hem de realitzar una font controlada amb una amplificació k negativa, el més ràpid seria pensar en connectar el circuit a un amplificador inversor, però ja vam veure que aquests A.O.s no són ideals i que per tant generen modificacions en el circuit inicial que afectarien després en l’amplificació, aquí sorgeix la necessitat de convertir els amplificadors no ideals en ideals. Per fer-ho utilitzem l’amplificador ideal, però degenerat, és a dir, modificat perquè doni una amplificació 1. Si connectem en cascada aquest circuit degenerat entre el circuit inicial i l’A.O. inversor dotem a aquest de R interna infinita sense modificar l’amplificació. Aquest circuit s’anomena seguidor de tensió i converteix la sortida en una sortida d’un generador ideal de tensió, a la que no afecta tot el que ve a continuació.  

   

   Seguidor de tensió

A partir d’aquest nou model i de la connexió en cascada ja podem modelar la font controlada que vulguem i sovint ens serà còmode per estructurar les connexions fer un diagrama de blocs que especifiqui de manera gràfica cadascuna de les operacions que s’han de fer. Amb això ja podrem realitzar els dos últims tipus que falten:

     3.  Busquem una sortida: Vo=k(Vx-Vy). 

          El diagrama de blocs seria el següent: 

I ho modelaríem amb un seguidor de tensió connectat a Vx i un altre a Vy, que alhora estarien connectats el de Vx a l’entrada negativa i el de Vy a la positiva d’un amplificador diferencial o restador com el que vam veure a la classe anterior. La sortida d’aquest A.O. estaria connectada per últim a un A.O. ideal no inversor que ens aportaria l’amplificació desitjada.

      4. Per últim podríem buscar a la sortida una integral com la següent: Vo=∫(3Vx+2V2)dt, per fer-ho tornaríem a fer primer un diagrama de blocs per veure quins amplificadors caldria connectar en cascada.

 

A partir d’aquest diagrama de blocs veiem que caldrà connectar V1 a un A.O. ideal de R2=2R1, V2 a un altre A.O. ideal amb R1=R2, a aquest segon caldrà enllaçar-li un inversor per canviar-li el signe i aconseguir així una suma a partir d’un restador, que és el que vindrà després, connectarem V1 a la pota + del restador i V- a la negativa i obtindrem a la sortida 3V1+2V2, sortida que enllaçarem a un inversor i un integrador amb R=1M i C=1µF per obtenir a la sortida la integral positiva de 3V1+2V2.

Per acabar hem estudiat com assignar la polaritat als terminals d’entrada de l’A.O. i per fer-ho hem analitzat amb un exemple senzill que passaria amb les dues possibles polaritats. 

• En el cas en que la realimentació es dóna per la banda negativa de l’A.O. l’equació de la recta que genera la realimentació té un pendent negatiu i només existeix una solució a la zona lineal, i això es podria demostrar al laboratori. 
• Si invertim la polaritat i la realimentació és positiva la recta que s’afegeix té pendent positiu i tot i que segueix existint una solució en la zona lineal en aquest cas es donen alhora 3 solucions, la de la zona lineal i una a saturació positiva i l’altra a saturació negativa, això a la pràctica fa que només es doni o +Vcc o -Vcc, ja que la solució de la zona lineal és inestable. 

Amb aquest motiu ens quedarem sempre amb la realimentació negativa i quan haguem de polaritzar un amplificador el que haurem de fer és estudiar les dues polaritzacions i quedar-nos amb la que quan curtcircuitem Vg només admet com a solució 0 i no pas Vcc i -Vcc.

L’últim pas per acabar el tema dels amplificadors operacionals és ser capaços de modelar totes aquestes fonts controlades de manera que només ens calgui utilitzar una font, és a dir per a amplificadors amb alimentació unipolar i per finalitzar la classe n’hem vist un exemple.