TEMA 3. AMPLIFICADORES

http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg

IEEE 125 Aniversary: http://www.flickr.com/photos/ieee125/with/2809342254/

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1

TEMA 3. AMPLIFICADORES 1. Introducción 2.

Amplificadores.

3.

Amplificadores básicos con BJT.

4.

Amplificadores básicos con MOSFET.

5.

Circuitos integrados (Tecnología).

6.

Amplificador Operacional (AO).

7. Osciladores. 8. Problemas propuestos.

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2

TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.1. INTRODUCCIÓN




Un Circuito Integrado es un circuito electrónico fabricado completamente sobre la cara superior de una delgada pieza rectangular de semiconductor al que suele denominarse como “chip”.




Un CI contiene un gran número de transistores que realizan varias operaciones:






Es difícil asignar una operación o función a un solo transistor.



Es útil considerar que un CI está formado por subcircuitos (con más de un transistor) que realizan funciones específicas.

INDICE: 

Inicialmente, vamos a estudiar las propiedades de los circuitos más sencillos con UN SOLO TRANSISTOR



Después vamos a estudiar como se fabrican los CIs



A continuación, analizaremos el AMPLIFICADOR OPERACIONAL http://www.profesormolina.com.ar/electronica/componentes/int/sist_digit/image020.jpg

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3

TEMA 3. AMPLIFICADORES


3.1. INTRODUCCIÓN

Los circuitos electrónicos están diseñados para una operación dinámica (con corrientes y tensiones en alterna): 



VCC

Sedra/Smith 2004

Para realizar el estudio el transistor o el circuito electrónico se sustituye por un modelo circuital (Modelo equivalente de pequeña señal)

I C (t ) RC

Previamente al estudio en pequeña señal, debe estudiarse siempre la operación estática (con corrientes y tensiones de continua): la polarización de los transistores y la obtención de sus POE.

C

RB

vi (t )

B VBE (t )

VBB


E

PARA DISTINGUIR SEÑALES ac y dc  convenio: 

Señales DC: Símbolo y subíndice en MAYUSCULA

IB

Circuito equivalente de pequeña señal:

RB 



Señales AC: Símbolo y subíndice en minúscula

ib

Valor total de la señal (ac + dc): Símbolo minúscula y subíndice en mayúscula.

iB = I B + ib




VCE (t )

I B (t )

vi (t )

B

ib

C

ic

+

vbe

−

RC

rπ

βF ⋅ ib

E

Hoy en día los circuitos equivalentes son muy complejos, y requieren de herramientas como SPICE (Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis). María Jesús Martín Martínez : [email protected]

4

TEMA 3. AMPLIFICADORES


3.2. AMPLIFICADORES

Antes de proceder al estudio de amplificadores concretos, vamos a estudiar con carácter general, lo que entendemos por amplificador y sus diferentes tipos.  

Un amplificador establece una relación (generalmente lineal) entre una señal de entrada y una señal de salida. En la Figura se muestran las 4 configuraciones básicas de amplificadores ideales.

Amplificador de corriente ideal: (a) (Fuente de corriente controlada por corriente).


La condición de transferencia es

i0 = K I ii

(siendo KI la ganancia en corriente del amplificador) D. Pardo, et al. 1999

Ejemplo BJT

Amplificador de transresistencia ideal (b) (Fuente de tensión controlada por corriente).


La condición de transferencia es

v0 = K R ii

(siendo KR la transresistencia del amplificador)

D. Pardo, et al. 1999

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5

TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.2. AMPLIFICADORES

Amplificador de tensión ideal: (c) (Fuente de tensión controlada por tensión).




v0 = KV vi

La condición de transferencia es

(siendo KV la ganancia en tensión del amplificador) D. Pardo, et al. 1999

Amplificador de transconductancia ideal (d) (Fuente de corriente controlada por tensión).


La condición de transferencia es

i0 = K G vi

(siendo KG la transconductancia del amplificador) Ejemplo MOSFET D. Pardo, et al. 1999

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6

TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

3 .Amplificadores básicos con BJTs





BJT en emisor común BJT en colector común BJT en base común BJT en emisor común con resistencia de emisor

4 .Amplificadores básicos con MOSFETs



MOSFET en fuente común MOSFET en fuente común con carga de realce

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7

TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

5 .Tecnología de Fabricación de CIs


Un Circuito Integrado es un circuito electrónico fabricado completamente sobre la cara superior de una delgada pieza rectangular de semiconductor al que suele denominarse como “chip”.

La fabricación de un CI completo lleva consigo una secuencia de muchas etapas (entre 3 y 20) de procesos tecnológicos:  Crecimiento del lingote  Oxidación  Difusión y/o implantación de impurezas  Litografía  Metalización







Todos estos pasos se realizan simultáneamente para un gran número (cientos o miles) de circuitos en la misma oblea de semiconductor. http://www.nist.gov/public_affairs/images/ChipScaleClock2_HR.jpg




Posteriormente cada circuito se somete a una prueba automática de test en la que se examinan de forma individual los circuitos  Se desechan los defectuosos o los que no cumplen las especificaciones  Los que cumplen las características  Encapsulado María Jesús Martín Martínez : [email protected]

8

TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Tecnología de Fabricación de CIs


Sala blanca: 

   

Las operaciones de fabricación de un dispositivo se realizan mediante sistemas robóticos controlados por ordenador en “salas blancas” (miles de veces más limpias que los quirófanos de hospitales). Los trabajadores están vestidos con trajes especiales que cubren a cada persona de la cabeza a los pies. El aire se filtra continuamente y se hace recircular para mantener el nivel de partículas de polvo en un mínimo absoluto. La temperatura, la presión barométrica y la humedad se controlan de modo que los circuitos microscópicos totalmente protegidos. Una única partícula de humo podría destruir un proceso de crecimiento de un “chip”.

Entrando en una sala blanca

http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom

http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom

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TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Tecnología de Fabricación de CIs P

r o c e s o s

d e

f a b r ic a c ió n

d e

u n

c h ip

L a e s tru c tu ra d e u n c h ip e s co m p le ja (e n s u su p e rfic ie y e n su co m p o s ic ió n in te rn a trid im e n s io n a l). E l c h ip se fa b rica m e d ia n te m u c h a s ca p a s , c a d a u n a d e l a s c u á l e s e s d i s e ñ a d a d e m a n e r a d e t a l l a d a . P o r e je m p lo : P o d e m o s c re c e r u n a ca p a fin a d e S i 0 2 (m a te ria l a is la n te ) e n la s u p e rficie d e la o b le a .

S ec c ió n tran s v ers al d e u n H B T d e IB M e n u n p ro c es o B iCM O S

Paul, D. J. (1999), Silicon-Germanium Strained Layer Materials in Microelectronics. Advanced Materials, 11: 191–204

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TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Tecnología de Fabricación de CIs Grabado y litografía


Como imprimir un libro en miniatura 



Los diseños son creados en las capas de Si02 utilizando una técnica de impresión denominada “fotolitografía”. Una capa fina de polímero sensible a la iluminación (llamado resina) se aplica sobre el Si02.



Se proyecta luz ultravioleta a través de una mascara de cristal tan fina que se proyecta la imagen de la máscara sobre la resina.



La resina que no ha sido expuesta a la luz se puede lavar mediante disolventes. También se elimina el Si02 protector mediante diferentes técnicas de grabado para prepararlo para el siguiente paso en el proceso.

http://www.semiconductor-technology.com/projects/philips/images/image_3.jpg

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TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Tecnología de Fabricación de CIs Metalizaciones: Autopistas minúsculas 

Finalmente, se añaden las delgadas capas metálicas y de polisilicio (interconexiones entre los transistores individuales y entre otros dispositivos). Algunos chips contienen más de seis capas de cables de interconexión uniendo mas de 4 millones de circuitos.

Fotografía SEM de una matriz de líneas de metalización (rosas, verdes blancas y amarillas ) que realizan las interconexiones en una memoria RAM (varias celdas de memoria). El óxido aislante ha sido retirado. Gris (bajo metalizaciones es el Si). (Cortesia de IBM)

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TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Tecnología de Fabricación de CIs Pruebas de test 



En cada uno de los pasos del proceso, las obleas son minuciosamente examinadas con un equipo diseñado especialmente y controlado por ordenador, algunas de las medidas tienen lugar a escala atómica. Cuando se completa el proceso de metalización, todos los chips de la oblea son de nuevo analizados.

http://www.plyojump.com/classes/images/hardware/wafer_dicing.jpg

http://www.a-m-c.com/successes/industry_highlight/semiconductor/semi_wafer_probe.jpg

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TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Tecnología de Fabricación de CIs Montaje y empaquetado


Los chips que pasan los rigurosos test eléctricos son entonces cortados de la oblea mediante sierras especiales de diamante y montados en empaquetados metálicos o plásticos especiales denominados “módulos”. Estos módulos son de nuevo comprobados.     

Materiales del substrato. Montaje del chip sobre la estructura: leadframe Conexiones eléctricas. Tipos de empaquetado. Circuitos híbridos y placas de circuitos impresos.

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TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html


1. Crecimiento del lingote del semiconductor: oblea

jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

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TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo




2. Crecimiento del lingote del semiconductor: oblea

jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

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TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo




3. Crecimiento de una capa nativa de Si02 para la posterior aplicación de máscaras litográficas (para la realización del dopaje de la región p en una zona selectiva del material)

jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

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TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo 4. Se aplica sobre la superficie del óxido un material denominado “resina”.




Su aplicación servirá para aplicar un proceso fotolitográfico en el que se abrirá una “ventana” en el semiconductor a través de la cuál se realizará la posterior difusión de la región p. Seguidamente, tiene lugar un calentamiento de la oblea de modo que la resina se solidifica.

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TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo 5. Posteriormente se aplica el proceso fotolitográfico (se proyecta luz ultravioleta, UV, a través de una máscara).




La luz UV endurece la región de resina expuesta a ella. Las regiones cubiertas por la máscara se eliminan mediante grabado químico. UV light

mask

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3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo




6. Se realiza el grabado o eliminación de la resina fotoreactiva mediante la aplicación de un ácido.

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TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo




7. A través de la ventana abierta mediante el proceso fotolitográfico tiene lugar la difusión o la implantación iónica de impurezas (para realizar el dopaje) de boro (impureza tipo p para el Silicio). De este modo se forma la región p de la unión pn.

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TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo




8. Se realiza la deposición del aluminio (mediante sputtering) para la realización del contacto a ambos lados de la oblea.

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TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo 9. Se realiza un nuevo paso fotolitográfico (no se muestra) utilizando de nuevo una resina para modificar la forma del aluminio y obtener la forma de la metalización final.






Finalmente se lleva a cabo la pasivación de la superficie que proporciona protección mecánica y eléctrica.

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TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS

Fabricación de un diodo 10. Los chips finales en la oblea tienen el aspecto que muestran las figuras (visión transversal a la izquierda y visión superior a la derecha).




Posteriormente cada uno de ellos se separa de la oblea (se corta) y se miden sus propiedades eléctricas (caracterización).

jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

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TEMA 3. AMPLIFICADORES




3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

Adaptadores o acondicionadores de señal 

Convierten una señal (eléctrica o no) en una señal eléctrica de características especiales

Amplificadores: necesarios para procesar o presentar las señales con la instrumentación estándar (osciloscopios, ordenadores, etc.)

+Vcc

vi

A

v0=Avi

D. Pardo, et al. 1999










Adaptación del rango

Esquema general de un amplificador de ganancia en tensión A

Las señales pueden tener ruido (asociado por ejemplo a la red eléctrica: 50 Hz) que puede eliminarse utilizando: FILTROS o INTEGRANDO la señal Conversores A/D, D/A, etc.

La mayoría de estos circuitos están basados en : Amplificador Operacional

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TEMA 3. AMPLIFICADORES


3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

Características del AO Ideal/Real Amplificador: circuito que a la salida proporciona más potencia de la que toma de la señal entrada  El Amplificador Operacional Ideal/Real: +Vcc 

v0 = A (v1 − v2 ) = A vi

v1

A

v0=Avi

Se representa como un triángulo vi
Entrada diferencial y salida simple
Ganancia en tensión infinita: v2 5 10 -Vcc G= ∞ v1=v2 (10 -10 ) D. Pardo, et al. 1999
Desde el punto de vista de impedancias:  Impedancia de entrada infinita: (Rin = ∞) : 1 MΩ-100 MΩ  toma poca corriente  Impedancia de salida nula: (Rout=0): 10-50Ω  proporciona mucha corriente a la salida


Sus características no dependen de la frecuencia o la temperatura
En él no se produce ni distorsión ni ruido


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26

TEMA 3. AMPLIFICADORES


3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

El Amplificador Operacional Real El más utilizado es el µA 741  Viene en una gran variedad de empaquetados, la mas usual es la de 8 pins duales en línea:
Pin nº 4: - Vcc = -10 Voltios y Pin nº 7 + Vcc = +10 V de alimentación continua
Pin nº 2: Entrada inversora, Pin nº 3: Entrada inversora
Pin nº 6: Salida del AO 

J. Turner, et al. 1999

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TEMA 3. AMPLIFICADORES


3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

Estructura del Amplificador Operacional Real D. Pardo, et al. 1999

VCC

12

9

8

13 14

vi1

15

vi2 1

2

vo

18 3

R5

4

21

40K

39K

20 23

VCC

7

22Ω

R7

R10

VCC

22Ω

R6

19

CC

16 5 11

10

6 17

50K

22

R8 R4 5K

1K R1

1K R2

24

R9

50K

50K

100Ω -VEE

Ajuste externo de offset

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28

TEMA 3. AMPLIFICADORES


3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

El Amplificador Operacional Real:   

El diseño de un AO real está encaminado a que sus propiedades se aproximen a las del ideal Los límites de amplificación vienen dados por la alimentación dc: Vcc Constitución interna genérica (en bloques) de un amplificador operacional real y sus características de transferencia D. Pardo, et al. 1999

Entrada no inversora

v1 v2

Etapas de amplificación

Etapa diferencial

Salida Etapa de salida

Entrada inversora

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29

TEMA 3. AMPLIFICADORES
Generalmente,

3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

el AO se utiliza bajo realimentación: REALIMENTACION NEGATIVA

D. Pardo, et al. 1999

Entrada

Entrada

vi

Amplificador

vi

Salida

A

Amplificador

v

Salida

A

v0

vr

v0

Bloque de realimentación

β

v0 = A vi

v0 = A v v = vi − vr vr = β v0




v0 =

A vi 1 + βA

v0 =

1

β

vi

A es la ganancia en lazo abierto

Como la ganancia A del AO es muy elevada: la salida no depende de la ganancia A sino que sólo depende de la β de la red de realimentación 

La ganancia en lazo cerrado:

v0 1 = vi β María Jesús Martín Martínez : [email protected]

30

TEMA 3. AMPLIFICADORES

3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

Reglas que han de cumplirse en prácticamente todos los circuitos de AO “ideales” con realimentación externa:




Regla

nº 1= Dado que la ganancia G= ∞

los dos terminales de entrada 



asumir que no hay diferencia de voltaje entre

v1 = v 2

El AO ajusta v0 de modo que la realimentación sea capaz de hacer que (v1-v2) sea lo más próxima a cero. En caso contrario la salida v0 tomaría el valor de saturación: +VCC o - VCC

R1
Regla

vx

nº 2= Debe asumirse que la

i1

impedancia de entrada Rin= ∞ No entra corriente a ninguna de las dos entradas del operacional:

R2

i1 = 0 i2 = 0

v1 v2

vy

v0

i2 R1

R2

D. Pardo, et al. 1999

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

31

TEMA 3. AMPLIFICADORES



3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

Ejemplo nº 1: Circuito Amplificador NO INVERSOR


Aplicando las reglas 

v1 = v 2

i1 = 0

vi



Podemos plantear

De donde, obtenemos la ganancia:

R1 v0 R = 1+ 2 vi R1




Se plantea:

vi − 0 0 − v0 = R1 R2

Obtenemos la ganancia:

R2

v0 R =− 2 vi R1

Montar en el Laboratorio

Ejemplo nº 2: Circuito Amplificador INVERSOR


v0

i2 = 0

0 − vi vi − v0 = R1 R2 

D. Pardo, et al. 1999

R1

R2

D. Pardo, et al. 1999

vi v0 R =− 2 vi R1

v0

Si elegimos R1=R2 (es sólo INVERSOR: ganancia = - 1) Montar en el Laboratorio María Jesús Martín Martínez : [email protected]

32

TEMA 3. AMPLIFICADORES



3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

Ejemplo nº 3: Circuito SUMADOR

RF R1


Podemos

plantear:

v1

v1 v2 v v + + ... + n =− 0 R1 R2 Rn RF

R2 v2

v0 R = 1+ 2 vi R1

De donde

v v  v − RF  1 + 2 + . . . + n  = v0 Rn   R1 R2

v0

Rn vn

La salida es (con signo menos) la suma ponderada de todas las entradas (cada entrada va ponderada por su resistencia)

D. Pardo, et al. 1999





Si

se verifica que

R1 = R2 = ..... = Rn = R

v0 = −(v1 + v2 + .... + vn )

RF = R María Jesús Martín Martínez : [email protected]

33

TEMA 3. AMPLIFICADORES



3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

Ejemplo nº 4: Circuito RESTADOR R1
Podemos

plantear:

v1 − v − v − − v0 = R1 R2

v2 − v + v + = R1 R2

R2

v1

i1

vv+

v2 +

−

v1 v0 v2 + = R1 R2 R1




Como se cumple:




Este circuito es restador de dos señales

v =v

v0 =

v0

i2 R1

R2

D. Pardo, et al. 1999

R2 ( vx − v y ) R1

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34

TEMA 3. AMPLIFICADORES



3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

Ejemplo nº 5: Circuito con DIODO

R


Podemos plantear:

iR =

vi − 0 R1

iD = I 0 e

iD

vi

0 − v0 VT

v0 D. Pardo, et al. 1999

De donde




vi = I 0 e −v0 / VT R1

 v  ln i  = −v0 / VT  R I0   

Este circuito nos da en la salida una señal proporcional al logaritmo de la entrada.

 vi   v0 = − VT ln R I  0  

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35

TEMA 3. AMPLIFICADORES 

3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

Ejemplo nº 6: Circuito INTEGRADOR: circuito es idéntico al Amplificador Inversor en el que la resistencia R2 ha sido sustituida por un condensador

R


Este




Podemos plantear

C

vi

ic

i

vi − 0 =i R

v0


Teniendo

en cuenta que en un condensador la corriente que lo atraviesa y la diferencia de potencial entre sus terminales cumplen:

dQ dQ dvc dv ic = = =C c dt dvc dt dt



Obtenemos, para este caso concreto:


Igualando

d (0 − v0 ) vi C = dt R

D. Pardo, et al. 1999

Montar en el Laboratorio

ic = C

d (0 − v0 ) dt

v0 = −

1 v i dt + C ∫ RC

La señal a la salida, v0, es la integral de la entrada vi y ademá además está está invertida (signo - ) María Jesús Martín Martínez : [email protected]

36

TEMA 3. AMPLIFICADORES 

3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

Ejemplo nº 7: Circuito DIFERENCIADOR: ic


Este

circuito es idéntico al Amplificador Inversor en el que la resistencia R1 ha sido sustituida por un condensador







Podemos plantear




vi

R i

0 − v0 =i R

Igual que en el caso anterior:



C

v0 ic = C

Obtenemos, para este caso concreto:

dvc dt

ic = C

D. Pardo, et al. 1999

d (vi − 0) dt

Montar en el Laboratorio

De donde

C

d (vi − 0) v =− 0 dt R

v0 = − R C

dvi dt

La señal a la salida, v0, es la derivada de la entrada vi y ademá además está está invertida (signo - )

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

37

TEMA 3. AMPLIFICADORES


3.7. OSCILADORES

Generadores de funciones: 

Fuentes de señal calibrada y estable.

Para transmitir, recibir o procesar información: necesitamos de señales eléctricas de formas y frecuencias prefijadas.





E. Mandado, et al. 1995

Generadores de señales temporales:








Senoidales: sus parámetros son :  Frecuencia  Amplitud de oscilación

E. Mandado, et al. 1995

Rectangulares: adoptan dos valores de tensión diferentes  Ondas cuadradas : t1= t2  Impulsos de ondas rectangulares

E. Mandado, et al. 1995

Triangulares: pueden ser simétricas  Simétricas: pendiente ascendente = descendente  No simétricas…diente de sierra María Jesús Martín Martínez : [email protected]

38

TEMA 3. AMPLIFICADORES


3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)

AO se utiliza bajo : REALIMENTACION POSITIVA

D. Pardo, et al. 1999

Entrada

Entrada

vi

Amplificador

A

Salida

v0

Amplificador

vi

Salida

A

v

v0

vr Bloque de realimentación

β

v0 = A v v0 = A vi

v = vi + vr

v0 = A (vi + β v0 )

vr = β v0 v0 =

A vi 1 − βA

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

39

TEMA 3. AMPLIFICADORES


En

3.7. OSCILADORES

el amplificador con realimentación positiva se cumple:

A v0 = vi 1 − βA

Entrada

vi vr




β D. Pardo, et al. 1999

β A =1

Si conseguimos Iguales en módulo Fases diferentes

v0

Bloque de realimentación

Osciladores lineal: circuito electrónico cuya función es producir una onda de salida senoidal sin aplicar excitación de entrada:




A

v






Salida

Amplificador

β A =1

∠β A = 0 º D. Pardo, et al. 1999

La ganancia tiende a infinito  Podríamos eliminar vS y la señal de salida se mantendría sin entrada

A m plificador



A

vr

v0 = A vr

Salida

v0

B loque de realim entación

vr = β v0

β

Únicamente habrá una frecuencia en la que aparecerá una señal donde se cumplen las condiciones anteriores. 




Condición de oscilación María Jesús Martín Martínez : [email protected]

40

TEMA 3. AMPLIFICADORES


3.7. OSCILADORES

Oscilador de puente de Wien: genera señal senoidal Un circuito oscilante que utiliza un puente equilibrado como red de realimentación 

3

Z1 C

R1

R



Elemento activo

Ampl. Operacional

1

2

Ganancia muy elevada: GV Resistencia de salida: R0 =0 Resistencia de entrada Ri = ∞

vi

R

A

v0

R2

Z2

C 4 D. Pardo, et al. 1999



Para encontrar la ganancia del lazo:



β A

Se rompe el lazo de realimentación en el punto 3 Se aplica una tensión externa V’0 entre terminales 3 y 4

v0 = Avi

v0 vi β A= ' = ' A v0 v0

vi = v + − v −

vi v + − v − β = ' = v0 v0'

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

41

TEMA 3. AMPLIFICADORES




3.7. OSCILADORES

Oscilador de puente de Wien: genera señal senoidal (continuación)

(

v0 = A v + − v −

)

3 C

R + R2 v0 = v − 1 R2 v0 = v +

Z1 + Z 2 Z2

R1

Z1

1

R

ω RC − j Z1 = ωC

Z2 =

R2

2

R (1 − jω RC ) 1 + ω 2R 2 C 2

vi

v0

A

R

Z2 C 4

D. Pardo, et al. 1999



Igualando la fase de Z1 y Z2 (arctg:Im/Re) se obtiene la frecuencia

Para

ω0=1/RC

esa frecuencia además se cumple: Z1 = R (1 − j ) R Z 2 = (1 − j ) 2

R1 + R2 Z1 + Z 2 = =3 R2 Z2

R1 = 2R2

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

42

TEMA 3. AMPLIFICADORES


3.7. OSCILADORES

Oscilador de puente de Wien: genera señal senoidal (continuación II) 3


Circuito a montar en el laboratorio

C

R1

Z1

1

R R2

2




Utilizar los siguientes valores

vi

v0

A

R

Z2 C 4

D. Pardo, et al. 1999



R= 5.6 KΩ



C= 10 nF



R1= 10 KΩ



R2= 5 KΩ

ω0=1/RC

ω0=2 π f0

f0=2842 Hz

Oscilación

R1 = 2R2

10 kΩ 10 KΩ

Utilizar un potenciómetro o resistencia variable María Jesús Martín Martínez : [email protected]

43

TEMA 3. AMPLIFICADORES


3.7. OSCILADORES

Oscilador de puente de Wien: genera señal senoidal (continuación III) R2 muy baja: disminuye v-

3 C

V Realimentación positiva: O OSCILA

VCC t

R2

2

vi

v0

G

R C

T

4

D. Pardo, et al. 1999

Oscilación R2 =R1/2

R2 muy elevada: aumenta v-

f0=2842 Hz

V

V VCC t -VCC

1

R

Z2

-VCC

R1

Z1

T

Realimentación negativa: el circuito oscila con v0 en saturación

VCC t -VCC

T

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

44

TEMA 3. AMPLIFICADORES


3.7. OSCILADORES

Circuito generador de onda cuadrada

I La realimentación positiva siempre sigue a la salida: v+=β β v0



β=

R2 R1 + R2

En la salida el AO da los valores de saturación: +VCC, -VCC

R



vi C

Si v0=+VCC v+= β VCC La corriente I tiende a cargar el condensador C 

Si v0=-VCC v+= - β VCC La corriente I tiende a descargar el condensador C

v0

G

R1 R2

D. Pardo, et al. 1999



Dependiendo de la carga y descarga del condensador C: la corriente I circula en uno u otro sentido  se genera una onda cuadrada



María Jesús Martín Martínez : [email protected]

45

TEMA 3. AMPLIFICADORES




3.7. OSCILADORES

Circuito generador de onda cuadrada (continuación ) V0

I

VCC t -VCC

β=

R

R2 1 = R1 + R2 2

T

vi

v0

G

R1

C

v+ R2

β VCC

t

-β VCC

β VCC

En

vt

el laboratorio
R1=R2=10KΩ
R= 10 K
C= 10 nF  El periodo de la oscilación:

-β VCC

T=0.22 ms

D. Pardo, et al. 1999

 R  T = 2 RC ln1 + 2 2  R1   f0=4550 Hz

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

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TEMA 3. AMPLIFICADORES




Agradecimientos  Daniel Pardo Collantes. Departamento de Física Aplicada. Universidad de Salamanca.




Figuras cortesía de:  Pardo Collantes, Daniel; Bailón Vega, Luís A., Elementos de Electrónica. Universidad de Valladolid. Secretariado de Publicaciones e Intercambio Editorial.1999.  E. Mandado, P. Mariño y A. Lago, Instrumentación Electrónica. Marcombo. 1995.  Microelectronic Circuits - Fifth Edition Sedra/Smith. Copyright  2004 by Oxford University Press, Inc.         

J. Turner, M. Hill. “Instrumentation for Engineers and Scientists”. Oxford University Press.1999. http://www.semiconductor-technology.com/projects/philips/images/image_3.jpg http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg http://www.plyojump.com/classes/images/hardware/wafer_dicing.jpg http://www.profesormolina.com.ar/electronica/componentes/int/sist_digit/image020.jpg http://www.nist.gov/public_affairs/images/ChipScaleClock2_HR.jpg Paul, D. J. (1999), Silicon-Germanium Strained Layer Materials in Microelectronics. Advanced Materials, 11: 191–204

María Jesús Martín Martínez : [email protected]

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