1María Jesús Martín Martínez : [email protected]
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES
IEEE 125 Aniversary: http://www.flickr.com/photos/ieee125/with/2809342254/
http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg
2María Jesús Martín Martínez : [email protected]
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES
1.1. IntroducciIntroduccióónn
2.2. AmplificadoresAmplificadores..
3. Amplificadores bAmplificadores báásicos con sicos con BJT.BJT.
4.4. Amplificadores bAmplificadores báásicos con MOSFET.sicos con MOSFET.
5.5. Circuitos integrados (TecnologCircuitos integrados (Tecnologíía).a).
6.6. Amplificador Operacional (AO).Amplificador Operacional (AO).
7.7. Osciladores.Osciladores.
8.8. Problemas propuestos.Problemas propuestos.
3María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.1. INTRODUCCI3.1. INTRODUCCIÓÓNN
http://www.profesormolina.com.ar/electronica/componentes/int/sist_digit/image020.jpg
4María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Los circuitos electrónicos están diseñados para una operación dinámica (con corrientes y tensiones en alterna):
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.1. INTRODUCCI3.1. INTRODUCCIÓÓNN
Circuito equivalente de pequeña señal:
B
)(tvi
BR CR
πrci
−
+
bev
bi
bF i⋅β
E
C
BR
CR
CCV
BBV
)(tvi
)(tVBE
)(tVCE
)(tIC
)(tIB
BC
E
Para realizar el estudio el transistor o el circuito electrónico se sustituye por un modelo circuital (Modelo equivalente de pequeña señal)
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.
PARA DISTINGUIR SEÑALES ac y dc convenio:
Señales DC: Símbolo y subíndice en MAYUSCULA
Señales AC: Símbolo y subíndice en minúscula
Valor total de la señal (ac + dc): Símbolo minúscula y subíndice en mayúscula.
BI
bBB iIi +=
bi
Hoy en día los circuitos equivalentes son muy complejos, y requieren de herramientas como SPICE (Simulated Program with Integrated Circuits Emphasis).
Sedra/Smith 2004
5María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Antes de proceder al estudio de amplificadores concretos, vamos a estudiar con carácter general, lo que entendemos por amplificador y sus diferentes tipos.
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.2. AMPLIFICADORES3.2. AMPLIFICADORES
iI iKi =0
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
(siendo KI la ganancia en corriente del amplificador)
Ejemplo BJT
Amplificador de transresistencia ideal (b)(Fuente de tensión controlada por corriente).
La condición de transferencia es
(siendo KR la transresistencia del amplificador)
iR iKv =0
D. Pardo, et al. 1999
D. Pardo, et al. 1999
6María Jesús Martín Martínez : [email protected]
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.2. AMPLIFICADORES3.2. AMPLIFICADORES
iV vKv =0
Amplificador de tensión ideal: (c)(Fuente de tensión controlada por tensión).
La condición de transferencia es
(siendo KV la ganancia en tensión del amplificador)
Amplificador de transconductancia ideal (d)(Fuente de corriente controlada por tensión).
La condición de transferencia es
(siendo KG la transconductancia del amplificador)
Ejemplo MOSFET
iG vKi =0
D. Pardo, et al. 1999
D. Pardo, et al. 1999
7María Jesús Martín Martínez : [email protected]
BJT en emisor común
BJT en colector común BJT en base común
BJT en emisor común con resistencia de emisor
3 .Amplificadores básicos con BJTs
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
4 .Amplificadores básicos con MOSFETs
MOSFET en fuente común
MOSFET en fuente común con carga de realce
8María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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 secuenciade muchas etapas (entre 3 y 20) de procesos tecnológicos:
Crecimiento del lingote Oxidación Difusión y/o implantación de impurezas Litografía Metalización
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES
5 .Tecnología de Fabricación de CIs
3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Todos estos pasos se realizan simultáneamente para un gran número (cientos o miles) de circuitos en la misma oblea de semiconductor.
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
http://www.nist.gov/public_affairs/images/ChipScaleClock2_HR.jpg
9María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Tecnología de Fabricación de CIs
http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom
http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom
http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom
10María Jesús Martín Martínez : [email protected]
P r o c e s o s d e f a b r i c a c i ó n d e u n c h i p
S ec c ió n t r an s v ers a l d e u n H B T d e IB M en u n p ro c es o B iC M O S
La estructura de un ch ip es com ple ja (en su superfic ie y en su com posic ión in te rna trid im ensiona l).
E l ch ip se fabrica m ed iante m uchas capas, c ad a u n a d e las c u á les es d is eñ ad a d e m an era d eta l lad a. Por e jem plo :
P odem os crecer una capa fina de S i02 (m ateria l a is lan te) en la superficie de la ob lea .
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Tecnología de Fabricación de CIs
Paul, D. J. (1999), Silicon-Germanium Strained Layer Materials in Microelectronics. Advanced Materials, 11: 191–204
11María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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 grabadopara prepararlo para el siguiente paso en el proceso.
Grabado y litografía
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Tecnología de Fabricación de CIs
http://www.semiconductor-technology.com/projects/philips/images/image_3.jpg
12María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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)
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.
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Tecnología de Fabricación de CIs
13María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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.
Pruebas de test
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Tecnología de Fabricación de CIs
http://www.a-m-c.com/successes/industry_highlight/semiconductor/semi_wafer_probe.jpg
http://www.plyojump.com/classes/images/hardware/wafer_dicing.jpg
14María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Los chips que pasan los rigurosos test eléctricos son entonces cortados de la oblea mediante sierras especiales de diamante y montados en empaquetadosmetálicos 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.
Montaje y empaquetado
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Tecnología de Fabricación de CIs
15María Jesús Martín Martínez : [email protected]
1. Crecimiento del lingote del semiconductor: oblea
http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Fabricación de un diodo
jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html
16María Jesús Martín Martínez : [email protected]
2. Crecimiento del lingote del semiconductor: oblea
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Fabricación de un diodo
jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html
17María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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)
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Fabricación de un diodo
jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html
18María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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.
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Fabricación de un diodo
jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html
19María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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.
mask
UV light
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Fabricación de un diodo
jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html
20María Jesús Martín Martínez : [email protected]
6. Se realiza el grabado o eliminación de la resina fotoreactiva mediante la aplicación de un ácido.
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Fabricación de un diodo
jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html
21María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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 p-n.
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Fabricación de un diodo
jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html
22María Jesús Martín Martínez : [email protected]
8. Se realiza la deposición del aluminio (mediante sputtering) para la realización del contacto a ambos lados de la oblea.
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Fabricación de un diodo
jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html
23María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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.
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Fabricación de un diodo
jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html
24María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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).
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS3.5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Fabricación de un diodo
jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html
25María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Adaptadores o acondicionadores de señal
Convierten una señal (eléctrica o no) en una señal eléctrica de características especiales
Amplificadores: necesarios paraprocesar o presentar las señales
con la instrumentación estándar (osciloscopios, ordenadores, etc.)
Adaptación del rango
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
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)
A v0=Avi
vi
+Vcc
Esquema general de un amplificador
de ganancia en tensión A
D. Pardo, et al. 1999
26María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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:
Se representa como un triángulo
Entrada diferencial y salida simple
Ganancia en tensión infinita:
G= ∞∞∞∞ v1=v2 (105-1010)
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
A v0=Avi
vi
v1
v2
+Vcc
-Vcc
ivAvvAv =−= )( 210
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)
D. Pardo, et al. 1999
27María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)
J. Turner, et al. 1999
28María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Estructura del Amplificador Operacional Real
VCC
VCC
VCC
-VEE
12 9 138
14
19
18
15
21
23
20
2224
1 2
34
5
7
6
1011
16
17
R5
R4
R1 R2
R8 R9
R10
39K
5K
1K 1K
50K
vi1 vi2CC
50K 100Ω 50K
40K
R6
R7
22Ω
22Ω
Ajuste externo de offset
vo
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)
D. Pardo, et al. 1999
29María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Entrada
inversora
Entrada no
inversora
v1
v2
Salida
Etapas de
amplificación
Etapa de salidaEtapa diferencial
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
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)
D. Pardo, et al. 1999
30María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Generalmente, el AO se utiliza bajo realimentación: REALIMENTACION NEGATIVA
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 ββββ de la red de realimentación
La ganancia en lazo cerrado:
Amplificador
A
Entrada
vi v0
Salida
Amplificador
A
Bloque de
realimentación
β
Entrada
vi v vr
v0
Salida
ivAv =0
0
0
vv
vvv
vAv
r
ri
β=
−=
=
ivA
Av
β+=1
0 ivvβ
10 =
β
10 =iv
v
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)
D. Pardo, et al. 1999
31María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Reglas que han de cumplirse en prácticamente todos los circuitos de AO “ideales” con realimentación externa:
Regla nº 1= Dado que la ganancia G= ∞∞∞∞ asumir que no hay diferencia de voltaje entre los dos terminales de entrada
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
Regla nº 2= Debe asumirse que la
impedancia de entrada Rin= ∞∞∞∞
No entra corriente a ninguna delas dos entradas del operacional:
21 vv =
v2
vx
v0
R1 R2
vy
R1 R2
v1 i1
i2 0
0
2
1
=
=
i
i
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)
D. Pardo, et al. 1999
32María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Ejemplo nº 1: Circuito Amplificador NO INVERSOR
Aplicando las reglas
Podemos plantear
De donde, obtenemos la ganancia: 1
20
R
R
v
v
i
−=
21 vv =0
0
2
1
=
=
i
i vi v0
R1 R2
1
20 1R
R
v
v
i
+=Montar en el Laboratorio
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)
Ejemplo nº 2: Circuito Amplificador INVERSOR
Se plantea:
Obtenemos la ganancia:
Si elegimos R1=R2 (es sólo INVERSOR: ganancia = - 1)
vi
v0
R1 R2
Montar en el Laboratorio
2
0
1
0
R
vv
R
v ii −=
−
2
0
1
00
R
v
R
vi −=
−
1
20
R
R
v
v
i
−=
D. Pardo, et al. 1999
D. Pardo, et al. 1999
33María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Ejemplo nº 3: Circuito SUMADOR
Podemos plantear:
De donde
La salida es (con signo menos) la suma ponderada de todas las entradas (cada entrada va ponderada por su resistencia)
Si se verifica que
1
20 1R
R
v
v
i
+=
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)
v0
RF
v1
R1
v2
R2
vn Rn
Fn
n
R
v
R
v
R
v
R
v 0
2
2
1
1 ... −=+++
RRRR n ==== .....21
0
2
2
1
1 ... vR
v
R
v
R
vR
n
nF =
+++−
RRF =
( )nvvvv +++−= ....210
D. Pardo, et al. 1999
34María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Ejemplo nº 4: Circuito RESTADOR
Podemos plantear:
Como se cumple:
Este circuito es restador de dos señales
21
2
R
v
R
vv ++
=−
v+
v1
v0
R 1 R 2
v2
R 1 R 2
v - i1
i2
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)
( )yx vvR
Rv −=
1
20
2
0
1
1
R
vv
R
vv −=
− −−
−+ = vv1
2
2
0
1
1
R
v
R
v
R
v=+
D. Pardo, et al. 1999
35María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Ejemplo nº 5: Circuito con DIODO
Podemos plantear:
De donde
Este circuito nos da en la salida una señal proporcional al logaritmo de la entrada.
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)
vi
v0
R iD
1
0
R
vi iR
−=
TV
v
D eIi
00
0
−
=
TVvi eIR
v /
0
1
0−=T
i VvIR
v/ln 0
0
−=
−=
0
0 lnIR
vVv iT
D. Pardo, et al. 1999
36María Jesús Martín Martínez : [email protected]
vi
v0
C ic
i
R
Ejemplo nº 6: Circuito INTEGRADOR:
Este circuito es idéntico al Amplificador Inversor en el que la resistencia R2 ha sido sustituida por un condensador
Podemos plantear
Teniendo en cuenta que en un condensador la corriente que lo atraviesa y la diferencia de potencial entre sus terminales cumplen:
Obtenemos, para este caso concreto:
Igualando
iR
vi =− 0
CdtvCR
v i +−= ∫1
0
La señal a la salida, a la salida, vvvv0000, es la integral de la entrada , es la integral de la entrada vvvviiii y y ademademáás ests estáá invertida (signo invertida (signo -- ))
Montar en el Laboratorio
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)
dt
dvC
dt
dv
dv
dQ
dt
dQi cc
c
c ===
dt
vdCic
)0( 0−=
R
v
dt
vdC i=
− )0( 0
D. Pardo, et al. 1999
37María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Ejemplo nº 7: Circuito DIFERENCIADOR:
Este circuito es idéntico al Amplificador Inversor en el que la resistencia R1 ha sido sustituida por un condensador
Podemos plantear
Igual que en el caso anterior:
Obtenemos, para este caso concreto:
De donde
iR
v=
− 00
dt
dvCRv i−=0
Montar en el Laboratorio
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)
dt
dvCi c
c =
dt
vdCi i
c
)0( −=
R
v
dt
vdC i 0)0(
−=−
vi
v0
R ic
C
i
La señal a la salida, a la salida, vvvv0000, es la derivada de la entrada , es la derivada de la entrada vvvviiii y y ademademáás ests estáá invertida (signo invertida (signo -- ))
D. Pardo, et al. 1999
38María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Generadores de funciones:
Fuentes de señal calibrada y estable.
Para transmitir, recibir o procesar información:necesitamos de señales eléctricas de formasy frecuencias prefijadas.
Generadores de señales temporales:
Senoidales: sus parámetros son : Frecuencia Amplitud de oscilación
Rectangulares: adoptan dos valores de tensión diferentes Ondas cuadradas : t1= t2 Impulsos de ondas rectangulares
Triangulares: pueden ser simétricas Simétricas: pendiente ascendente = descendente No simétricas…diente de sierra
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES
E. Mandado, et al. 1995
E. Mandado, et al. 1995
E. Mandado, et al. 1995
39María Jesús Martín Martínez : [email protected]
AO se utiliza bajo : REALIMENTACION POSITIVA
Amplificador
A
Entrada
vi v0
Salida
Amplificador
A
Bloque de
realimentación
β
Entrada
vi v vr
v0
Salida
ivAv =0
0
0
vv
vvv
vAv
r
ri
β=
+=
=
ivA
Av
β−=1
0
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)3.6. AMPLIF. OPERACIONAL (AO)
)( 00 vvAv i β+=
D. Pardo, et al. 1999
40María Jesús Martín Martínez : [email protected]
En el amplificador con realimentación positiva se cumple:
Osciladores lineal: circuito electrónico cuya función es producir una onda de salida senoidal sin aplicar excitación de entrada:
Si conseguimos Iguales en módulo Fases diferentes
La ganancia tiende a infinito Podríamos eliminar vS
y la señal de salida se mantendría sin entrada
Únicamente habrá una frecuencia en la que aparecerá una señal donde se cumplen las condiciones anteriores.
Condición de oscilación
ivA
Av
β−=1
0
Amplificador
A
Bloque de
realimentación β
vr v0
Salida
0
0
vv
vAv
r
r
β=
=
1=Aβ
1=Aβ
º0=∠ Aβ
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES
Amplificador
A
Bloque de
realimentación
β
Entrada
vi v vr
v0
Salida
D. Pardo, et al. 1999
D. Pardo, et al. 1999
41María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Oscilador de puente de Wien: genera señal senoidal
Un circuito oscilante que utiliza un puente
equilibrado como red de realimentación
Elemento activo Ampl. OperacionalGanancia muy elevada: GV
Resistencia de salida: R0 =0
Resistencia de entrada Ri = ∞
Para encontrar la ganancia del lazo:
Se rompe el lazo de realimentación en el punto 3
Se aplica una tensión externa V’0 entre terminales 3 y 4
A vi v0
Z1
Z2
2
3
1
4
R1
R2
R
R
C
C
Aβ
iAvv =0 Av
v
v
vA i
'
0
'
0
0 ==β'
0
'
0 v
vv
v
vi−+ −
==β
−+ −= vvvi
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES
D. Pardo, et al. 1999
42María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Igualando la fase de Z1 y Z2 (arctg:Im/Re) se obtiene la frecuencia
Para esa frecuencia además se cumple:
A vi
v0
Z1
Z2
2
3
1
4
R1
R2
R
C
R
C
Oscilador de puente de Wien: genera señal senoidal (continuación)
( )−+ −= vvAv0
2
210
Z
ZZvv
+= +
2
210
R
RRvv
+= −
C
jRCZ
ω
ω −=1
( )2222
1
1
CR
RCjRZ
ω
ω
+
−=
)( jRZ −= 11
( )jRZ −= 1
22
32
21
2
21 =+
=+
Z
ZZ
R
RR
21 2RR =
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES
ωωωω0=1/RC
D. Pardo, et al. 1999
43María Jesús Martín Martínez : [email protected]
A v i
v0
Z1
Z2
2
3
1
4
R1
R2
R
C
R
C
Oscilador de puente de Wien: genera señal senoidal (continuación II)
Circuito a montar en el laboratorio
Utilizar los siguientes valores
R= 5.6 KΩ
C= 10 nF
R1= 10 KΩ
R2= 5 KΩOscilación 21 2RR =
ω0=2 π f0ωωωω0=1/RC
f0=2842 Hz
Utilizar un potenciómetro o resistencia variable
10 KΩ
10 kΩ
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES
D. Pardo, et al. 1999
44María Jesús Martín Martínez : [email protected]
VCC
V
t
-VCC T
Realimentaciónnegativa:el circuito oscila con v0 en
saturación
VCC
V
t
-VCC T
Oscilador de puente de Wien: genera señal senoidal (continuación III)
R2 muy elevada: aumenta v-
R2 muy baja: disminuye v-
Gvi
v0
Z1
Z2
2
3
1
4
R1
R2
R
C
R
C
Realimentación
positiva:
O OSCILA
VCC
V
t
-VCC T
Oscilación R2 =R1/2
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES
f0=2842 Hz
D. Pardo, et al. 1999
45María Jesús Martín Martínez : [email protected]
Circuito generador de onda cuadrada
La realimentación positiva siempresigue a la salida: v+=ββββ v0
En la salida el AO da los valores de saturación: +VCC, -VCC
Si v0=+VCC v+= ββββ VCC
La corriente I tiende a cargar el condensador C
Si v0=-VCC v+= - ββββ VCC
La corriente I tiende a descargar el condensador C
Dependiendo de la carga y descarga del condensador C: la corriente I circula en uno u otro sentido se genera una onda cuadrada
Gvi
v0
R
C R1
R2
I
21
2
RR
R
+=β
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES
D. Pardo, et al. 1999
46María Jesús Martín Martínez : [email protected]
VCC
V0
t
-VCC T
ββββVCC
v+
t
-ββββVCC
ββββVCCv-
t
-ββββVCC
Gvi
v0
R
C R1
R2
I
Circuito generador de onda cuadrada (continuación )
+=
1
2212R
RRCT ln
f0=4550 Hz
2
1
21
2 =+
=RR
Rβ
En el laboratorio
R1=R2=10KΩ
R= 10 K
C= 10 nF El periodo de la oscilación:
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES 3.7. OSCILADORES3.7. OSCILADORES
T=0.22 ms
D. Pardo, et al. 1999
47María Jesús Martín Martínez : [email protected]
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 UniversityPress.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
TEMA 3. AMPLIFICADORESTEMA 3. AMPLIFICADORES
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