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AMPLIFICADOR OPERACIONAL


1. VALORES INICIALES

Diseñar un amplificador operacional con las siguientes características:

- Ve = 1mV
- Vo = 10V
- Rango de frecuencia 0 Hz a 10 KHz
-  < 1%

2. SELECCIÓN, TOPOLOGÍA DEL SISTEMA Y COMPONENTES

Teniendo en cuenta los datos iniciales, calculamos la tensión de ganancia necesaria para poder llegar a obtener la amplificación deseñal requerida.



A continuación calculamos el producto ganancia-ancho de banda.

GBW = A* f = 10000 * 10000 = 100 MHz

Los operacionales escogidos en la amplificación son de la casa Analog Devices; optamos por este fabricante porque nos facilitó más la consulta de los parámetros de los
operacionales que el resto de los fabricantes disponibles.

En primer lugar realizamos laamplificación con una etapa. El error introducido por las tolerancias de las resistencias era bastante aceptable pero el error de ganancia superaba el error máximo admisible: eligiendo un operacional válido, con la mayor ganancia diferencial, con un GBW adecuado y que nos sirviera para nuestra aplicación, por ejemplo el AD8051 (similar al AD8052) obtuvimos un error de
ganancia del 11,2 %. Por tanto laelección de una etapa la desechamos.

Pera solventar este problema probamos con dos etapas de amplificación en configuración no inversora. Teniendo en cuenta que los amplificadores con etapas inversoras amplifican más la tensión de offset que la señal decidimos no utilizar estos últimos.
Definimos entonces 2 etapas con ganancias sencillas, por ejemplo 1000 y 10.
En la primera etapanecesitábamos un a.o. cuyo GBW fuese de 10 MHz
y en la segunda de 100 MHz; así mismo la tensión de alimentación simétrica
será de 12V. Y por último la ganancia diferencial (Ad) la mayor posible con vistas a reducir el error de ganancia en la salida.

En base a estos datos comenzamos la búsqueda paramétrica. Entre todos los operacionales disponibles nos decidimos inicialmentepor el AD8671, para la primera etapa, y el AD813 para la segunda. El AD813 no nos sirvió porque es un operacional de transrresistencia, y solo son válidos los operacionales de tensión.
Volviendo a la búsqueda paramétrica encontramos para la segunda etapa el AD8051 que sería el definitivo. Finalmente el diseño de nuestro amplificador se representa a continuación:

Características de losoperacionales elegidos.

1º Etapa. AD8671 2º Etapa AD8051

Ad = 135 dB (en continua) Vos = 125 V
Ib = 40 nA
Ios = 40 nA
Vcc = 8 – 36 V
Rin = 3,5 G
SR = 4V/s


Todos estos parámetros están descritas en las hojas del fabricante (Analog Devices) como se indica en los siguientes enlaces:

Características del operacional AD8671 (ver pdf adjunto)
Características deloperacional AD8051 (ver pdf adjunto)

3.CÁLCULOS

Cálculo del error

El rango de frecuencias del amplificador es desde 0 – 10KHz, por ello, habrá que tener en cuenta las características estáticas y dinámicas a la hora de determinar el error y comprobar a su vez que no supere el 1% máximo permitido de las especificaciones.

3.1 Características estáticas

3.1.1 Error de ganancia

1ªEtapa

A la frecuencia máxima de trabajo, este operacional presenta una ganancia de 61 dB aproximadamente (consultar gráfica Open-Loop Gain vs Frequency del operacional)
Ad’ = 135 dB =


2ª Etapa

A la frecuencia máxima de trabajo, este operacional presenta una ganancia de 80 dB aproximadamente (consultar gráfica Open-Loop Gain vs Frequency del operacional)
Ad’’ = 80 dB =


Laganancia total se obtiene mediante el producto de ambas etapas:

AT = A’ * A’’ = 999,8222 * 9,990 = 9996,964

Error de ganancia, A:







3.1.2 Error de ganancia debido a la tolerancia de las resistencias

Los componentes resistivos normalizados utilizados en el amplificador, son de la casa USMICROWAVES, con una tolerancia del 0,1% .

Tabla de resistencias normalizadas (ver...