Tema 68 – Amplificación y adaptación de señales en los circuitos de control

0. INDICE

1. Introducción. ………………………………………………………………………………………………………………… 2

2. Amplificadores. …………………………………………………………………………………………………………….. 3

2.1. Clasificación de los amplificadores. ……………………………………………………………………………. 3

3. Amplificadores con transistores ………………………………………………………………………………………. 4

3.1. Distorsión en los amplificadores. ……………………………………………………………………………….. 6

3.2. Respuesta en frecuencia de los amplificadores. ………………………………………………………….. 7

3.2.1. Respuesta de un amplificador en baja frecuencia…………………………………………………… 7

3.2.2. Respuesta de un amplificador en alta frecuencia……………………………………………………. 8

3.3. Realimentación en los amplificadores. ……………………………………………………………………….. 9

3.4. El amplificador diferencial……………………………………………………………………………………….. 11

3.5. Amplificadores operacionales………………………………………………………………………………….. 12

3.5.1. El amplificador operacional básico. …………………………………………………………………….. 13

3.5.2. Aplicaciones como amplificador o adaptador de señales del amplificador operacional. 13

4 Filtros pasivos y activos ………………………………………………………………………………………………… 15

4.1 Definición y clasificación………………………………………………………………………………………….. 15

5 Conversor Analógico/Digital y Digital/Analógico ……………………………………………………………….. 16

5.1 Introducción …………………………………………………………………………………………………………… 16

5.2 Conversores Digitales/Analógicos (D/A)…………………………………………………………………….. 17

5.3 Conversores Analógicos/Digitales (A/D)…………………………………………………………………….. 17

6. Conclusiones ……………………………………………………………………………………………………………… 17

7. Bibliografía Básica ………………………………………………………………………………………………………. 18

1. INTRODUCCIÓN.

En este tema se describen los elementos de un sistema de control que realizan funciones de amplificación y adaptación de la señal de control. El diagrama de bloques de los componentes de un sistema de control con realimentación en general es el siguiente:

Este esquema es muy general, pero sirve para centrar la localización de los elementos que se describirán a lo largo del tema.El bloque representado como controlador, estará en general compuesto por los elementos necesarios para realizar la función de control, que consiste en obtener una señal de control a partir de la Señal de error detectada. Esta señal de control será aplicada sobre el sistema controlado para modificar su comportamiento de forma que presente una Señal de salida adecuada a la Señal de entrada (Señal de referencia).

Los elementos de los que puede estar compuesto el controlador son los siguientes:

El elemento corrector de error, es el encargado de modificar la señal de error que le proporciona el detector de error con el fin de que la acción de control sobre el sistema sea más eficaz y presente mejores características en cuanto a precisión, estabilidad y tiempo de respuesta y sobre oscilaciones.

El realizador de control, es el elemento que obtiene a partir de la señal de error que le llega, la señal de salida necesaria para que tras ser amplificada y adaptada se convierta en la señal de control del sistema. Su implementación depende de la técnica que se emplee para realizar el control, en general será un programa de ordenador que utiliza un método de control adecuado (control predictivo, adaptativo).

El amplificador tiene como finalidad amplificar la señal de control, de forma que alcance un nivel suficiente para accionar el elemento final de control, los más usados suelen ser el tipo: neumático, eléctrico y electrónico, amplificadores de transistores, reles, tiristores y triacs.

El elemento final de control, tiene como objetivo modificar la variable de entrada del sistema controlado.

Existen otros elementos que también pueden estar presentes en los circuitos de control y que realizan adaptación de la señal: conversores Analógicos/Digitales (A/D), Digitales/Analógicos (D/A) y filtros.

En el desarrollo de este tema se describirá y profundizará en los aspectos más importantes de los elementos más representativos y de más utilización en los circuitos de control: amplificadores, conversores A/D y D/A y filtros.

2. AMPLIFICADORES.

El concepto básico de amplificador se corresponde con el dispositivo que utilizando una fuente de potencia constante, genera una señal de salida proporcional a otra señal de entrada más débil e independiente de la fuente de potencia.

Los procedimientos de amplificación en función de la naturaleza de la señal a gobernar son muy variados: si la señal es eléctrica los amplificadores serán eléctricos, magnéticos o electrónicos según su magnitud, si es un fluido los dispositivos amplificadores serán neumáticos hidráulicos, etc. Los amplificadores más usados son los neumáticos, eléctricos y electrónicos.

Cualquier dispositivo que incorpore un amplificador requiere que la señal de entrada y/o salida de mando se transmita de forma correcta y sin distorsiones. La transmisión entre las distintas etapas necesita de un acoplamiento que garantice la fidelidad de la señal transmitida. Estos elementos ínter etapa se denominan adaptadores. Los más utilizados son los transformadores de ganancia unidad y las redes RC, RL y RLC.

2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS AMPLIFICADORES.

Existe una amplia variedad de amplificadores y aunque se realiza una clasificación general de todos ellos, se describirán en profundidad en el tema los tipos más representativos de amplificadores con transistores.

Los amplificadores se pueden clasificar según las características de la señal de error que amplifican en:

• Amplificadores de continua.

• Amplificadores de alterna.

También se pueden clasificar dependiendo de los elementos que los componen:

• Amplificadores de reles.

• Amplificadores magnéticos.

• Amplificadores con válvulas termoiónicas.

• Amplificadores con transistores (los más utilizados).

3. AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES

Los amplificadores con transistores son los más utilizados en la actualidad y también de los que más tipos hay. A continuación se muestra una clasificación atendiendo a multitud de factores, explicando brevemente cada uno de ellos:

Dependiendo del montaje:

• Montaje en emisor común: se le denomina emisor común porque en corriente alterna el emisor está a tierra por medio del condensador de emisor. El circuito se muestra en la siguiente figura. Si se le aplica a la base una señal senoidal, se producen variaciones en la corriente de base, que tiene como consecuencia unas variaciones mayores de la corriente de colector, que se manifiestan en una señal senoidal de mayor amplitud e igual frecuencia. Esta corriente senoidal de colector provoca en la resistencia de colector un voltaje de salida amplificado. El circuito obtiene su punto de reposo sobre la recta de carga lo más centrada y estable posible gracias a las polarización por resistencia de emisor. Las capacidades C1 y C2 permiten el paso de la corriente alterna e impiden el paso de la corriente continua, se denominan condensadores de desacoplo. Para corrientes alternas RE no tiene ninguna influencia y sólo afecta a la polarización de emisor en corriente continua.

• Montaje de colector común: La ganancia de tensión es próxima a la unidad y tiene unos valores de resistencia de entrada y salida contrarios a los del amplificador emisor común, por lo que su uso se limita a etapas de adaptación de impedancias.

• Montaje de base común: La ganancia de corriente es muy próxima a la unidad (≈0.98) y su resistencia de entrada es baja por lo que se puede utilizar exclusivamente en el acoplamiento de resistencias.

Dependiendo del nivel de tensión que han de amplificar:

• Amplificadores de tensión: amplifican señal débil, se les llama también preamplificadores.

• Amplificadores de potencia: amplificadores de señal fuerte. Son amplificadores de corriente (manejan tensión baja e intensidad alta).

Dependiendo del acoplamiento entre etapas:

• Acoplamiento RC.

• Acoplamiento LC.

• Acoplamiento por transformador.

• Acoplamiento directo.

Dependiendo de la frecuencia de la señal:

• Amplificadores de corriente continúa.

• Amplificadores de audiofrecuencia (20Hz-20KHz).

• Amplificadores de videofrecuencia (30Hz-15MHz).

• Amplificadores de radio frecuencia (20KHz- cientos de MHz).

Dependiendo de las características estáticas de funcionamiento (el punto Q):

• Amplificadores de clase A: Los transistores funcionan durante todo el periodo de la señal amplificada. El punto de trabajo está situado en la zona central de la recta de carga. Las etapas amplificadores clase A son las que producen menor distorsión, pero también con las que se obtienen el rendimiento más bajo.

• Amplificadores de clase B: Es necesario utilizar dos transistores, cada uno de los cuales funciona durante un semiciclo de la señal amplificada. El rendimiento es mayor que en un amplificador de clase A pero la distorsión también es mayor.

• Amplificadores de clase AB: Cada elemento amplificador funciona durante más de un semiperiodo, pero menos del periodo completo. El rendimiento y la distorsión de este tipo de etapas son mayores que en el de clase A pero menores que el de clase B.

• Amplificadores de clase C: Conducen durante un tiempo menor a un semiciclo de la señal.

Son etapas de gran rendimiento pero también con una enorme distorsión.

Dependiendo del valor de las impedancias de entrada y salida en relación con las impedancias de fuente y de carga:

• Amplificador de tensión (Av): Un amplificador de tensión ideal tiene una resistencia de entrada infinita Ri y una resistencia de salida nula R0. El factor de multiplicación o ganancia de tensión viene representado por Av y su valor está determinado por la relación V0/Vi para una resistencia de carga infinita. El amplificador dará una señal de salida proporcional a la de entrada y la ganancia es independiente del valor de las resistencias de carga y de fuente.

• Amplificador de corriente (AI): Un amplificador de corriente ideal deberá tener una resistencia de entrada nula Ri y una resistencia de salida R0 infinita.

Se define como un amplificador de corriente de salida proporcional a la corriente de la señal de entrada siendo 5 el factor de proporcionalidad independiente de las resistencias de fuente y de carga. El factor de amplificación

A ≈ I L

I I con resistencia de carga cero representa la amplificación en I cortocircuito o ganancia.

• Amplificadores de transconductancia (GM): El amplificador de transconductancia suministra una corriente de salida proporcional a la tensión de la señal independientemente de los valores de RS y RL. Este tipo de amplificador debe tener una resistencia de entrada infinita y una resistencia de salida también infinita.

• Amplificadores de transresistencia (RM): La tensión de salida V0 es proporcional a la corriente de la señal Ig independiente de las resistencias de fuente y de carga. En la práctica este tipo de amplificador tiene una impedancia de entrada pequeña y una de salida también pequeña.

Al margen de esta clasificación se encuentra como tipo característico de amplificador, el amplificador operacional, que posee características de varios de los tipos indicados, ya que es un amplificador de continua, de alta ganancia que funciona desde los cero Hz hasta 1MHz, y está compuesto normalmente por varias etapas de amplificadores acoplados.

3.1. DISTORSIÓN EN LOS AMPLIFICADORES.

Cuando la señal de salida de un amplificador no reproduce fielmente la señal de entrada se dice que el amplificador distorsiona. La distorsión es debida, fundamentalmente, a la falta de linealidad de las curvas características de los elementos (transistores, FETs) que los constituyen y por la existencia de capacidades parásitas. Los tipos de distorsión son: de amplitud o lineal, de frecuencia y de fase.

Distorsión de amplitud: Debido a la falta de linealidad de las características de los elementos amplificadores se produce una diferencia de amplitud de los dos semiciclos de la señal. Para evitarla hay que determinar correctamente el punto de trabajo del amplificador.

Distorsión de frecuencia: Este tipo de distorsión se produce cuando frecuencias diferentes son amplificadas de forma diferente. La ganancia de un amplificador es la misma para una franja de frecuencias comprendida entre dos límites denominados frecuencia de corte inferior y superior (f1 y f2). El margen comprendido entre dichos límites se llama ancho de banda (AB). Para señales no comprendidas dentro del AB la ganancia disminuye sensiblemente.

Distorsión de cambio de fase: La distorsión de fase se produce cuando la señal de salida se encuentra desfasada respecto a la de entrada. Existe un AB para el cual no se produce distorsión o la que se genera es de un valor bajo. Si la frecuencia es menor que f1 se adelanta la señal con respecto a la entrada, si la frecuencia es mayor que f2 se retrasa con respecto a la entrada.

3.2. RESPUESTA EN FRECUENCIA DE LOS AMPLIFICADORES.

Para una etapa amplificadora las características en frecuencia pueden dividirse en tres regiones:

• Frecuencias medias: la amplificación es casi constante. Es en el intervalo de frecuencias donde el amplificador debe funcionar.

• Frecuencias bajas: por debajo de las frecuencias medias el amplificador se puede considerar como un simple circuito paso alto. La respuesta aumenta con el crecimiento de la frecuencia, y la salida es aproximadamente nula para la continua (f=0).

• Frecuencias altas: por encima de las medias frecuencias el circuito se asemeja normalmente a un circuito simple paso bajo, y la respuesta disminuye con el incremento de las frecuencias.

3.2.1. RESPUESTA DE UN AMPLIFICADOR EN BAJA FRECUENCIA.

Teniendo en cuenta el siguiente circuito y sabiendo que:

V0 = R1 I

I = R1Vi

1 + R

s=jw

jwC1

De las ecuaciones anteriores podemos deducir la función de transferencia de tensión a bajas frecuencias:

V0 (s ) =

Vi (s )

S

S + 1

R1C1

Podemos observar que tiene un cero en S=0 y un polo en

S = − 1 R1C1

. Sabiendo que s=jw=j2Πf

V0 ( f )

Vi ( f )

= 1

1 − j f L

f

siendo

f L =

1

2πR1C1

El módulo y fase de la función de transferencia:

7 AL ( j ) = 1 2 ⎛ f ⎞ f L θ L = −arctg f 1 + ⎜ L ⎟ ⎝ f ⎠

Para

f = f L

AL ( j ) = 1 = 0.707

2

A la frecuencia

f = f L

AL ( j ) = 0.707 , mientras que en la región de frecuencias medias

f > f L

AL ( j )

tiende a la unidad. Por lo tanto, fL es la frecuencia a la que la ganancia disminuye a 0.707  veces su valor en frecuencias medias A0. Esta caída de nivel corresponde a una reducción en ⎛ decibelios de 20 log⎜ 1 ⎞

⎟ = 3dβ . Esta frecuencia se define como la frecuencia de corte inferior de

⎝ 2 ⎠

1

3dB y fL es la frecuencia a la que la resistencia de R1 se iguala a la reactancia capacitiva 2πC1

3.2.2. RESPUESTA DE UN AMPLIFICADOR EN ALTA FRECUENCIA.

En las zonas de altas frecuencias, por encima de la mitad de la banda, la etapa amplificadora puede aproximarse muchas veces a un circuito simple paso bajo. Teniendo en cuenta el siguiente circuito y sabiendo que:

V = Vi 1

s=jw

0 1

R2 +

jwC2

iwC2

De las ecuaciones anteriores podemos deducir la función de transferencia de tensión a alta frecuencia:

V0 (s ) =

Vi (s)

1

SR2 C2 + 1

SC2

Podemos observar que tiene un polo en

V0 ( f )

S = −

1

1

R1C1

.Sabiendo que s=jw=j2Πf

1

Vi ( f )

=

1 + j f

f H

siendo

f H =

2πR2 C2

El módulo y fase de la función de transferencia:

G8

A ( j ) = 1

θ = −arctg f

H 2 H

⎛ f ⎞ H

1 + ⎜ ⎟

⎝ f H ⎠

Para

f = f L

AH ( j ) =

1 = 0.707 . A la frecuencia

2

f = f H

AH ( j )

se reduce a 0.707 veces su valor en frecuencias medias, fH se denomina frecuencia de corte superior de 3 dB. Este valor 1 represente la frecuencia en la que la resistencia R2 se iguala a la reactancia capacitiva y θ L representan el ángulo de adelanto de la salida respecto a la entrada.

2πC2

. θ H

La figura representa la dependencia de las ganancias con respecto a las frecuencias en los márgenes de alta y baja frecuencia. Estas características se denominan curvas de bode.

3.3. REALIMENTACIÓN EN LOS AMPLIFICADORES.

La realimentación consiste en tomar una muestra de tensión o corriente de la salida y aplicarla a la entrada en oposición de fase con la señal propia del generador. En estas condiciones cuando la señal de salida tiende a incrementarse, la realimentación actúa, disminuyendo la señal de entrada, y en consecuencia contrarrestando ese intento de incremento de la salida. Por este motivo recibe el nombre de realimentación negativa. La realimentación además mejora la respuesta en frecuencia, la distorsión y el valor de las resistencias de entrada y salida del amplificador. Sin embargo presenta dos inconvenientes básicos. En primer lugar, la ganancia del amplificador disminuye en la misma proporción con el aumento de los beneficios anteriores. Este problema se resuelve incrementando el número de etapas amplificadoras para compensar esa pérdida de ganancia con el consiguiente aumento del coste. El segundo problema está asociado con la tendencia a la oscilación de la realimentación lo que exige cuidadosos diseños de estos circuitos.

La siguiente figura muestra el diagrama de bloques constituido por un amplificador básico, una red de realimentación y un circuito mezclador o comparador.

La señal de entrada al amplificador, tal y como vemos en la figura, será la diferencia entre la señal de entrada y la señal del circuito de realimentación, es decir:

X = X ‘ − X

La ganancia del amplificador sin realimentación es:

A = X 2 por tanto

X 1

X 2 = AX 1

X = A(X ‘ − X

) = A(X ‘ − BX

) = AX ‘ − ABX

X 2 (1 + ABr

) = AX ‘

La ganancia de la red de realimentación es:

B = X r

X 2

por tanto

X = X ‘ − BX

La ganancia del conjunto será (siendo A´ la ganancia del conjunto realimentado):

A‘ = X 2

‘

1

= A

1 + AB

Podemos utilizar diferentes formas de aplicar realimentación, puesto que la fracción de la señal que devolvemos a la entrada puede ser de tensión o de corriente, y aplicarse en serie o en paralelo con la tensión del generador de entrada. Por ello es posible considerar cuatro tipos diferentes de realimentación:

• Realimentación de tensión serie.

• Realimentación de intensidad serie.

• Realimentación de tensión paralelo.

• Realimentación de intensidad paralelo.

Una realimentación de tensión en serie utiliza el modelo equivalente de tensión (AV) del amplificador, una realimentación de tensión en paralelo el modelo de transresistencia (RM), una realimentación de intensidad en serie el de transconductancia (GM) y una realimentación de intensidad en paralelo el de corriente (AI).

En todos los casos A es la ganancia del amplificador sin realimentación y B el factor de la red de realimentación o red de retorno.

3.4. EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL.

El amplificador diferencial es un circuito que constituye parte fundamental de muchos amplificadores y comparadores (por ejemplo constituye la etapa de entrada de los amplificadores operacionales). Se usa en circuitos para instrumentación, circuitos integrados lineales y circuitos lógicos. Esta compuesto por dos transistores emisor común acoplados por emisor (también pueden ser dos FETs acoplados por el colector) dos entradas y dos salidas. El circuito es el siguiente:

Las resistencias de colector son iguales, existe simetría perfecta entres ambas mitades del circuito. Al tener dos entradas y dos salidas se presentan varias formas de operación:

• Modo de operación de una sola entrada: si una de las entradas se conecta a tierra y se aplica señal a la otra. La salida es la diferencia entre las dos señales V0 = V01 − V02

• Modo de operación diferencial: se aplican dos señales de entrada con polaridades opuestas.

• Modo común: se aplican dos señales con la misma polaridad. En este modo idealmente se debería obtener V0=0, sin embargo en la práctica se obtiene señal, esto se debe a imperfecciones de los componentes del amplificador.

Para el estudio del amplificador diferencial, se puede considerar inicialmente como si fuera una caja negra, con dos terminales de entrada y un terminal de salida V0, V0=V1-V2

De la figura se obtiene: V0 = Ad (V1 − V2 ) . La diferencia se denomina entrada diferencial y se denota por: Vd = (V1 − V2 ) . Ad es la ganancia en modo diferencial, de forma que V0 d = Ad Vd

El amplificador amplifica la diferencia de las dos señales. Debido a imperfecciones del amplificador surge una señal en modo común definida como:

V = V1 + V2

V = A V

C 2 OC C C

En un amplificador diferencial se desea que la señal en modo común sea bastante pequeña.

La calidad de un amplificador diferencial se determina por la relación existente entre Ad y AC, esta relación se denomina relación de rechazo en modo común denotada por:

⎛ A ⎞

CMRR = Ad

, en la práctica se expresa en dB: CMRR = 20 log⎜ d ⎟

A ⎜ A ⎟

⎝ C ⎠

Lo ideal es hacer CMRR tan grande como sea posible para que el amplificador responda solo a la diferencia entre las tensiones de entrada, es decir que en la amplificación se amplifica Vd y se rechaza VC, esta es la principal característica del amplificador diferencial, la capacidad para rechazar o cancelar ciertos tipos de señales.

3.5. AMPLIFICADORES OPERACIONALES.

El amplificador operacional (A.O.) es un amplificador de alta ganancia al que se le agrega una realimentación para controlar la característica de respuesta. El A.O. integrado ofrece todas las ventajas de un circuito integrado monolítico: tamaño pequeño, alta seguridad, coste reducido, regulación con la temperatura, y desviación pequeña de tensión y corriente. Es un dispositivo utilizado en aplicaciones tales como amplificadores, filtros, rectificadores, generadores de señal, comparadores, etc.

Tiene entrada diferencial, es decir dos entradas con oposición de fase, (igual que el amplificador diferencial). La entrada negativa es inversora, por lo que la señal de salida se encuentra en oposición de fase respecto a la aplicada a dicho terminal. La entrada positiva es la no inversora. Tradicionalmente está formado por cuatro bloques bien diferenciados conectados en cascada: amplificador diferencial de entrada, etapa amplificadora, adaptador y desplazamiento de nivel y etapa de salida.

3.5.1. EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL BÁSICO.

Gran número de amplificadores operacionales tienen entrada diferencial con tensiones V1 y V2 aplicadas a los terminales inversores y no inversores respectivamente. Un amplificador con un solo terminal puede considerarse como un caso especial en el que uno de los terminales de entrada está conectado a tierra. Normalmente los amplificadores operacionales tienen un solo terminal de salida. Un amplificador operacional ideal, indicado esquemáticamente en la siguiente figura, presenta las siguientes características:

• Resistencia de entrada infinita.

• Resistencia de salida cero.

• Ganancia de tensión en modo diferencial: infinita.

• Ganancia de tensión en modo común: 0 (CMRR=infinita)

• Corrientes de entrada nulas (Ip=In=0)

• Ancho de banda infinito,

• Ausencia de desviación en las características con la temperatura.

3.5.2. APLICACIONES COMO AMPLIFICADOR O ADAPTADOR DE SEÑALES DEL

AMPLIFICADOR OPERACIONAL.

AMPLIFICADOR INVERSOR:

La configuración más sencilla es la inversora. La ganancia de tensión del amplificador inversor se obtiene analizando el circuito y aplicando las características del amplificador operacional ideal. Si

las corrientes a través de las líneas de entrada son nulas se cumple:

Vi − Vn

R1

= Vn − V0

R2

ganancia:

En el amplificador operacional ideal Vn=Vp, pero en este caso Vp≠0⇒ Vn≠0, y por ello, a este nudo se le denomina masa virtual al tener una tensión de 0, si Vn=0 sustituyendo en la ecuación anterior resulta que la

A = V0

Vi

= − R2

R1

El término inversor es debido al signo negativo de esta expresión que indica un desfase de 180º entre la entrada y la salida. La impedancia de entrada de este circuito es R1.

AMPLIFICADOR NO INVERSOR:

En el amplificador no inversor la señal se aplica entre la entrada no inversora y masa, por tanto la salida estará en fase con la entrada. Considerando que la resistencia de entrada es infinita y la de salida nula en el circuito de la siguiente figura tendremos como ganancia de tensión resultante:

0 − Vn

= Vn − V0

Al ser V =V

Vo = R1 + R2

R1 R2

i n

Vi R1

ADAPTADOR DE IMPEDANCIAS:

El circuito se comporta como un separador de ganancia unidad, la tensión a la salida es igual a la de la entrada.

Se usa como buffer, para eliminar efectos de carga1 o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo de alta impedancia a otro de baja impedancia y viceversa).

CIRCUITO INTEGRADOR:

El circuito integrador es muy útil en numerosas aplicaciones que requieren la generación o adaptación de señales analógicas. Estos dispositivos realizan las complejas operaciones matemáticas de integrar. El circuito integrador se consigue sustituyendo en la configuración inversora la resistencia de realimentación por un condensador.

La relación que existe entre la tensión y corriente a través de un condensador es

I = C dV

dt

Vn − V

R1

= Cd (V0 − Vn )

dt

1

V0 = − ∫Vi (t ) + cte

donde la cte depende de la carga inicial del condensador. El amplificador, por tanto, suministra una tensión de salida proporcional a la tensión de entrada. Si la tensión de entrada es cte, la V salida será una rampa V0 = − t , con lo que el integrador hará las veces de de un circuito de RC barrido para el tubo de rayos catódicos de un osciloscopio, y se llamará integrador Miller.

CIRCUITO COMPARADOR:

La tensión de salida tiene dos estados (binaria) y se comporta como un convertidor analógico- digital de 1 bit. Su utilización en las aplicaciones de generación de la señal, detección, modulación efectos de carga: también se conoce como regulación, es la pérdida de voltaje a medida que aumenta la carga de señal, etc es muy importante y constituye un bloque analógico básico en muchos circuitos. La operación de un comparador se puede expresar teniendo en cuenta que la salida puede ser una tensión alta (VOH) o baja (VOL):

VO = VOL si Vp< Vn

VO = VOH si Vp> Vn

En el caso de que la tensión Vn está fijada a 0, entonces la tensión de salida VO = VOL o VO = VOH en función de si Vp< 0 o Vp >0, respectivamente.

En la figura se muestra una aplicación sencilla de un Amplificador operacional como comparador. El amplificador carece de realimentación y su respuesta de voltaje característica indica que siempre que Vi>VT entonces la salida es baja y viceversa, si Vi<VT la salida es alta. Los limites alto y bajo son establecidos por las tensiones de alimentación, en este caso ±15v. La figura 9.2c muestra un ejemplo de este caso a una entrada Vi analógica.

Aunque los amplificadores operacionales funcionalmente pueden actuar como comparadores, sus limitaciones hacen que sean inservibles para muchas aplicaciones. Tienen una limitación en frecuencia importante, un slew-rato bajo y unos retrasos tan elevados que únicamente son válidos a frecuencias bajas.

4 FILTROS PASIVOS Y ACTIVOS

4.1 DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN.

Es un elemento que produce la anulación de determinadas componentes de frecuencia de señal de entrada. Se emplean para reducir interferencias, para reducir el ancho de banda del sistema, y con él el ruido, y para atenuar selectivamente determinados componentes. El filtro ideal no debe presentar atenuación ni desfase en las bandas de frecuencias que no debe alterar (banda pasante), en cambio debe producir una atenuación infinita a los componentes externos a su banda pasante. Las zonas correspondientes a atenuación nula y atenuación infinita están bastante separadas por las denominadas frecuencias de corte o límites de la configuración del filtro. En los filtros reales la atenuación de la banda pasante no será nula al igual que la atenuación en la banda no pasante no será infinita.

Los filtros los podemos clasificar en función de:

Posición de su banda pasante:

De acuerdo con la posición de su banda pasante los filtros se pueden clasificar en:

• Paso bajo: la banda pasante se extiende de la frecuencia nula hasta la frecuencia de corte.

• Paso alto: la banda pasante se extiende desde la frecuencia de corte hasta la frecuencia infinita.

• Paso banda: la banda pasante corresponde a las frecuencias acotadas entre dos frecuencias de corte.

• Elimina banda: su banda pasante comprende todas las medidas salvo las comprendidas en el intervalo existente entre dos frecuencias límites.

Amplificación de señal:

Desde el punto de vista de amplificación de señal hay dos tipos de filtros:

• Filtro pasivo: todos sus componentes son pasivos (no amplifican señal). Se caracterizan por: Impedancia de entrada alta y salida baja, fácil conexión en cascada, son más baratos y eliminan efectos no deseados de las bobinas, facilidad de puesta a punto y regulación, densa integración, usados para alta frecuencia.

• Filtro activo: por lo menos un componente es activo. Se caracterizan por: necesidad de utilización de una o dos fuentes de alimentación, limitación del margen dinámico de salida, por la posibilidad de saturar el amplificador, son más inestables y son filtros de baja frecuencia.

5 CONVERSOR ANALÓGICO/DIGITAL Y DIGITAL/ANALÓGICO

5.1 INTRODUCCIÓN

En la mayoría de los casos resulta más conveniente efectuar las funciones de regulación y control de sistemas mediante técnicas digitales Sin embargo en muchos casos la señal disponible es analógica, ya que son muchos los transductores que poseen una salida eléctrica analógica, correspondiente a la magnitud medida. Ello obliga a tener que efectuar una conversión analógica/digital, que en otros casos permitirá la transmisión digital de una señal analógica lo que permite minimizar la distorsión producida por la imperfección del sistema de transmisión.

Por otra parte esta señal tratada o transmitida digitalmente puede ser necesario que actue analógicamente sobre un controlador o actuador, o efectuar una representación analógica sobre un registrador, una pantalla etc., lo que obliga a la conversión inversa, la conversión digital/analógica.

Es necesario disponer de los elementos que realizan estas funciones, con unas características de velocidad y precisión adecuadas en cada caso.

5.2 CONVERSORES DIGITALES/ANALÓGICOS (D/A)

Son elementos que reciben una información digital en forma de una palabra de n bits y la transforman en una señal analógica. Cada una de las 2n combinaciones binarias de la entrada es convertida a 2n niveles discretos de tensión (o corriente).

Las características que definen a un conversor D/A son:

• Resolución: depende del número de bits de la entrada.

• Polaridad del conversor: unipolar o bipolar.

• Código digital de entrada utilizado en la información: código binario natural, decimal Codificado en Binario (BCD)

• Tiempo de conversión: tiempo que se precisa para efectuar el máximo cambio de tensión de salida con un error menor al de su resolución.

• Tensión de referencia: interna o externa (puede ser variada entre ciertos márgenes, la tensión de salida vendrá afectada por este factor, constituyendo un conversor multiplicador).

5.3 CONVERSORES ANALÓGICOS/DIGITALES (A/D)

Son elementos que transforman un nivel de tensión en información digital en un código determinado, con una precisión y una resolución dada.

Primero se define el número máximo de bits de salida (la salida digital). Este dato permite determinar el número máximo de combinaciones en la salida digital. Este número máximo está dado por: 2n donde n es el número de bits. También la resolución se entiende como el voltaje necesario (señal analógica) para lograr que en la salida (señal digital) haya un cambio del bit menos significativo.(LSB)

Para hallar la resolución se utiliza la siguiente fórmula: Resolución = ViFS / [ 2n – 1]. Donde:

• n=número de bits del convertidor A/D

• ViFS = es el voltaje que hay que poner a la entrada del convertidor para obtener una conversión máxima (todas las salidas son “1”)

6. CONCLUSIONES

En este tema se ha explicado de forma general los amplificadores y adaptadores de señal en los sistemas de control, enumerando las distintas aplicaciones que tienen estos circuitos. Para ello hemos comenzado describiendo el diagrama de bloques de un sistema de control. En el desarrollo del tema hemos explicado diferentes tipos de amplificadores con transistores, por ser los más usados. También hemos dedicado un apartado al amplificador operacional, dispositivo usado en muchos aplicaciones como amplificadores, filtros, rectificadores, etc. Terminamos explicando brevemente otros elementos presentes en los circuitos de control y que realizan adaptación de la señal: conversores Analógicos/Digitales (A/D), Digitales/Analógicos (D/A) y filtros.

7. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA

1. Electrónica básica para ingenieros. Gustavo A. Ruiz Robredo

2. Principios de electrónica. Malvino. Mc Graw Gill

3. Murgui Izquierdo, Manuel y otros. Tecnología industrial. Edebé Barcelona. 1998