Mary Tamar Tan, de Microchip Technology, explica cómo la utilización de módulos de amplificador operacional con otros periféricos en microcontroladores de 8 bit puede reducir los costes de producción y obtener circuitos más eficientes.
Uno de los elementos fundamentales de los circuitos analógicos, el amplificador operacional, realiza dos funciones básicas: operaciones matemáticas y amplificación de señales de entrada diferenciales. Este circuito analógico versátil y ampliamente utilizado puede encontrarse en un enorme número de aplicaciones analógicas y digitales para acondicionamiento y proceso de señal. Algunos microcontroladores, como los dispositivos microcontroladores PIC de 8 bit de Microchip, tienen un módulo de amplificador operacional que aporta las funciones básicas de un amplificador operacional. Cuando integran con otros periféricos analógicos inteligentes integrados como convertidores A/D, comparadores, convertidores D/A, referencias de tensión fija, detección de cruce por cero, compensadores de pendiente y generadores de rampa programables, permiten abordar numerosas aplicaciones analógicas. Además, estos microcontroladores facilitan la integración de periféricos analógicos y digitales para muchas aplicaciones más complejas.
Módulo de amplificador operacional
El módulo de amplificador operacional se puede implementar en circuitos con amplificadores operacionales de fuentes de alimentación única para aumentar la flexibilidad y la fiabilidad. Entre las características de los módulos PIC de 8 bit se encuentran conexiones externas a puertos de E/S, entradas con un bajo nivel de fugas, E/S de carril a carril (rail-to-rail), tensión de offset de entrada calibrada en fábrica, producto de ancho de banda por ganancia de 3 MHz, control de ganancia unidad, selección programable de fuente positiva y negativa, y controles de anulación (override) para forzar una salida de tipo triestado y ganancia unidad. El diagrama de bloques del módulo de amplificador operacional, que se ha dividido en cinco secciones. No todos los microcontroladores ofrecen todas las secciones y funciones. Un amplificador operacional es un amplificador electrónico de muy alta ganancia con una entrada diferencial y una salida de terminación sencilla.
Tiene dos entradas, denominadas no inversora (positiva) e inversora (negativa). Las fuentes para las entradas positiva y negativa pueden variar en función del dispositivo; se pueden utilizar como fuentes externas a través de las patillas de dispositivo o desde fuentes analógicas internas como otros periféricos del microcontrolador. Como el amplificador operacional se ha diseñado para trabajar con realimentación, los componentes de realimentación externa deben conectarse a las patillas del módulo dependiendo de la aplicación. Estos componentes externos son los que determinan fundamentalmente la respuesta a la salida del módulo. La salida puede tomarse desde las patillas del dispositivo y puede alimentar directamente otros periféricos analógicos integrados. El módulo también puede funcionar en modo de ganancia única, ajustando para ello el bit correspondiente del registro. Esto permite conectar internamente la entrada inversora a la salida, lo cual deja libre una patilla para entrada y salida de aplicación general. Varios microcontroladores tienen una anulación de salida en la cual la salida del amplificador operacional se fuerza a triestado o para que responda en modo de ganancia unidad. Estos modos pueden seleccionarse mediante los bits en el registro.
El módulo funciona entre carril y carril para incrementar el margen dinámico del amplificador operacional. La región lineal se encuentra entre VSS y VDD. Como los microcontroladores PIC se han diseñado para trabajar con una sola alimentación, VSS está ligada generalmente a tierra, por lo que permite una variación aproximada de la tensión máxima entre 0 y VDD. El módulo presenta un comportamiento lineal entre VDD y 0. El diseñador debe asegurar que la señal de entrada no se encuentra por encima de VDD o por debajo de VSS, pues de lo contrario el microcontrolador podría funcionar de manera inesperada. Al igual que un amplificador operacional típico, el módulo se puede configurar para una gran variedad de aplicaciones manipulando las conexiones de elementos de control externos como resistencias, condensadores y diodos. Dado que el módulo se ha diseñado para un funcionamiento lineal, el usuario debe siempre tener en cuenta las especificaciones y limitaciones eléctricas para optimizar las prestaciones.
Modo de ganancia unidad
Algunas aplicaciones solo exigen aislamiento entre las posteriores etapas del circuito debido a las variaciones de la impedancia de carga. Esto se puede lograr añadiendo un circuito de aislamiento que no extraiga corriente del primer circuito pero que suministre la corriente deseada al siguiente circuito. Este circuito de aislamiento también se puede utilizar para una amplificación de potencia. Se obtiene la misma tensión desde una fuente de menor impedancia pero se puede lograr una salida de mayor potencia a la salida. Un amplificador operacional muestra una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida muy baja, por lo que es adecuado para dichas aplicaciones.
El amplificador operacional también puede configurarse para que no tenga que amplificar o atenuar la señal de entrada. Este tipo de circuito con amplificador operacional se conoce como buffer de ganancia unidad o seguidor de tensión. El buffer de ganancia unidad es simplemente un amplificador no inversor con la salida conectada directamente a la entrada inversora. En los microcontroladores PIC, el módulo puede configurarse en modo de ganancia unidad sin añadir componentes externos ajustando el bit correcto en el registro. Cuando se selecciona la ganancia unidad, la salida se une internamente a la entrada inversora, que también libera la patilla de salida inversora para que funcione como patilla de E/S de aplicación general.
Modo de anulación de salida
Varios microcontroladores cuentan con un modo de anulación de salida en el cual los pulsos de salida procedentes de otros módulos pueden proporcionar un control de conmutación en la salida del amplificador operacional. Hay dos modos seleccionables para la anulación de salida: triestado forzado y ganancia unidad forzada. La Fig. 2 muestra algunas formas de onda de salida para los dos modos utilizando PWM como la fuente de anulación.
Módulos internos en cascada
Microcontroladores como el PIC16F1769 de Microchip permite la conexión programable de la salida de un amplificador operacional a la salida de otro amplificador operacional. Estos módulos internos en cascada son útiles si es necesario aislar la salida del amplificador operacional de la carga. La salida de los amplificadores operacionales en cascada depende principalmente de la ganancia de cada etapa. La Fig. 3 muestra dos configuraciones de circuito con módulos amplificadores operacionales internos en cascada. La parte A de la Fig. 3 está formada por dos etapas amplificadoras no inversoras para generar una salida de muy alta ganancia.
Esta configuración es útil para circuitos de alta frecuencia debido a la relación inversa entre la ganancia del amplificador y la frecuencia por debajo del punto de -3 dB. Además, los valores resistivos más elevados también generan más ruido térmico en por las resistencias. Los amplificadores en cascada serían la mejor opción para eliminar ruido térmico y lograr la ganancia deseada. Por otro lado, la parte B de la Fig. 3 está constituida por un amplificador inversor con una referencia positiva no inversora que básicamente produce una señal diferencial amplificada entre la entrada inversora y la tensión de referencia, y un amplificador de ganancia unidad que ofrece aislamiento entre la salida de la etapa anterior y la carga para eliminar los efectos de carga.
Los módulos en cascada se pueden implementar por firmware, configurando para ello la salida de un módulo como entrada negativa o positiva de otro módulo.
Acondicionamiento básico de señal
Una de las aplicaciones más habituales de un amplificador operacional es el acondicionamiento básico de señal cuando es preciso manipular las señales de entrada para cumplir los requisitos de las etapas posteriores. La Fig. 4 muestra un circuito de acondicionamiento básico de señal que necesita convertir una señal con una entrada de 0,6 a 1 V en un rango de 0 a 5 V para una resolución optimizada antes de alimentar el módulo convertidor A/D.
Este circuito realiza dos funciones: escalado y variación de nivel. El módulo de amplificador operacional es de configuración inversora, lo cual significa que suministrará una réplica invertida y amplificada de la señal de entrada diferencial. El rango de señal de salida depende de la ganancia del amplificador inversor. El producto de la señal de entrada y la ganancia determina la escala de la etapa de salida. No obstante, el resultado escalado de 5 V no pertenece exactamente al rango de 0 a 5 V, por lo que es preciso variar la tensión de salida hasta el nivel deseado, añadiendo para ello una tensión de referencia positiva en la entrada no inversora del amplificador operacional. Para obtener una salida más precisa hay que variar esta tensión de referencia. Si se desean suprimir las fuentes externas de tensión se pueden utilizar módulos de referencia de tensión fija (fixed voltage reference, FVR) y módulos convertidores D/A. El FVR se configura para que proporcione una referencia de tensión estable al convertidor D/A, del cual divide esta tensión fija en 512 niveles de salida configurables por software que sirven como una referencia a la entrada no inversora del módulo de amplificador operacional.
Una vez que la señal está escalada y ha variado su nivel a la salida deseada, ésta alimenta al módulo convertidor A/D para proceso digital. La señal optimizada procedente del módulo amplificador operacional da como resultado una reducción significativa del tamaño del paso de la conversión A/D y genera una resolución efectiva mucho más elevada si se compara con la señal no acondicionada. La salida del amplificador operacional puede alimentar otros periféricos analógicos para añadir proceso analógico.
Circuito de realimentación para atenuación de LED con PWM
La Fig. 5 muestra un controlador elevador en modo corriente para la atenuación de LED con PWM con corriente constante. En este circuito, un convertidor elevador suministra una corriente constante a los LED conectados en serie. Es importante mantener la corriente constante a partir de la variación de la tensión de entrada y la resistencia total de los LED para que el color de los LED sea verdadero. La corriente depende principalmente del ciclo de trabajo de la salida del generador de salida complementaria (Complementary Output Generator, COG).
La salida del COG alimenta al modulador de señal de datos y se utiliza para conmutar el MOSFET de potencia Q1. Su período de conmutación viene determinado por el módulo de comparación/ captura/PWM (Compare/ Capture/ PWM, CCP), que sirve al COG como fuente de eventos ascendente y el módulo comparador como fuente de eventos descendentes. El CCP se configura en modo PWM para proporcionar un tren de pulsos de frecuencia fija cuyo valor oscila habitualmente entre 100 y 500 kHz. Por otro lado, el comparador genera un pulso de salida siempre que la tensión en RSENSE1 supere a la salida del módulo PRG. La entrada en el módulo PRG se obtiene de la salida del módulo amplificador operacional en el circuito de realimentación.
El PRG se configura como un compensador de pendiente para contrarrestar las oscilaciones subarmónicas inherentes cuando el ciclo de trabajo es superior al 50%. PWM3 controla la atenuación con el fin de proporcionar la corriente media efectiva para controlar el brillo del LED sin que ello afecte al color. Proporciona una salida PWM de 200 Hz para modular la salida del COG, la conmutación de la carga y la anulación de la salida del amplificador operacional. El ciclo de trabajo de PWM3 determina el factor de atenuación del LED, que cuando está activada determina la intensidad de luz del LED. Un factor más alto en el ciclo de trabajo significa un MOSFET Q2 que conduce durante más tiempo, y por tanto un LED más brillante. Cuando la salida de PWM3 pasa a nivel bajo, la salida del COG se deshabilita a través del DSM, Q2 deja de conducir y la salida del amplificador operacional se fuerza a triestado.
El DSM utiliza PWM3 como fuente de modulación para proporcionar una conmutación sincronizada con Q2 y la salida del amplificador operacional. También garantiza que se complete el pulso de COG antes de que la salida conmute a nivel bajo. Al deshabilitar el COG se evita que aparezca una sobretensión a la salida mientras se fuerza al amplificador operacional a triestado para mantener estable la corriente del LED. Cuando Q2 deja de conducir, la realimentación pasa a cero y el módulo amplificador operacional incrementa su salida hasta el máximo y sobrecarga la red de compensación. Cuando PWM3 vuelve a activarse, el compensador necesita varios ciclos de conmutado para recuperarse cuando llega un pico de corriente elevado a través de los LED. Esto provoca a menudo que llegue una corriente excesiva al LED, lo cual acorta la vida operativa del LED.
En esta aplicación, el módulo de amplificador operacional se ha configurado con el PWM3 como fuente de anulación y la salida está en triestado cuando la salida PWM está en nivel bajo para disminuir el exceso de corriente en el LED y evitar que cambie el color.
Conclusión
El módulo de amplificador operacional de los microcontroladores PIC de 8 bit no solo proporciona las funciones básicas de un amplificador operacional de alimentación única sino que también ofrece otras funciones mejoradas para aumentar la flexibilidad en diseños de circuitos con amplificadores operacionales. Dado que los equipos portátiles vez son cada vez más populares, se está registrando una mayor demanda de circuitos con amplificadores operacionales con alimentación única. La integración de un módulo de amplificador operacional y otros periféricos analógicos integrados reduce los costes de producción y el espacio ocupado en la placa y proporciona unas prestaciones más eficientes del circuito en numerosas aplicaciones.
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