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Diseño de amplificadores con operacionales de precisión (ART573S)

Basados en el documento técnico de Microchip (www.microchip.com), describimos técnicas de diseño de amplificadores operativos de precisión, donde los problemas térmicos pueden generar tensiones capaces de influir en el rendimiento del circuito. En aquella ocasión, dada la extensión del asunto, no abordamos todo el contenido del documento, el cual, según prometemos, quedaría para una edición posterior, y justamente ahora es esta oportunidad.

En la edición en que dimos una parte de los circuitos y sus problemas críticos de diseño, paramos en una configuración de amplificador operacional no inversora, mostrando cómo los resistores deberían estar dispuestos para minimizar los problemas de generación de tensiones por el calentamiento (efecto Seebeck o efecto termoeléctrico). El circuito siguiente a ser analizado es de un amplificador inversor, donde tenemos tres resistores SMD en el circuito. Este circuito se muestra en la figura 1.

 

Figura 1 - Amplificador inversor.
Figura 1 - Amplificador inversor.

 

La disposición de componentes sugerida para este circuito es la mostrada en la figura 2. Como los componentes utilizados son los mismos de un amplificador no inversor, la disposición de los resistores es la misma.

 

Figura 2 - Disposición de componentes para un circuito inversor.
Figura 2 - Disposición de componentes para un circuito inversor.

 

Para el amplificador de diferencia de tensión, como se muestra en la figura 3, se deben tomar precauciones similares para que la tensión generada en los terminales de los componentes no afecte la precisión del circuito.

 

Figura 3 - Amplificador diferencial, utilizando 4 resistores.
Figura 3 - Amplificador diferencial, utilizando 4 resistores.

 

El diseño para los componentes de este circuito se muestra en la figura 4.

 

Figura 4 - Diseño y circuito térmico equivalente.
Figura 4 - Diseño y circuito térmico equivalente.

 

Observe que la disposición sugerida para los componentes hace que las tensiones térmicas generadas (Vth) estén en oposición, cancelándose.

Una configuración bastante crítica en cuanto a los efectos de tensiones generadas por las variaciones térmicas es la de amplificadores de instrumentación, donde la ganancia normalmente alcanza valores muy altos. Un amplificador de este tipo se muestra en la figura 5. La disposición mostrada en la figura no es recomendada. El motivo es que en una placa de circuito impreso, es difícil conseguir una cancelación de las tensiones térmicas generadas.

 

Figura 5 - Amplificador de instrumentación con dos amplificadores operativos.
Figura 5 - Amplificador de instrumentación con dos amplificadores operativos.

 

Una configuración mejor es la mostrada en la figura 6.

 

Figura 6 - Configuración mejor para un amplificador de instrumentación.
Figura 6 - Configuración mejor para un amplificador de instrumentación.

 

La idea es dividir la resistencia RG para poder trabajar con la oposición de las tensiones que generan, y así obtener la cancelación. Como hacer esto en el diseño de la placa se muestra en la figura 7.

En esta figura también tenemos el diagrama equivalente incluyendo las tensiones generadas en los resistores.

 

Figura 7 - Diseño para el amplificador de instrumentación con Rg separado en dos.
Figura 7 - Diseño para el amplificador de instrumentación con Rg separado en dos.

 

 

Modificaciones para gradientes no constantes de temperatura

Los gradientes de temperatura en una placa de circuito impreso, no siempre son constantes. Los perfiles de temperatura pueden variar y, además, existen fuentes puntuales de calor que pueden afectar sólo a una parte de un componente del que esté cerca.

Diversas son las soluciones para minimizar los efectos térmicos de fuentes puntuales o localizadas. Una de ellas es mantener los componentes distantes de disipadores de calor o componentes pequeños que trabajen calientes.

Otra solución consiste en elegir componentes críticos que tengan menores dimensiones en el sentido en que los efectos térmicos pueden ser más acentuados, como muestra la figura 8.

 

Figura 8 - Reducir los efectos térmicos con la utilización de componentes menores.
Figura 8 - Reducir los efectos térmicos con la utilización de componentes menores.

 

Medir las temperaturas en una placa

Hay varias formas de medir las temperaturas generadas en puntos críticos de una placa para optimizar un proyecto. Una de ellas consiste en el uso de sensores, como pares termoeléctricos, siendo dado un ejemplo de circuito en la figura 9.

 

Figura 9 - Medir temperaturas en una placa.
Figura 9 - Medir temperaturas en una placa.

 

El circuito se basa en el sensor de temperatura MCP9700. Como este sensor drena una corriente extremadamente baja, su efecto sobre el calor generado en el circuito es mínimo.

Otra forma de estudiar el efecto del calor generado en una placa es introduciendo deliberadamente gradientes de temperatura y analizar sus efectos. En la figura 10 tenemos ejemplo de cómo hacerlo con un amplificador de diferencia de tensión.

 

Figura 10 - Amplificador de diferencia de tensión deliberadamente desbalanceado térmicamente.
Figura 10 - Amplificador de diferencia de tensión deliberadamente desbalanceado térmicamente.

 

Otro método para obtener circuitos deliberadamente desbalanceados termicamente consiste en colocar una resistencia en corto, como muestra la figura 11.

 

Figura 11 - Resistencia en corto para desbalancear térmicamente el circuito.
Figura 11 - Resistencia en corto para desbalancear térmicamente el circuito.

 

En la misma figura tenemos el circuito térmico equivalente.

 

Conclusión

El tema aún no se agota con este artículo. Los lectores que dominan el idioma inglés pueden obtener mucho más consultando la documentación original de Microchip. De cualquier forma, se alerta el que los que trabajen con circuitos de precisión y deben asegurarse de que ningún problema de imprecisión se debe a efectos térmicos.

 

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