Modelado análisis y aplicación del amplificador operacional en el dominio físico

Abstract

A Bond Graph model of an operational amplifier is proposed in this work, the majority of internal characteristics such as input and output resistors, open loop gain, frequency response, slew rate and saturation voltages are included in the model. With a specific operational amplifier data sheet, the parameters of the model are obtained. The operational amplifier model in Bond Graph is used in open and closed loop. The inverting, noninverting, follower, integrator and differentiator configurations in Bond Graph are obtained. For every one of these configurations the performance in states space, the time response and frequency response are obtained. Active filters are one of the most interesting applications of the operational amplifiers, for this reason in this thesis the first-order low-pass and high-pass, second-order low-pass and high-pass, wide band-pass, narrow band-pass and wide band-reject filters are modeled in Bond Graph. The time and frequency responses are obtained. In this thesis the versatility of Bond Graph is showed in systems modeling with the design of P, PI and PID controllers applied in two systems: one electromechanical and the other one hydraulic, from the point of view of a system in Bond Graph.

En este trabajo se propone el modelo del amplificador operacional mediante Bond Graphs considerando la mayoría de las características internas que presenta, es decir, la resistencia de entrada, la ganancia de lazo abierto, la respuesta a la frecuencia, la relación de cambio de la salida con respecto de la entrada (slew rate), la resistencia de salida y los voltajes de saturación. Con las especificaciones de las hojas de datos para un amplificador operacional en específico, los parámetros para el modelo del amplificador operacional en Bond Graph son obtenidos. El modelo del amplificador operacional en Bond Graph es aplicado a configuraciones tanto en lazo abierto, como en lazo cerrado. Las configuraciones de amplificador inversor, no inversor, seguidor, integrador y diferenciador se obtienen en Bond Graph, a partir de los cuales, las realizaciones en espacio de estado de estas configuraciones se determinan considerando las características internas del amplificador operacional utilizado. Así mismo, las respuestas en el tiempo y en la frecuencia de cada configuración son obtenidas. Una de las aplicaciones más interesantes de los amplificadores operacionales es en el diseño de filtros activos. Así, en esta tesis se proponen los filtros pasa bajas y pasa altas de primer y segundo orden, filtro pasa banda de banda amplia y banda estrecha y finalmente el filtro rechazo de banda, modelados en Bond Graph y utilizando amplificadores operacionales. Además, se obtienen las respuestas en el tiempo y en la frecuencia de cada uno de los filtros propuestos. La versatilidad del modelo de sistemas físicos en Bond Graph se presenta en esta tesis en el diseño de controladores P, PI y PID aplicados a un sistema electromecánico, modelando todos los elementos que lo forman en Bond Graph.